Vurdering av kortikospinal eksitabilitet under målstyrt nådeatferd

Summary

Å nå er en grunnleggende ferdighet som gjør at mennesker kan samhandle med miljøet. Flere studier har hatt som mål å karakterisere nående atferd ved hjelp av en rekke metoder. Dette papiret tilbyr en åpen kildekode-anvendelse av transkraniell magnetisk stimulering for å vurdere tilstanden til kortikospinal eksitabilitet hos mennesker under å nå oppgaveutførelse.

Abstract

Reaching er en mye studert oppførsel i motorfysiologi og nevrovitenskapsforskning. Mens nå har blitt undersøkt ved hjelp av en rekke atferdsmanipulasjoner, er det fortsatt betydelige hull i forståelsen av nevrale prosesser som er involvert i rekkeviddeplanlegging, utførelse og kontroll. Den nye tilnærmingen som er beskrevet her, kombinerer en todimensjonal nåoppgave med transkraniell magnetisk stimulering (TMS) og samtidig elektromyografi (EMG) opptak fra flere muskler. Denne metoden tillater ikke-invasiv påvisning av kortikospinal aktivitet på nøyaktige tidspunkter under utfoldelsen av å nå bevegelser. Eksempelaktivitetskoden inneholder et forsinket svar som når en oppgave, der to mulige mål vises ± 45° utenfor midtlinjen. Enkeltpuls TMS leveres på de fleste oppgaveforsøk, enten ved begynnelsen av det forberedende signalet (baseline) eller 100 ms før imperativsignalet (forsinkelse). Denne prøvedesignen er egnet for å undersøke endringer i kortikospinal eksitabilitet under tilberedning. Eksempelkoden inkluderer også en visuomotorisk forstyrrelse (dvs. markørrotasjon på ± 20 °) for å undersøke effekten av tilpasning på kortikospinal eksitabilitet under tilberedning. Oppgaveparametrene og TMS-levering kan justeres for å adressere spesifikke hypoteser om tilstanden til motorsystemet under nåatferd. I den første implementeringen ble motoriske fremkalte potensialer (MEPs) vellykket fremkalt på 83% av TMS-forsøkene, og rekkeviddebaner ble registrert på alle forsøkene.

Introduction

Målrettet rekkevidde er en grunnleggende motorisk oppførsel som gjør at mennesker kan samhandle med og manipulere det ytre miljøet. Studiet av å nå innen motorfysiologi, psykologi og nevrovitenskap har produsert rik og omfattende litteratur som inkluderer en rekke metoder. Tidlige studier av å nå brukte direkte nevrale opptak hos ikke-menneskelige primater for å undersøke nevral aktivitet på nivået av enkeltneuroner ^1,2. Nyere studier har undersøkt nådding ved hjelp av atferdsparadigmer som bruker sensorimotorisk tilpasning for å utforske naturen til motorisk læring og kontroll ^3,4,5. Slike atferdsoppgaver kombinert med funksjonell magnetisk resonansavbildning og elektroencefalografi kan måle hele hjerneaktiviteten under rekkevidde hos mennesker ^6,7. Andre studier har brukt online TMS for å undersøke ulike funksjoner ved rekkevidde forberedelse og utførelse 8,9,10,11,12,13,14. Imidlertid er det fortsatt behov for en åpen kildekode og fleksibel tilnærming som kombinerer atferdsvurderingen av å nå med TMS. Mens nytten av å kombinere TMS med atferdsprotokoller er veldig godt etablert¹⁵, undersøker vi her spesifikt anvendelsen av TMS i sammenheng med å nå ved hjelp av en åpen kildekode-tilnærming. Dette er nytt ved at andre grupper som har publisert ved hjelp av denne kombinasjonen av metoder, ikke har gjort verktøyene sine lett tilgjengelige, noe som forbyr direkte replikering. Denne åpen kildekode-tilnærmingen forenkler replikering, datadeling og muligheten for studier på flere steder. I tillegg, hvis andre ønsker å forfølge nye forskningsspørsmål med lignende verktøy, kan åpen kildekode fungere som en lanseringsplate for innovasjon, da den er lett tilpasningsdyktig.

