Онлайн транскраниальной магнитной стимуляции протокол для измерения корковых физиологии, связанные с ингибированием ответ
Summary
Мы описываем экспериментальной процедуры для количественного определения возбудимости и ингибирование первичной моторной коры во время задачи торможение моторных ответов с помощью транскраниальной магнитной стимуляции на протяжении задачу остановить сигнал.
Abstract
Мы описываем разработку воспроизводимых, детскую мотор ответ ингибирование задачи подходит для онлайн транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) Характеристика возбудимости первичной моторной коры (M1) и ингибирование. Мотор реакции ингибирования предотвращает нежелательные действия и является ненормальным в нескольких Психоневрологическая условий. TMS является Неинвазивная технология, которая может подсчитать M1 возбудимости и ингибирование, используя протоколы, одно – и паре пульс и может быть четко приурочен, чтобы изучить корковых физиологии с высоким временным разрешением. Мы изменили первоначальную задачу сигнал остановки Слейтер-Хаммел (S-H) для создания «гоночного автомобиля» версии с TMS импульсов времени заблокированы внутри пробной события. Эта задача является самоподготовки, с каждой пробной инициирование после кнопки для перемещения гоночного автомобиля к цели 800 мс. ИДУТ испытания требуют палец лифтом остановить гоночного автомобиля непосредственно перед этой цели. Случайно вперемешку, стоп испытания (25%), во время которых динамически скорректированные стоп сигнал подсказки предметов для предотвращения палец Лифт. Для испытаний GO TMS импульсы были доставлены на 650 ms после начала судебного разбирательства; тогда, для остановки процессов, TMS импульсов происходит 150 мс после остановки сигнала. Тайминги TMS импульсов были определены на основе электроэнцефалографии (ЭЭГ) исследования, показывающие изменения, связанные с событиями в эти интервалы времени во время остановки сигнала задач. Эта задача была учился в 3 блоках на двух объектах исследования (n = 38) и мы записали поведенческих производительность и связанные с событиями Мотор evoked потенциалов (MEP). Регрессионного моделирования была использована для анализа MEP амплитудами помощью возраст как ковариаций с несколькими независимыми переменными (секс, изучение сайта, блок, TMS пульс состояние [одно-против паре пульс], пробная условие [GO, успешно остановить, не удалось остановить]). Анализ показал, что TMS пульс состояние (p < 0.0001) и его взаимодействие с пробной условие (p = 0,009) были значительными. Будущих приложений для этой онлайн S-H/TMS парадигмы включают добавление одновременного приобретения ЭЭГ для измерения TMS-вызвала ЭЭГ потенциалов. Потенциальным ограничением является, что у детей, звук пульса TMS может повлиять на производительность поведенческих задач.
Introduction
Ответ ингибирование является способность выборочно предотвратить те нежелательные действия, которые могут мешать запланированных функциональных целей. 1 cortico полосатой сети критически участвует в реакции зрачков, который постепенно становится более эффективным, как зрелые дети, но нарушениями в многочисленных Психоневрологическая условиях, такие, как расстройство дефицита внимания гиперактивности) ADHD), обучение расстройства, навязчивые расстройства и шизофрении. 2 , 3 ответ ингибирование мотор может быть рассмотрен с различных поведенческих парадигмы, такие как Go/ного (ГНГ) и остановить сигнал задач (SST). 1 , 4 поведенческих данных только не предоставляет информацию о потенциально модифицируемый, поддающееся количественной оценке биологических механизмов. Главной целью в настоящем исследовании было разработать ребенка дружественные метод для оценки физиологии моторной коры во время выполнения реакции зрачков, с тем чтобы разработать количественные биомаркеров мозга основе нейронных субстратов этой задачи. Такие биомаркеров может иметь широкое применение в прогнозных исследований прогноза или лечения нейроповеденческих расстройств.
