Avaliando a excitabilidade corticoespinhal durante o comportamento de alcance direcionado a objetivos
Summary
Alcançar é uma habilidade fundamental que permite que os seres humanos interajam com o ambiente. Diversos estudos têm como objetivo caracterizar o comportamento de alcance utilizando uma variedade de metodologias. Este artigo oferece uma aplicação de código aberto de estimulação magnética transcraniana para avaliar o estado de excitabilidade corticoespinhal em humanos durante o desempenho da tarefa.
Abstract
Alcançar é um comportamento amplamente estudado em fisiologia motora e pesquisa em neurociências. Embora o alcance tenha sido examinado usando uma variedade de manipulações comportamentais, ainda existem lacunas significativas na compreensão dos processos neurais envolvidos no planejamento, execução e controle do alcance. A nova abordagem descrita aqui combina uma tarefa de alcance bidimensional com estimulação magnética transcraniana (EMT) e eletromiografia simultânea (EMG) gravação de múltiplos músculos. Este método permite a detecção não invasiva da atividade corticoespinhal em pontos de tempo precisos durante o desdobramento dos movimentos de alcance. O código de tarefa de exemplo inclui uma tarefa de resposta atrasada com dois possíveis destinos exibidos ± 45° fora da linha média. A EMT de pulso único é entregue na maioria dos ensaios de tarefa, seja no início da sugestão preparatória (linha de base) ou 100 ms antes da sugestão imperativa (atraso). Este desenho amostral é adequado para investigar alterações na excitabilidade corticoespinhal durante a preparação do alcance. O código de amostra também inclui uma perturbação visuomotora (ou seja, rotação do cursor de ± 20°) para investigar os efeitos da adaptação na excitabilidade corticoespinhal durante a preparação do alcance. Os parâmetros da tarefa e a entrega da EMT podem ser ajustados para abordar hipóteses específicas sobre o estado do sistema motor durante o comportamento de alcance. Na implementação inicial, os potenciais evocados motores (PEmáx) foram obtidos com sucesso em 83% dos ensaios de EMT, e as trajetórias de alcance foram registradas em todos os ensaios.
Introduction
O alcance direcionado a metas é um comportamento motor fundamental que permite que os seres humanos interajam e manipulem o ambiente externo. O estudo do alcance nos campos da fisiologia motora, psicologia e neurociência produziu uma literatura rica e extensa que inclui uma variedade de metodologias. Os primeiros estudos de alcance utilizaram registros neurais diretos em primatas não humanos para investigar a atividade neural no nível de neurônios individuais 1,2. Estudos mais recentes têm investigado o alcance utilizando paradigmas comportamentais que empregam a adaptação sensório-motora para explorar a natureza da aprendizagem motora e do controle 3,4,5. Tais tarefas comportamentais combinadas com ressonância magnética funcional e eletroencefalografia podem medir toda a atividade cerebral durante o alcance em humanos 6,7. Outros estudos aplicaram a EMT on-line para investigar várias características da preparação e execução do alcance 8,9,10,11,12,13,14. No entanto, continua a haver uma necessidade de uma abordagem flexível e de código aberto que combine a avaliação comportamental do alcance com o TMS. Embora a utilidade de combinar TMS com protocolos comportamentais esteja muito bem estabelecida15, aqui, examinamos especificamente a aplicação da TMS dentro do contexto de alcançar usando uma abordagem de código aberto. Isso é novo na medida em que outros grupos que publicaram usando essa combinação de métodos não disponibilizaram suas ferramentas prontamente, proibindo a replicação direta. Essa abordagem de código aberto facilita a replicação, o compartilhamento de dados e a possibilidade de estudos em vários locais. Além disso, se outros desejarem buscar novas questões de pesquisa com ferramentas semelhantes, o código-fonte aberto pode atuar como uma plataforma de lançamento para a inovação, pois é prontamente adaptável.
