Bedömning av kortikospinal excitabilitet under målstyrt nådebeteende

Summary

Att nå är en grundläggande färdighet som gör det möjligt för människor att interagera med miljön. Flera studier har syftat till att karakterisera att nå beteende med hjälp av en mängd olika metoder. Detta papper erbjuder en öppen källkodsapplikation av transkraniell magnetisk stimulering för att bedöma tillståndet för kortikospinal excitabilitet hos människor under att nå uppgiftsprestanda.

Abstract

Att nå är ett allmänt studerat beteende inom motorfysiologi och neurovetenskaplig forskning. Medan räckvidd har undersökts med hjälp av en mängd olika beteendemanipulationer, finns det fortfarande betydande luckor i förståelsen av de neurala processerna som är involverade i räckviddsplanering, utförande och kontroll. Det nya tillvägagångssättet som beskrivs här kombinerar en tvådimensionell räckviddsuppgift med transkraniell magnetisk stimulering (TMS) och samtidig elektromyografi (EMG) inspelning från flera muskler. Denna metod möjliggör icke-invasiv detektion av kortikospinal aktivitet vid exakta tidpunkter under utvecklingen av att nå rörelser. Exempeluppgiftskoden innehåller ett fördröjt svar som når uppgiften med två möjliga mål som visas ± 45° utanför mittlinjen. Enkelpuls-TMS levereras på de flesta uppgiftsprövningar, antingen i början av den förberedande signalen (baslinjen) eller 100 ms före den imperativa signalen (fördröjning). Denna provdesign är lämplig för att undersöka förändringar i kortikospinal excitabilitet under räckviddsberedning. Provkoden inkluderar också en visuomotorisk störning (dvs. markörrotation på ± 20 °) för att undersöka effekterna av anpassning på kortikospinal excitabilitet under räckviddsberedning. Uppgiftsparametrarna och TMS-leveransen kan justeras för att ta itu med specifika hypoteser om motorsystemets tillstånd under uppnåendet av beteende. I den inledande implementeringen framkallades motoriska potentialer (MEPs) framgångsrikt på 83% av TMS-försöken, och räckviddsbanor registrerades på alla prövningar.

Introduction

Målstyrd räckvidd är ett grundläggande motoriskt beteende som gör det möjligt för människor att interagera med och manipulera den yttre miljön. Studien av att nå inom områdena motorfysiologi, psykologi och neurovetenskap har producerat rik och omfattande litteratur som innehåller en mängd olika metoder. Tidiga studier av att nå används direkta neurala inspelningar i icke-mänskliga primater för att undersöka neural aktivitet på nivån av enskilda neuroner ^1,2. Nyare studier har undersökt att nå med hjälp av beteendeparadigmer som använder sensorimotorisk anpassning för att utforska arten av motorisk inlärning och kontroll ^3,4,5. Sådana beteendeuppgifter i kombination med funktionell magnetisk resonanstomografi och elektroencefalografi kan mäta hela hjärnaktiviteten under att nå^{hos människor 6,7}. Andra studier har tillämpat online TMS för att undersöka olika funktioner i räckviddsförberedelser och utförande 8,9,10,11,12,13,14. Det finns dock fortfarande ett behov av ett flexibelt tillvägagångssätt med öppen källkod som kombinerar beteendebedömningen av att nå med TMS. Även om nyttan av att kombinera TMS med beteendeprotokoll är mycket väl etablerad¹⁵, undersöker vi här specifikt tillämpningen av TMS inom ramen för att nå med hjälp av en öppen källkodsmetod. Detta är nytt genom att andra grupper som har publicerat med denna kombination av metoder inte har gjort sina verktyg lättillgängliga, vilket förbjuder direkt replikering. Denna metod med öppen källkod underlättar replikering, datadelning och möjligheten till studier på flera platser. Dessutom, om andra vill driva nya forskningsfrågor med liknande verktyg, kan öppen källkod fungera som en startplatta för innovation, eftersom den är lätt att anpassa.

TMS erbjuder ett icke-invasivt sätt att undersöka motorsystemet vid exakt kontrollerade tidpunkter¹⁶. När det appliceras över den primära motorcortexen (M1) kan TMS framkalla en mätbar avböjning i elektromyogrammet för en riktad muskel. Amplituden för denna spänningsvåg, känd som den motorframkallade potentialen (MEP), ger ett index över det momentana excitabilitetstillståndet för kortikospinal (CS) -vägen – en resulterande analog av alla excitatoriska och hämmande influenser på CS-vägen¹⁷. Förutom att tillhandahålla en tillförlitlig mätning inom ämnet av inneboende CS-excitabilitet, kan TMS kombineras med andra beteendemässiga eller kinematiska mätvärden för att undersöka relationerna mellan CS-aktivitet och beteende på ett tidsmässigt exakt sätt. Många studier har använt en kombination av TMS och elektromyografi (EMG) för att ta itu med en mängd olika frågor om motorsystemet, särskilt eftersom denna kombination av metoder gör det möjligt att undersöka parlamentsledamöter under ett brett spektrum av beteendeförhållanden¹⁵. Ett område där detta har visat sig vara särskilt användbart är i studiet av åtgärdsförberedelser, oftast genom studier av enledsrörelser¹⁸. Det finns dock jämförelsevis färre TMS-studier av naturalistiska flerledsrörelser som att nå.

