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Neurosciences

末梢神経刺激と制御可能なパルスパラメータの組み合わせ 感覚運動の制御と学習をプローブするための経頭蓋磁気刺激

Published: April 21, 2023
doi:
10.3791/65212
, ,
1Department of Kinesiology and Health Sciences,University of Waterloo

Summary

短潜時求心性抑制(SAI)は、感覚運動の統合をプローブするための経頭蓋磁気刺激プロトコルです。この記事では、SAIを使用して、感覚運動行動中の運動野の収束感覚運動ループを研究する方法について説明します。

Abstract

熟練した運動能力は、感覚求心性を適切な運動コマンドに効率的に統合することに依存します。求心性抑制は、熟練した運動行動中の感覚運動統合に対する手続き的および宣言的影響を調査するための貴重なツールを提供します。この原稿では、感覚運動統合を理解するための短潜時求心性抑制(SAI)の方法論と貢献について説明しています。SAIは、経頭蓋磁気刺激(TMS)によって誘発される皮質脊髄運動出力に対する収束求心性ボレーの効果を定量化します。求心性ボレーは、末梢神経の電気刺激によって引き起こされます。TMS刺激は、その求心性神経が機能する筋肉で信頼性の高い運動誘発反応を引き出す一次運動野上の場所に送達されます。運動誘発反応の阻害の程度は、運動皮質に収束する求心性ボレーの大きさを反映しており、中枢GABA作動性およびコリン作動性の寄与を含む。SAIへのコリン作動性の関与により、SAIは感覚運動能力および学習における宣言的-手続き的相互作用の可能性のあるマーカーとなる。最近では、SAIのTMS電流方向を操作して、熟練した運動行動のための一次運動野の異なる感覚運動回路の機能的重要性を区別するための研究が開始されています。最先端の制御可能なパルスパラメータTMS(cTMS)を使用して追加のパルスパラメータ(パルス幅など)を制御する機能は、TMS刺激によってプローブされる感覚運動回路の選択性を高め、感覚運動制御と学習のより洗練されたモデルを作成する機会を提供しました。そこで本稿では,cTMSを用いたSAI評価に焦点を当てる.ただし、ここで概説した原則は、従来の固定パルス幅TMS刺激装置および長期潜時求心性阻害(LAI)などの他の形態の求心性阻害を使用して評価されたSAIにも適用されます。

Introduction

複数の感覚運動ループが運動皮質に収束し、脊髄運動ニューロンおよび介在ニューロンへの錐体路突起を形作る1。しかし、これらの感覚運動ループがどのように相互作用して皮質脊髄投射と運動行動を形成するかは未解決の問題のままです。短潜時求心性抑制(SAI)は、運動皮質出力における収束感覚運動ループの機能特性を調べるためのツールを提供します。SAIは、運動皮質経頭蓋磁気刺激(TMS)と対応する末梢求心性神経の電気刺激を組み合わせたものです。

TMSは、ヒトの脳内で錐体運動ニューロンをシナプス的に安全に刺激する非侵襲的な方法です2,3。TMSでは、頭皮に配置されたコイル状のワイヤーに大きな過渡電流を流します。電流の過渡的な性質は、急速に変化する磁場を作り出し、脳4に電流を誘導する。単一のTMS刺激の場合、誘導電流は、錐体運動ニューロン5〜7への一連の興奮性入力を活性化する。生成された興奮性入力の強度が十分である場合、下降活動は運動誘発電位(MEP)として知られる対側の筋肉反応を誘発します。MEPの潜時は、皮質運動伝導時間8を反映しています。MEPの振幅は、皮質脊髄ニューロン9の興奮性を指標化する。MEPを誘発する単一のTMS刺激は、コンディショニング刺激10、11、12によって先行することもできる。これらのペアパルスパラダイムは、皮質脊髄出力に対するさまざまな介在ニューロンプールの影響を指標化するために使用できます。SAIの場合、末梢電気調整刺激は、運動皮質興奮性に対する求心性ボレーの影響を調べるために使用される11、13、14、15。TMS刺激と末梢電気刺激の相対的なタイミングは、運動皮質に対するTMS刺激の作用を運動皮質への求心性投射の到着と一致させます。遠位上肢筋のSAIの場合、正中神経刺激は通常、TMS刺激に18〜24ミリ秒先行します11、13、15、16。同時に、SAIは、末梢刺激によって誘発される求心性ボレーの強度が増加するにつれて増加する13,17,18。