Для этого следователи выбран и изменен Слейтер-Хаммел (S-H) задачи5. Это остановка сигнала задача, которая требует участников подавляют внутренне созданные запрограммированных действий. Это самостоятельное задача состоит из GO и остановки процессов. Перейти испытания инициируются предмет нажатия и поддержания давления на кнопке, с инструкцией как можно ближе к поднять палец на кнопку (т.е. идти действий), но до 800 мс целевой. В оригинальной парадигме указано время на часах с быстро вращающейся руки. ОСТАНОВИТЬ испытания случайно перемежаются среди GO испытаний, во время которых человек должен препятствовать заранее спланированных действий GO (т.е. предотвратить палец лифта). Стоп сигнал задача является более сложной, потому что предметы должны препятствовать ответ в контексте запрограммированных ПОЙДЕМ-сигнала, то GNG задачи, решение является ли инициировать или не инициировать действие без предварительного командами. 6 Кроме того, она может быть более точным для изучения реакции торможения с помощью стоп сигнал задач, потому что в задаче GNG последовательной корреляции между сигналом и ответы может привести к автоматическое торможение. 7 автоматическая ингибирование является теория, что последовательное сопоставление между сигналом и ответ (то есть сигнал идти всегда приводит в ответ GO и наоборот) приводит к автоматической обработки на протяжении эксперимента, таким образом, чтобы остановить испытания частично обработаны через памяти поиска и обходит некоторые исполнительные элементы управления. 8 , 9
Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) является Неинвазивная технология, которая может использоваться для измерения корковых физиологии. С помощью одно – и паре импульса стимуляции парадигмы, можно количественно корковой возбудимости и ингибирование. Хотя большинство опубликованных исследований TMS расследовать корковых физиологии в состоянии покоя, некоторые группы изучили корковой возбудимости/торможение при психической подготовки для действий10 и во время различных когнитивных государств, которые могут быть отражены в мотор Физиология мозга. 11 , 12 , 13 , 14 Этот функциональный подход TMS (fTMS) требует онлайн TMS измерения, в то время как участники выполняют поведенческих задач, таким образом позволяя зонд корковые изменения, которые являются состояние зависимой с высоким временным разрешением. Предоставление информации в реальном времени на нейрофизиологические изменения таким образом расширяет физиологического исследования управления электродвигателя15,16 и Психоневрологическая условия17,18, 19,20.
FTMS предварительного исследования изучили корковые механизмы реакции торможения в здоровых взрослых с использованием GNG14 и SST задачи15,16,21. Кроме того одно исследование показало, что разовая доза метилфенидат изменилась мотор корковых физиологии здоровых взрослых во время эксперимента fTMS/ГНГ. 22 на сегодняшний день существует две группы, которые опубликовали педиатрических fTMS исследования с помощью задачи GNG характеризовать корковых физиологии СДВГ23 и17синдром Туретта. Существует в настоящее время нет опубликованных fTMS исследование использования SST в педиатрической популяции.
Критическим вопросом в fTMS исследований, в гораздо большей степени, чем остальные только исследования, TMS, является артефактом мышц. Стандартизированные поверхностной электромиографии (ЭМГ) меры амплитудой и задержкой от Мотор evoked потенциалов (MEP) не должны быть загрязнены мышцы артефакт. Так например, для изучения корковые изменения в подготовке для движения в исследовании время реакции, TMS импульсов должен быть четко приурочен происходят после идти сигнал, но до времени реакции индивида. Таким образом в любой задаче, важно обеспечить что TMS импульсов происходят в то время, когда мотор ответ еще не началось, и что соответствующий участник является удобной и способны поддерживать соответствующие мышцы в покое. Это может быть чрезвычайно проблематичным с гиперкинетический детей которые естественно может иметь лишних движений и кто может держать их руку и руку, напряженной на протяжении всего времени реакции игры.
Целью настоящего исследования является разработка версии SST Слейтер-Хаммел, детской и подходящим для изучения физиологии первичной моторной коры (M1). Эта задача должна быть 1) легко понятным для детей, 2) относительно легко завершить для детей и 3) совместимы с онлайн TMS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол является роман детскую метод объединения стоп сигнал задачи и TMS для изучения связанных с событиями коркового торможения. Клинические наблюдения мотор ингибирующее дефицита и низкой производительности в стоп сигнал задач были продемонстрированы в многочисленных Психо?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование финансировалось Национальный институт психического здоровья (R01MH095014).