Det nuvarande målet var att utforma en fördröjd respons som når uppgift som inkluderar beteendekinematik, online enpuls TMS-administration och samtidig EMG-inspelning från flera muskler. Uppgiften inkluderar ett tvådimensionellt punkt-till-punkt-nåsättningsparadigm med visuell feedback online med hjälp av en horisontellt orienterad bildskärm så att visuell feedback matchar räckviddsbanor (dvs. ett 1: 1-förhållande under veridisk feedback och ingen transformation mellan visuell feedback och rörelse). Den nuvarande designen innehåller också en uppsättning försök med en visuomotorisk störning. I det angivna exemplet är detta en 20 ° rotationsförskjutning i marköråterkopplingen. Tidigare studier har använt ett liknande paradigm för att ta itu med frågor om mekanismer och beräkningar associerade med sensorimotorisk anpassning 19,20,21,22,23,24,25. Dessutom gör detta tillvägagångssätt det möjligt att bedöma motorsystemets excitabilitetsdynamik vid exakta tidpunkter under online motorisk inlärning.

Eftersom att nå har visat sig vara ett fruktbart beteende för att undersöka inlärning / anpassning, har bedömning av CS-excitabilitet i samband med detta beteende enorm potential att belysa de neurala substraten som är involverade i dessa beteenden. Dessa kan inkludera lokala hämmande influenser, förändringar i inställningsegenskaper, tidpunkten för neurala händelser etc., som har fastställts i icke-mänsklig primatforskning. Emellertid, dessa funktioner har varit svårare att kvantifiera hos människor och kliniska populationer. Neural dynamik kan också undersökas i frånvaro av öppen rörelse hos människor med hjälp av den kombinerade TMS- och EMG-metoden (dvs. under beredningen av rörelse eller i vila).

Verktygen som presenteras är öppen källkod och koden är lätt att anpassa. Detta nya paradigm kommer att ge viktiga insikter om de mekanismer som är involverade i förberedelse, utförande, avslutning och anpassning av att nå rörelser. Dessutom har denna kombination av metoder potential att avslöja samband mellan elektrofysiologi och att nå beteende hos människor.

Protocol

Alla metoder som beskrivs här utfördes i enlighet med IRB-protokoll och godkännande (University of Oregon IRB-protokollnummer 10182017.017). Informerat samtycke erhölls från alla försökspersoner. 1. Nå apparatur Placera en stor grafikplatta platt på en stationär dator. Använd en justerbar 80-20 aluminiumram för att placera uppgiftsmonitorn 6-8 ovanför surfplattan parallellt, med skärmen uppåt (för en ritning, kolla här: https://github.com/g…

Representative Results

Framgångsrikt utförande av de beskrivna metoderna inkluderar registrering av tablettdata, EMG-spår och tillförlitlig elicitering av parlamentsledamöter. Ett experiment slutfördes som inkluderade 270 testförsök med TMS som levererades på 4/5 av försöken (216 försök). Data samlades in från 16 deltagare (åtta kvinnor; åtta män) i åldern 25 ± 10 år, som alla självrapporterade som högerhänta. Vi bedömde effektiviteten av den visuella störningen på beteendeprestanda genom a…

Discussion

Metoderna som beskrivs ovan erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att studera motorisk förberedelse i samband med att nå beteenden. Även om att nå representerar en populär modelluppgift i studien av motorstyrning och lärande, finns det ett behov av att exakt utvärdera CS-dynamiken i samband med att nå beteende. TMS erbjuder en icke-invasiv, tidsmässigt exakt metod för att fånga CS-aktivitet vid diskreta tidpunkter under räckhåll. Tillvägagångssättet som beskrivs här kombinerar två…

Materials

2-Port Native PCI Express	StarTech.com	RS232 Card with 16950 UART	Must be compatible with desktop computer
Adjustable 80-20 aluminum frame	any
Alcohol prep pads	any		EMG preparation
Bagnoli Bipolar Electrodes	Delsys	DE 2.1
Bagnoli Reference Electrode	Delsys	USX2000	2” (5cm) Round
Bagnoli-8 EMG System	Delsys
Chair	any
Computer monitor for EMG/TMS	n/a
Desk	any
Desktop Computer	Dell	xps 8930	RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB
EMG electrodes	Delsys	Sensor Adhesive Interface
Fine grain sandpaper	any		EMG preparation
Graphics tablet	Wacom	Intuos-4 XL
Handle of paint roller	any		to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside
Medical tape	any		To secure EMG electrodes
PCI-6220 card DAQ	National Instruments		To interface EMG system
Photodiode Sensor	Vishay	BPW21R	To record timing of task events into EMG trace.
Rear TMS port	Magstim		Included with TMS machine
Right-handed polyethylene glove	any		Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle
Sensory Adhesive Interface, 2-slot	Delsys	SC-F01
Stylus	Wacom	Intuos-4 grip pen
Tablet-to-Computer USB cable	any		Included in Tablet purchase
Task Monitor	Asus	VG248
TMS coil	Magstim	D70 Remote Coil	7cm diameter, figure-of-eight coil
TMS machine	Magstim	200-2
TMS-to-Computer DB9 cable	any		Connects to PCIe Serial Card
Velcro	any		To be placed on glove and stylus handle