運動皮質への求心性投射の外因性特性との強い関連にもかかわらず、SAIは多くの運動制御プロセスに関与する可鍛性現象です。例えば、SAIは、差し迫った運動の前にタスク関連筋肉で減少するが、隣接するタスク無関係な運動表現19、20、22では維持される。タスク関連性に対する感度は、望ましくないエフェクター動員を減少させることを目的とする周囲阻害メカニズム23を反映すると仮定される。より最近では、タスク関連エフェクタにおけるSAIの減少は、予想される感覚求心性21を抑制し、感覚運動計画および実行中の修正を容易にするように設計された運動関連ゲーティング現象を反映し得ることが提案された24。特定の機能的役割に関係なく、SAIは手先の器用さおよび処理効率の低下と相関している25。SAIの変化は、高齢者26の転倒リスクの増加、パーキンソン病26、27、28および局所性手ジストニア29の感覚運動機能の低下にも関連しています。

臨床的および薬理学的証拠は、SAIを媒介する阻害経路が中枢コリン作動性調節に感受性であることを示している30。例えば、ムスカリン性アセチルコリン受容体アンタゴニストスコポラミンを投与すると、SAI31が減少する。対照的に、アセチルコリンエステラーゼ阻害剤を介してアセチルコリンの半減期を増加させると、SAI32,33が増強されます。薬理学的証拠と一致して、SAIは、覚醒34、報酬35、注意の割り当て21、36、37、および記憶38、39、40を含む、中枢コリン作動性の関与を伴ういくつかの認知プロセスに敏感である。SAIは、アルツハイマー病41,42,43,44,45,46,47、パーキンソン病(軽度認知障害)48,49,50、軽度認知障害47などのコリン作動性ニューロンの喪失に関連する認知障害を有する臨床集団においても変化します。51,52。さまざまなγアミノ酪酸A型(GABAA)受容体サブユニットタイプに対する異なる親和性を持つさまざまなベンゾジアゼピンによるSAIの差動調節は、SAI阻害経路が他の形態のペアパルス阻害を媒介する経路とは異なることを示唆しています30。例えば、ロラゼパムはSAIを減少させるが、短間隔皮質阻害(SICI)を増強する53。ゾルピデムはSAIを低下させますが、SICI53にはほとんど効果がありません。.ジアゼパムはSICIを増加させるが、SAI53にはほとんど影響を与えない。GABAA受容体機能のこれらの正のアロステリックモジュレーターによるSAIの減少は、GABAが脳幹および皮質54におけるアセチルコリンの放出を制御するという観察と相まって、GABAが感覚運動皮質に投射するコリン作動性経路を調節してSAI55に影響を与えるという仮説につながった。

最近、SAIは、手続き型運動制御プロセスを設定する感覚運動ループと、手続き型プロセスを明示的なトップダウン目標および認知制御プロセスに合わせる感覚運動ループとの間の相互作用を調査するために使用されています21,36,37,38。SAI31における中心的なコリン作動性の関与は、SAIが手続き的感覚運動制御および学習に対する実行的影響を指標化する可能性があることを示唆している。重要なことに、これらの研究は、異なるTMS電流方向を使用してSAIを評価することにより、特定の感覚運動回路に対する認知の固有の効果を特定し始めています。SAI研究は通常、後前(PA)誘導電流を採用していますが、前後(AP)誘導電流を採用しているSAI研究はほんの一握りです55。しかし、TMSを使用して、SAI評価中にPA電流と比較してAPを誘導することは、異なる感覚運動回路を動員する16、56。例えば、AP感受性であるがPA感受性ではない感覚運動回路は、小脳変調によって変化する37、56。さらに、AP感受性であるがPA感受性ではない感覚運動回路は、注意負荷36によって変調される。最後に、注意および小脳の影響は、同じAP感受性感覚運動回路に収束し、これらの回路における不適応変化をもたらす可能性がある37。

TMS技術の進歩は、シングルパルス、ペアパルス、および反復アプリケーションの間に使用されるTMS刺激の構成を操作するためのさらなる柔軟性を提供する57、58。制御可能なパルスパラメータTMS(cTMS)刺激器は現在、世界中で研究用に市販されており、これらはパルス幅および形状に対する柔軟な制御を提供する57。柔軟性の向上は、それぞれがTMS刺激の別々の位相を担当する2つの独立したコンデンサの放電時間を制御することから生じます。刺激の二相性または単相性の性質は、M比と呼ばれるパラメータである各コンデンサからの相対放電振幅によって支配されます。cTMSの研究では、パルス幅操作と異なる電流方向を組み合わせて、従来のTMS刺激装置で使用される固定パルス幅(70-82μs)59,60が、SAI56中に機能的に異なる感覚運動回路の組み合わせを動員する可能性が高いことを実証しました。したがって、cTMSは、感覚運動のパフォーマンスと学習におけるさまざまな収束感覚運動ループの機能的重要性をさらに解きほぐすためのエキサイティングなツールです。

