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신경과학

संयुक्त परिधीय तंत्रिका उत्तेजना और नियंत्रणीय पल्स पैरामीटर ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना सेंसरिमोटर नियंत्रण और सीखने की जांच के लिए

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

Summary

शॉर्ट-लेटेंसी अभिवाही अवरोध (एसएआई) सेंसरिमोटर एकीकरण की जांच के लिए एक ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना प्रोटोकॉल है। यह लेख बताता है कि सेंसरिमोटर व्यवहार के दौरान मोटर कॉर्टेक्स में अभिसरण सेंसरिमोटर लूप का अध्ययन करने के लिए एसएआई का उपयोग कैसे किया जा सकता है।

Abstract

कुशल मोटर क्षमता उचित मोटर कमांड में संवेदी एफेरेंस को कुशलतापूर्वक एकीकृत करने पर निर्भर करती है। अभिवाही निषेध कुशल मोटर क्रियाओं के दौरान सेंसरिमोटर एकीकरण पर प्रक्रियात्मक और घोषणात्मक प्रभाव की जांच करने के लिए एक मूल्यवान उपकरण प्रदान करता है। यह पांडुलिपि सेंसरिमोटर एकीकरण को समझने के लिए लघु-विलंबता अभिवाही निषेध (एसएआई) की कार्यप्रणाली और योगदान का वर्णन करती है। एसएआई ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना (टीएमएस) द्वारा उत्पन्न कॉर्टिकोस्पाइनल मोटर आउटपुट पर एक अभिसरण अभिवाही वॉली के प्रभाव को निर्धारित करता है। अभिवाही वॉली को परिधीय तंत्रिका की विद्युत उत्तेजना द्वारा ट्रिगर किया जाता है। टीएमएस उत्तेजना को प्राथमिक मोटर कॉर्टेक्स पर एक स्थान पर पहुंचाया जाता है जो उस अभिवाही तंत्रिका द्वारा सेवा की गई मांसपेशियों में एक विश्वसनीय मोटर-उत्पन्न प्रतिक्रिया प्राप्त करता है। मोटर-इवोकेटेड प्रतिक्रिया में अवरोध की सीमा मोटर कॉर्टेक्स पर अभिवाही वॉली के अभिसरण के परिमाण को दर्शाती है और इसमें केंद्रीय जीबीएर्जिक और कोलीनर्जिक योगदान शामिल हैं। एसएआई में कोलीनर्जिक भागीदारी एसएआई को सेंसरिमोटर प्रदर्शन और सीखने में घोषणात्मक-प्रक्रियात्मक बातचीत का एक संभावित मार्कर बनाती है। हाल ही में, अध्ययनों ने कुशल मोटर क्रियाओं के लिए प्राथमिक मोटर कॉर्टेक्स में अलग-अलग सेंसरिमोटर सर्किट के कार्यात्मक महत्व को अलग करने के लिए एसएआई में टीएमएस वर्तमान दिशा में हेरफेर करना शुरू कर दिया है। अत्याधुनिक नियंत्रणीय पल्स पैरामीटर टीएमएस (सीटीएमएस) के साथ अतिरिक्त पल्स पैरामीटर (जैसे, पल्स चौड़ाई) को नियंत्रित करने की क्षमता ने टीएमएस उत्तेजना द्वारा जांच किए गए सेंसरिमोटर सर्किट की चयनात्मकता को बढ़ाया है और सेंसरिमोटर नियंत्रण और सीखने के अधिक परिष्कृत मॉडल बनाने का अवसर प्रदान किया है। इसलिए, वर्तमान पांडुलिपि सीटीएमएस का उपयोग करके एसएआई मूल्यांकन पर केंद्रित है। हालांकि, यहां उल्लिखित सिद्धांत पारंपरिक निश्चित पल्स चौड़ाई टीएमएस उत्तेजक पदार्थों और अभिवाही अवरोध के अन्य रूपों, जैसे लंबी-विलंबता अभिवाही निषेध (एलएआई) का उपयोग करके मूल्यांकन किए गए एसएआई पर भी लागू होते हैं।

