评估目标导向到达行为期间的皮质脊髓兴奋性
Summary
伸手是允许人类与环境互动的基本技能。一些研究旨在使用各种方法表征到达行为。本文提供了经颅磁刺激的开源应用，以评估人类在达到任务执行期间的皮质脊髓兴奋状态。
Abstract
伸展是运动生理学和神经科学研究中广泛研究的行为。虽然已经使用各种行为操作检查了到达，但在理解到达计划、执行和控制所涉及的神经过程方面仍然存在重大差距。这里描述的新方法将二维到达任务与经颅磁刺激（TMS）和来自多个肌肉的同步肌电图（EMG）记录相结合。该方法允许在伸展运动展开期间的精确时间点无创检测皮质脊髓活动。示例任务代码包括一个延迟响应到达任务，其中两个可能的目标显示在偏离中线 45° ±。单脉冲TMS在大多数任务试验中提供，无论是在准备提示（基线）开始时还是在命令性提示（延迟）之前100毫秒。该样品设计适用于研究 REACH 制备过程中皮质脊髓兴奋性的变化。示例代码还包括视觉运动扰动（即光标旋转 ± 20°），以研究适应对 REACH 准备过程中皮质脊髓兴奋性的影响。可以调整任务参数和TMS交付，以解决有关到达行为期间运动系统状态的特定假设。在最初的实施中，83%的TMS试验成功诱发了运动诱发电位（MEP），并在所有试验中记录了到达轨迹。
Introduction
目标导向的到达是一种基本的运动行为，允许人类与外部环境互动并操纵外部环境。运动生理学、心理学和神经科学领域的研究产生了丰富而广泛的文献，其中包括各种方法论。早期的接触研究使用非人类灵长类动物的直接神经记录来研究单个神经元水平的神经活动1，2。最近的研究调查了使用行为范式来探索运动学习和控制的本质3，4，5。这种行为任务与功能性磁共振成像和脑电图相结合，可以测量人类到达时的全脑活动6，7。其他研究已应用在线TMS来调查到达准备和执行的各种特征8，9，10，11，12，13，14。然而，仍然需要一种开源和灵活的方法，将覆盖的行为评估与TMS相结合。虽然将TMS与行为协议相结合的效用已经非常成熟15，但在这里，我们专门研究了TMS在使用开源方法的背景下的应用。这是新颖的，因为使用这种方法组合发表文章的其他小组没有使他们的工具随时可用，因此禁止直接复制。这种开源方法促进了复制、数据共享和多中心研究的可能性。此外，如果其他人希望使用类似的工具追求新颖的研究问题，开源代码可以作为创新的发射台，因为它很容易适应。
TMS提供了一种在精确控制的时间点16探测电机系统的无创方法。当应用于初级运动皮层（M1）时，TMS可以在目标肌肉的肌电图中引起可测量的偏转。该电压波的振幅称为电机诱发电位（MEP），提供了皮质脊髓（CS）通路瞬时兴奋状态的指数 – 这是对CS通路17的所有兴奋性和抑制性影响的合成模拟。除了提供可靠的内在CS兴奋性受试者内测量外，TMS还可以与其他行为或运动学指标相结合，以时间精确的方式研究CS活动与行为之间的关系。许多研究已经利用TMS和肌电图（EMG）的组合来解决有关运动系统的各种问题，特别是因为这种方法的组合使得在各种行为条件下研究MEP成为可能15。事实证明，这特别有用的一个领域是动作准备的研究，最常见的是通过研究单关节运动18。然而，对自然主义多关节运动（如伸展）的TMS研究相对较少。
目前的目标是设计一种延迟反应到达任务，包括行为运动学，在线单脉冲TMS管理以及来自多个肌肉的同时肌电图记录。该任务包括一个二维点对点到达范式，使用水平方向的监视器进行在线视觉反馈，使得视觉反馈与到达轨迹相匹配（即，在真实反馈期间的 1：1 关系，视觉反馈和运动之间没有转换）。目前的设计还包括一组视觉运动扰动试验。在提供的示例中，这是光标反馈中的 20° 旋转偏移。以前的研究使用类似的到达范式来解决与感觉运动适应相关的机制和计算的问题19，20，21，22，23，24，25。此外，这种方法可以在在线运动学习期间的精确时间点评估运动系统的兴奋性动态。
由于接触已被证明是研究学习/适应的一种富有成效的行为，因此在这种行为的背景下评估CS兴奋性具有揭示这些行为所涉及的神经基质的巨大潜力。这些可能包括局部抑制影响，调谐特性的变化，神经事件的时间等，正如在非人类灵长类动物研究中已经建立的那样。然而，这些特征在人类和临床人群中更难量化。在人类没有明显运动的情况下，也可以使用TMS和EMG组合方法（即，在准备运动或休息时）研究神经动力学。
所提供的工具是开源的，代码很容易适应。这种新颖的范式将对伸展运动的准备、执行、终止和适应所涉及的机制产生重要的见解。此外，这种方法的组合有可能揭示电生理学与人类到达行为之间的关系。
Protocol
Representative Results
Discussion
上面概述的方法提供了一种在达到行为的背景下研究运动准备的新方法。尽管到达代表了运动控制和学习研究中的流行模型任务，但需要精确评估与到达行为相关的CS动力学。TMS提供了一种非侵入性的，时间精确的方法来捕获到达过程中离散时间点的CS活动。这里描述的方法结合了两个独立的子领域 – TMS和触及 – 涉及同时记录运动学和电生理指标的单一范式。
虽?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究的部分原因是奈特校园本科生学者计划和菲尔和佩妮奈特基金会的慷慨资助。
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 |
Riferimenti
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