この原稿は、感覚運動行動中の末梢電気刺激とcTMSを統合する感覚運動統合を研究するためのユニークなSAIアプローチを詳述しています。このアプローチは、進行中の感覚運動行動中の皮質脊髄出力を支配する運動皮質の選択された介在ニューロン集団に対する求心性投射の効果を評価することにより、典型的なSAIアプローチを改善します。比較的新しいものですが、cTMSは、典型的な集団と臨床集団における感覚運動統合を研究する上で明確な利点を提供します。さらに、現在のアプローチは、従来のTMS刺激装置での使用や、長期求心性促進(LAI)13 や短遅延求心性促進(SAF)15などの他の形態の求心性抑制および促進を定量化するために容易に適合させることができます。

Protocol

以下のプロトコールは、種々の実験に適用することができる。提供された情報は、SAIを使用して、有効または無効の合図プローブに対する指の反応中の感覚運動統合を定量化する実験の詳細を示しています。このプロトコルでは、SAIはタスクなしで評価され、次に合図された感覚運動タスク中に同時に評価され、次にタスクなしで再度評価されます。cTMS刺激装置は、市販の任意の従来のTMS刺…

Representative Results

図3 は、PA120-およびAP30-(下付き文字はパルス幅を示す)誘導電流を使用して、感覚運動タスク中にFDI筋に誘発された単一の参加者からの無条件および条件付きMEPの例を示しています。中央の列の棒グラフは、無条件試験と無条件試験の生の平均ピークtoピークMEP振幅を示しています。右側の棒グラフは、同じ参加者のPA120およびAP30誘発電流…

Discussion

ここで説明するSAI法は、感覚運動のパフォーマンスと学習に役割を果たす神経経路のサブセットを調査します。参加者が制御された感覚運動タスクを実行している間にSAIを評価することは、健康な集団と臨床集団の運動出力を形成するために運動皮質脊髄ニューロンに収束する多数の感覚運動ループの複雑な寄与を解きほぐすために重要です。例えば、同様の方法論は、手続き型運動制御プ?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者らは、自然科学工学研究評議会(NSERC)、カナダイノベーション財団(CFI)、およびS.K.M.に授与されたオンタリオ研究基金(ORF)からの資金提供を認めています。

Materials

Acquisition software (for EMG) AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA PL3504/P LabChart Pro version 8
Alcohol prep pads Medline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada 211-MM-05507 Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG) AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA FE234 Quad Bio Amp
Cotton round Cliganic, San Francisco, CA, USA ‎CL-BE-019-6PK Premium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coils Rogue Research, Montréal, QC, Canada COIL70F80301 70 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coils Rogue Research, Montréal, QC, Canada COIL70F80301-IC 70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulator Rogue Research, Montréal, QC, Canada CTMSMU0101 Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG) AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA PL3504 PowerLab 4/35
Digital to analog board National Instruments, Austin, TX, USA 782251-01 NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG) Covidien, Dublin, Ireland 31112496 Kendal 130 Foam Electrodes
Electrogel Electrodestore.com E9 Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
Nuprep Weaver and Company, Aurora, CO, USA 10-30 Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes) 
Peripheral electrical stimulator Digitimer, Hertfordshire, UK DS7R  DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrode Electrodestore.com DDA-30 Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering) National Instruments, Austin, TX, USA 784503-35 Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance system Rogue Research, Montréal, QC, Canada KITBSF0404 BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape 3M, Saint Paul, MN, USA 50707387794571 Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)
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Sensorimotor ControlMotor LearningSensory-motor IntegrationAfferent InhibitionTranscranial Magnetic StimulationControllable Pulse Parameter TMSMotor CortexMotor PerformanceSkill AcquisitionRehabilitationNeurological Disorders

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Citer Cet Article
Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, S. K. Combined Peripheral Nerve Stimulation and Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Sensorimotor Control and Learning. J. Vis. Exp. (194), e65212, doi:10.3791/65212 (2023).
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