Materials
| Precision Gamepad | Logitech | G-UG15 | |
| Acquisition Interface Model ACQ-16 | Gould Instrument Systems Inc | ACQ-16 | |
| Micro1401-3 Data Acquisition Unit | Cambridge Electronic Design Ltd | Not applicable | |
| Signal version 6 software (Windows) | Cambridge Electronic Design Ltd | Not applicable | |
| Power base | Coulbourn Instruments | V15-17 | |
| Bioamplifier with filters | Coulbourn Instruments | V75-04 | |
| Conductor electrode cables (for surface EMG) | Coulbourn Instruments | V91-33 | |
| 2002 TMS device | The Magstim Company Ltd | Not applicable | |
| BiStim2 module | The Magstim Company Ltd | Not applicable | |
| 90mm circular TMS coil | The Magstim Company Ltd | Not applicable | |
| Presentation software (Windows) | Neurobehavioral Systems Inc | Not applicable | |
| Windows computer | Not applicable |
Riferimenti
- Mostofsky, S. H., Simmonds, D. J. Response inhibition and response selection: two sides of the same coin. J Cogn Neurosci. 20 (5), 751-761 (2008).
- Barkley, R. A. Response inhibition in attention-deficit hyperactivity disorder. Ment Retard Dev Disabil Res Rev. 5 (3), 177-184 (1999).
- Lipszyc, J., Schachar, R. Inhibitory control and psychopathology: a meta-analysis of studies using the stop signal task. J Int Neuropsychol Soc. 16 (6), 1064-1076 (2010).
- Verbruggen, F., Logan, G. D. Models of response inhibition in the stop-signal and stop-change paradigms. Neurosci Biobehav Rev. 33 (5), 647-661 (2009).
- Slater-Hammel, A. T. Reliability, accuracy, refractoriness of a transit reaction. Research Quarterly. 31 (2), 217-228 (1960).
- Johnstone, S. J., et al. The development of stop-signal and Go/Nogo response inhibition in children aged 7-12 years: performance and event-related potential indices. Int J Psychophysiol. 63 (1), 25-38 (2007).
- Verbruggen, F., Logan, G. D. Automatic and controlled response inhibition: associative learning in the go/no-go and stop-signal paradigms. J Exp Psychol Gen. 137 (4), 649-672 (2008).
- Logan, G. D. Toward an instance theory of automatization. Psychol Rev. 95 (4), 492-527 (1988).
- Schneider, W., Shiffrin, R. M. Controlled and Automatic Human Information Processing: I. Detection, Search, and Attention. Psychol Rev. 84 (1), 1-66 (1977).
- Chen, R., Yaseen, Z., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of corticospinal excitability in reaction time and self-paced movements. Ann Neurol. 44 (3), 317-325 (1998).
- Yamanaka, K., et al. Human cortical activities during Go/NoGo tasks with opposite motor control paradigms. Exp Brain Res. 142 (3), 301-307 (2002).
- Majid, D. S., Cai, W., George, J. S., Verbruggen, F., Aron, A. R. Transcranial magnetic stimulation reveals dissociable mechanisms for global versus selective corticomotor suppression underlying the stopping of action. Cereb Cortex. 22 (2), 363-371 (2012).
- Majid, D. S., Lewis, C., Aron, A. R. Training voluntary motor suppression with real-time feedback of motor evoked potentials. J Neurophysiol. 113 (9), 3446-3452 (2015).
- Fujiyama, H., Tandonnet, C., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability during a Go/NoGo task. Psychophysiology. 48 (10), 1448-1455 (2011).
- van den Wildenberg, W. P., et al. Mechanisms and dynamics of cortical motor inhibition in the stop-signal paradigm: a TMS study. J Cogn Neurosci. 22 (2), 225-239 (2010).
- Coxon, J. P., Stinear, C. M., Byblow, W. D. Intracortical inhibition during volitional inhibition of prepared action. J Neurophysiol. 95 (6), 3371-3383 (2006).
- Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. , (2013).
- Heise, K. F., et al. Altered modulation of intracortical excitability during movement preparation in Gilles de la Tourette syndrome. Brain. 133 (2), 580-590 (2010).
- Gilbert, D. L., Isaacs, K. M., Augusta, M., Macneil, L. K., Mostofsky, S. H. Motor cortex inhibition: a marker of ADHD behavior and motor development in children. Neurology. 76 (7), 615-621 (2011).