A EMT oferece um meio não invasivo de sondar o sistema motor em pontos de tempo precisamente controlados16. Quando aplicada sobre o córtex motor primário (M1), a EMT pode provocar uma deflexão mensurável no eletromiograma de um músculo alvo. A amplitude dessa onda de voltagem, conhecida como potencial evocado motor (PEmáx), fornece um índice do estado de excitabilidade momentânea da via corticoespinhal (SC) – um análogo resultante de todas as influências excitatórias e inibitórias na via CS17. Além de fornecer uma medição confiável dentro do sujeito da excitabilidade intrínseca da CS, a EMT pode ser combinada com outras métricas comportamentais ou cinemáticas para investigar as relações entre a atividade e o comportamento da CS de maneira temporalmente precisa. Muitos estudos têm utilizado uma combinação de EMT e eletromiografia (EMG) para abordar uma variedade de questões sobre o sistema motor, particularmente porque essa combinação de métodos torna possível investigar PEmáx sob uma vasta gama de condições comportamentais15. Uma área em que isso tem se mostrado particularmente útil é no estudo da preparação da ação, na maioria das vezes através do estudo de movimentos uniarticulares18. No entanto, há comparativamente menos estudos de EMT de movimentos naturalistas multi-articulares, como o alcance.
O objetivo atual era projetar uma tarefa de resposta atrasada que incluísse cinemática comportamental, administração on-line de EMS de pulso único e gravação EMG simultânea de vários músculos. A tarefa inclui um paradigma bidimensional de alcance ponto-a-ponto com feedback visual on-line usando um monitor orientado horizontalmente de modo que o feedback visual corresponda às trajetórias de alcance (ou seja, uma relação 1: 1 durante o feedback verídico e nenhuma transformação entre feedback visual e movimento). O projeto atual também inclui um conjunto de ensaios com uma perturbação visuomotora. No exemplo fornecido, este é um deslocamento rotacional de 20° no feedback do cursor. Estudos anteriores utilizaram um paradigma de alcance semelhante para abordar questões sobre os mecanismos e cálculos associados à adaptação sensório-motora 19,20,21,22,23,24,25. Além disso, essa abordagem permite avaliar a dinâmica da excitabilidade do sistema motor em pontos de tempo precisos durante o aprendizado motor on-line.
Como o alcance provou ser um comportamento frutífero para investigar a aprendizagem/adaptação, avaliar a excitabilidade da SC no contexto desse comportamento tem um enorme potencial para lançar luz sobre os substratos neurais envolvidos nesses comportamentos. Estes podem incluir influências inibitórias locais, mudanças nas propriedades de ajuste, o momento dos eventos neurais, etc., como foi estabelecido em pesquisas com primatas não humanos. No entanto, essas características têm sido mais difíceis de quantificar em humanos e populações clínicas. A dinâmica neural também pode ser investigada na ausência de movimento evidente em humanos usando a abordagem combinada de EMT e EMG (ou seja, durante a preparação do movimento ou em repouso).
As ferramentas apresentadas são de código aberto e o código é facilmente adaptável. Este novo paradigma produzirá insights importantes sobre os mecanismos envolvidos na preparação, execução, término e adaptação dos movimentos de alcance. Além disso, essa combinação de métodos tem o potencial de descobrir relações entre a eletrofisiologia e o comportamento de alcance em humanos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os métodos descritos acima oferecem uma nova abordagem para estudar a preparação motora no contexto de alcançar comportamentos. Embora o alcance represente uma tarefa de modelo popular no estudo do controle motor e da aprendizagem, há uma necessidade de avaliar com precisão a dinâmica da SC associada ao comportamento de alcance. O TMS oferece um método não invasivo e temporalmente preciso de capturar a atividade de CS em pontos de tempo discretos durante o alcance. A abordagem aqui descrita comb…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi possível em parte pelo generoso financiamento do programa Knight Campus Undergraduate Scholars e da Phil and Penny Knight Foundation.
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 |
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