Introduction

स्पाइनल मोटर न्यूरॉन्स और इंटरन्यूरॉन1 के पिरामिड पथ के अनुमानों को आकार देने के लिए कई सेंसरिमोटर लूप मोटर कॉर्टेक्स में अभिसरण करते हैं। हालांकि, ये सेंसरिमोटर लूप कॉर्टिकोस्पाइनल अनुमानों और मोटर व्यवहार को आकार देने के लिए कैसे बातचीत करते हैं, यह एक खुला सवाल बना हुआ है। शॉर्ट-लेटेंसी अभिवाही निषेध (एसएआई) मोटर कॉर्टेक्स आउटपुट में अभिसरण सेंसरिमोटर लूप के कार्यात्मक गुणों की जांच करने के लिए एक उपकरण प्रदान करता है। एसएआई मोटर कॉर्टिकल ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना (टीएमएस) को संबंधित परिधीय अभिवाही तंत्रिका की विद्युत उत्तेजना के साथ जोड़ता है।

टीएमएस मानव मस्तिष्क 2,3 में पिरामिड मोटर न्यूरॉन्स ट्रांस-सिनैप्टिक रूप से सुरक्षित रूप से उत्तेजित करने के लिए एक गैर-इनवेसिव विधि है। टीएमएस में खोपड़ी पर रखे गए एक कुंडलित तार के माध्यम से एक बड़ा, क्षणिक विद्युत प्रवाह पारित करना शामिल है। विद्युत प्रवाह की क्षणिक प्रकृति एक तेजी से बदलते चुंबकीय क्षेत्र का निर्माण करती हैजो मस्तिष्क में एक विद्युत प्रवाह को प्रेरित करती है। एकल टीएमएस उत्तेजना के मामले में, प्रेरित प्रवाह पिरामिड मोटर न्यूरॉन्स 5-7 के लिए उत्तेजक इनपुट की एक श्रृंखला को सक्रिय करता है। यदि उत्पन्न उत्तेजक इनपुट की ताकत पर्याप्त है, तो अवरोही गतिविधि एक विपरीत मांसपेशियों की प्रतिक्रिया प्राप्त करती है जिसे मोटर-इवोकेटेड पोटेंशियल (एमईपी) के रूप में जाना जाता है। एमईपी की विलंबता कॉर्टिकोमोटर चालन समय8 को दर्शाती है। एमईपी का आयाम कॉर्टिकोस्पाइनल न्यूरॉन्स की उत्तेजना को दर्शाताहै। एमईपी को प्राप्त करने वाले एकल टीएमएस उत्तेजना को कंडीशनिंग उत्तेजना10,11,12 से भी पहले किया जा सकता है। इन युग्मित-पल्स प्रतिमानों का उपयोग कॉर्टिकोस्पाइनल आउटपुट पर विभिन्न इंटरन्यूरॉन पूल के प्रभावों को अनुक्रमित करने के लिए किया जा सकता है। एसएआई के मामले में, परिधीय विद्युत कंडीशनिंग उत्तेजना का उपयोग मोटर कॉर्टिकल उत्तेजना 11,13,14,15 पर अभिवाही वॉली के प्रभाव की जांच करने के लिए किया जाता है। टीएमएस उत्तेजना और परिधीय विद्युत उत्तेजना का सापेक्ष समय मोटर कॉर्टेक्स पर टीएमएस उत्तेजना की कार्रवाई को मोटर कॉर्टेक्स में अभिवाही अनुमानों के आगमन के साथ संरेखित करता है। डिस्टल ऊपरी अंग की मांसपेशियों में एसएआई के लिए, औसत तंत्रिका उत्तेजना आमतौर पर टीएमएस उत्तेजना से पहले 18-24 एमएस11,13,15,16 होती है। इसी समय, एसएआई बढ़ता है क्योंकि परिधीय उत्तेजना द्वारा प्रेरित अभिवाही वॉली की ताकत 13,17,18 बढ़ जाती है।

मोटर कॉर्टेक्स के अभिवाही प्रक्षेपण के बाहरी गुणों के साथ इसके मजबूत संबंध के बावजूद, एसएआई कई मोटर नियंत्रण प्रक्रियाओं में फंसा हुआ एक निंदनीय घटना है। उदाहरण के लिए, एसएआई को आसन्न आंदोलन 19,20,21 से पहले कार्य-प्रासंगिक मांसपेशियों में कम कर दिया जाता है, लेकिन आसन्न कार्य-अप्रासंगिक मोटर प्रतिनिधित्व 19,20,22 में बनाए रखा जाता है। कार्य प्रासंगिकता के प्रति संवेदनशीलता को एक सराउंड निषेध तंत्र23 को प्रतिबिंबित करने के लिए परिकल्पित किया गया है जिसका उद्देश्य अवांछित प्रभावक भर्ती को कम करना है। हाल ही में, यह प्रस्तावित किया गया था कि कार्य-प्रासंगिक प्रभावक में एसएआई में कमी एक आंदोलन-संबंधी गेटिंग घटना को प्रतिबिंबित कर सकती है जिसे अपेक्षित संवेदी उत्तेजना को दबाने और सेंसरिमोटर योजनाऔर निष्पादन 24 के दौरान सुधार की सुविधा के लिए डिज़ाइन किया गया है। विशिष्ट कार्यात्मक भूमिका के बावजूद, एसएआई मैनुअल निपुणता औरप्रसंस्करण दक्षता में कमी के साथ सहसंबद्ध है। परिवर्तित एसएआई 26 वर्ष के वयस्कों में गिरने के बढ़ते जोखिम से भी जुड़ा हुआ है और पार्किंसंस रोग 26,27,28 और फोकल हैंड डिस्टोनिया 29 वाले व्यक्तियों में सेंसरिमोटर फ़ंक्शन से समझौता किया गया है।