- Wu, S. W., Gilbert, D. L., Shahana, N., Huddleston, D. A., Mostofsky, S. H. Transcranial magnetic stimulation measures in attention-deficit/hyperactivity disorder. Pediatr Neurol. 47 (3), 177-185 (2012).
- Chiu, Y. C., Aron, A. R., Verbruggen, F. Response suppression by automatic retrieval of stimulus-stop association: evidence from transcranial magnetic stimulation. J Cogn Neurosci. 24 (9), 1908-1918 (2012).
- Kratz, O., et al. Effects of methylphenidate on motor system excitability in a response inhibition task. Behav Brain Funct. 5, 12 (2009).
- Hoegl, T., et al. Time course analysis of motor excitability in a response inhibition task according to the level of hyperactivity and impulsivity in children with ADHD. PLoS One. 7 (9), e46066 (2012).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clin Neurophysiol. 122 (8), 1686 (2011).
- Mills, K. R., Nithi, K. A. Corticomotor threshold to magnetic stimulation: normal values and repeatability. Muscle & Nerve. 20 (5), 570-576 (1997).
- Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability. Neuroscienze. 320, 205-209 (2016).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
- Orth, M., Snijders, A. H., Rothwell, J. C. The variability of intracortical inhibition and facilitation. Clin Neurophysiol. 114 (12), 2362-2369 (2003).
- Ziemann, U. TMS and drugs. Clin Neurophysiol. 115 (8), 1717-1729 (2004).
- Sommer, M., Classen, J., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of determination of movement direction in the reaction time task in humans. J Neurophysiol. 86 (3), 1195-1201 (2001).
- Leocani, L., Cohen, L. G., Wassermann, E. M., Ikoma, K., Hallett, M. Human corticospinal excitability evaluated with transcranial magnetic stimulation during different reaction time paradigms. Brain. 123 (Pt 6), 1161-1173 (2000).
- Garvey, M. A., et al. Cortical correlates of neuromotor development in healthy children. Clin Neurophysiol. 114 (9), 1662-1670 (2003).
- Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. 9 (1), 33-44 (2015).
- Wessel, J. R. Prepotent motor activity and inhibitory control demands in different variants of the go/no-go paradigm. Psychophysiology. , (2017).
- Garavan, H., Ross, T. J., Stein, E. A. Right hemispheric dominance of inhibitory control: an event-related functional MRI study. Proc Natl Acad Sci U S A. 96 (14), 8301-8306 (1999).
- Garry, M. I., Thomson, R. H. The effect of test TMS intensity on short-interval intracortical inhibition in different excitability states. Exp Brain Res. 193 (2), 267-274 (2009).
- Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. J Neurophysiol. 80 (6), 2870-2881 (1998).
- van der Kamp, W., Zwinderman, A. H., Ferrari, M. D., van Dijk, J. G. Cortical excitability and response variability of transcranial magnetic stimulation. J Clin Neurophysiol. 13 (2), 164-171 (1996).
- Williams, J., Pearce, A. J., Loporto, M., Morris, T., Holmes, P. S. The relationship between corticospinal excitability during motor imagery and motor imagery ability. Behav Brain Res. 226 (2), 369-375 (2012).
- Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
- Sanger, T. D., Garg, R. R., Chen, R. Interactions between two different inhibitory systems in the human motor cortex. J Physiol. 530 (Pt 2), 307-317 (2001).
- Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. Cerebellum. 15 (6), 680-687 (2016).
- Picazio, S., et al. Prefrontal control over motor cortex cycles at beta frequency during movement inhibition. Curr Biol. 24 (24), 2940-2945 (2014).
- Obeso, I., et al. Stimulation of the pre-SMA influences cerebral blood flow in frontal areas involved with inhibitory control of action. Brain Stimul. 6 (5), 769-776 (2013).
- Ficarella, S. C., Battelli, L. The critical role of the dorsal fronto-median cortex in voluntary action inhibition: A TMS study. Brain Stimul. 10 (3), 596-603 (2017).
- Cash, R. F., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology. 42 (2), 502-511 (2017).