TMS tilbyr en ikke-invasiv måte å undersøke motorsystemet på nøyaktig kontrollerte tidspunkter¹⁶. Når det påføres over den primære motoriske cortex (M1), kan TMS fremkalle en målbar avbøyning i elektromyogrammet til en målrettet muskel. Amplituden til denne spenningsbølgen, kjent som motorens fremkalte potensial (MEP), gir en indeks over den øyeblikkelige eksitabilitetstilstanden til den kortikospinale (CS) banen – en resulterende analog av alle eksitatoriske og hemmende påvirkninger på CS-banen¹⁷. I tillegg til å gi en pålitelig måling innen faget av iboende CS-spenning, kan TMS kombineres med andre atferdsmessige eller kinematiske beregninger for å undersøke forholdet mellom CS-aktivitet og atferd på en tidsmessig presis måte. Mange studier har brukt en kombinasjon av TMS og elektromyografi (EMG) for å løse en rekke spørsmål om motorsystemet, spesielt siden denne kombinasjonen av metoder gjør det mulig å undersøke MEPs under et stort utvalg av atferdsforhold¹⁵. Et område hvor dette har vist seg spesielt nyttig er i studiet av aksjonsforberedelse, oftest gjennom studiet av enkeltleddsbevegelser¹⁸. Imidlertid er det relativt færre TMS-studier av naturalistiske flerleddsbevegelser som å nå.

Det nåværende målet var å designe en forsinket respons som nådde oppgave som inkluderer atferdskinematikk, online enkeltpuls TMS-administrasjon og samtidig EMG-opptak fra flere muskler. Oppgaven inkluderer et todimensjonalt punkt-til-punkt-nående paradigme med online visuell tilbakemelding ved hjelp av en horisontalt orientert skjerm slik at visuell tilbakemelding samsvarer med rekkeviddebaner (dvs. et 1: 1-forhold under veridisk tilbakemelding og ingen transformasjon mellom visuell tilbakemelding og bevegelse). Den nåværende utformingen inkluderer også et sett med forsøk med en visuomotorisk forstyrrelse. I det angitte eksemplet er dette en 20° rotasjonsforskyvning i markørtilbakemeldingen. Tidligere studier har brukt et lignende nåparadigme for å ta opp spørsmål om mekanismer og beregninger knyttet til sensorimotorisk tilpasning 19,20,21,22,23,24,25. Videre gjør denne tilnærmingen det mulig å vurdere motorsystemets spenningsdynamikk på presise tidspunkter under online motorisk læring.

Fordi det å nå har vist seg å være en fruktbar atferd for å undersøke læring/tilpasning, har vurdering av datarelatert spenning i sammenheng med denne atferden et enormt potensial for å belyse de nevrale substratene som er involvert i denne atferden. Disse kan omfatte lokale hemmende påvirkninger, endringer i innstillingsegenskaper, tidspunktet for nevrale hendelser, etc., som er etablert i ikke-menneskelig primatforskning. Imidlertid har disse funksjonene vært vanskeligere å kvantifisere hos mennesker og kliniske populasjoner. Nevral dynamikk kan også undersøkes i fravær av åpen bevegelse hos mennesker ved hjelp av den kombinerte TMS- og EMG-tilnærmingen (dvs. under forberedelse av bevegelse eller i ro).

Verktøyene som presenteres er åpen kildekode, og koden er lett å tilpasse. Dette nye paradigmet vil gi viktig innsikt i mekanismene som er involvert i forberedelse, utførelse, avslutning og tilpasning av å nå bevegelser. Videre har denne kombinasjonen av metoder potensial til å avdekke sammenhenger mellom elektrofysiologi og å nå atferd hos mennesker.

Protocol

Alle metodene som er beskrevet her, ble utført i samsvar med IRB-protokoll og godkjenning (University of Oregon IRB-protokollnummer 10182017.017). Det ble innhentet informert samtykke fra alle forsøkspersonene. 1. Å nå apparat Plasser et stort grafikkbrett flatt på en stasjonær PC. Bruk en justerbar 80-20 aluminiumsramme for å plassere oppgavemonitoren 6-8 over nettbrettet parallelt, med skjermen vendt oppover (for en blåkopi, sjekk her: https://git…

Representative Results

Vellykket utførelse av de beskrevne metodene inkluderer registrering av nettbrettdata, EMG-spor og pålitelig fremkalling av MEP-er. Et eksperiment ble gjennomført som inkluderte 270 testforsøk med TMS levert på 4/5 av forsøkene (216 studier). Data ble samlet inn fra 16 deltakere (åtte kvinner, åtte menn) i alderen 25 ± 10 år, som alle selvrapporterte som høyrehendte. Vi vurderte effektiviteten av den visuelle forstyrrelsen på atferdsmessig ytelse ved å utlede en læringsfunksjon f…

Discussion

Metodene som er skissert ovenfor gir en ny tilnærming til å studere motorforberedelse i sammenheng med å nå atferd. Selv om rekkevidde representerer en populær modelloppgave i studiet av motorisk styring og læring, er det behov for nøyaktig evaluering av CS-dynamikken knyttet til å nå atferd. TMS tilbyr en ikke-invasiv, tidsmessig presis metode for å fange CS-aktivitet på diskrete tidspunkter under rekkevidde. Tilnærmingen beskrevet her kombinerer to uavhengige underfelt- TMS og nå inn i et …

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