नैदानिक और औषधीय साक्ष्य इंगित करते हैं कि एसएआई की मध्यस्थता करने वाले निरोधात्मक मार्ग केंद्रीय कोलीनर्जिक मॉड्यूलेशन30 के प्रति संवेदनशील हैं। उदाहरण के लिए, मस्केरिनिक एसिटाइलकोलाइन रिसेप्टर विरोधी स्कोपोलामाइन को प्रशासित करने से एसएआई31 कम हो जाता है। इसके विपरीत, एसिटाइलकोलिनेस्टरेज़ इनहिबिटर के माध्यम से एसिटाइलकोलाइन के आधे जीवन को बढ़ाने से एसएआई32,33 बढ़ जाता है। औषधीय साक्ष्य के अनुरूप, एसएआई केंद्रीय कोलीनर्जिक भागीदारी के साथ कई संज्ञानात्मक प्रक्रियाओं के प्रति संवेदनशील है, जिसमें उत्तेजना34, इनाम 35, ध्यान का आवंटन 21,36,37 और स्मृति38,39,40 शामिल हैं। एसएआई को कोलीनर्जिक न्यूरॉन्स के नुकसान से जुड़े संज्ञानात्मक घाटे के साथ नैदानिक आबादी में भी बदल दिया जाता है, जैसे अल्जाइमर रोग 41,42,43,44,45,46,47, पार्किंसंस रोग (हल्के संज्ञानात्मक हानि के साथ) 48,49,50, और हल्के संज्ञानात्मक हानि 47,51,52. विभिन्न बेंजोडायजेपाइन द्वारा विभिन्न γ-एमिनोब्यूट्रिक एसिड टाइप ए (जीएबीएए) रिसेप्टर सबयूनिट प्रकारों के लिए अंतर समानताओं के साथ एसएआई के अंतर मॉड्यूलेशन से पता चलता है कि एसएआई निरोधात्मक मार्ग युग्मित-पल्स निषेध30 के अन्य रूपों की मध्यस्थता करने वाले मार्गों से अलग हैं। उदाहरण के लिए, लोराज़ेपम एसएआई को कम करता है लेकिन लघु-अंतराल कॉर्टिकल निषेध (एसआईसीआई) 53 को बढ़ाता है। ज़ोलपिडेम एसएआई को कम करता है लेकिन एसआईसीआई53 पर बहुत कम प्रभाव डालता है। डायजेपाम एसआईसीआई को बढ़ाता है लेकिन एसएआई53 पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। जीएबीएए रिसेप्टर फ़ंक्शन के इन सकारात्मक एलोस्टेरिक मॉड्यूलेटर द्वारा एसएआई में कमी, इस अवलोकन के साथ कि जीएबीए मस्तिष्क स्टेम और कॉर्टेक्स54 में एसिटाइलकोलाइन की रिहाई को नियंत्रित करता है, ने इस परिकल्पना को जन्म दिया है कि जीएबीए कोलीनर्जिक मार्ग को नियंत्रित करता है जो एसएआई55 को प्रभावित करने के लिए सेंसरिमोटर कॉर्टेक्स को प्रोजेक्ट करता है।

हाल ही में, एसएआई का उपयोग सेंसरिमोटर लूप के बीच बातचीत की जांच करने के लिए किया गया है जो प्रक्रियात्मक मोटर नियंत्रण प्रक्रियाओं को निर्धारित करते हैं और जो प्रक्रियात्मक प्रक्रियाओं को स्पष्ट टॉप-डाउन लक्ष्यों और संज्ञानात्मक नियंत्रण प्रक्रियाओं 21,36,37,38 के लिए संरेखित करते हैं। एसएआई31 में केंद्रीय कोलीनर्जिक भागीदारी से पता चलता है कि एसएआई प्रक्रियात्मक सेंसरिमोटर नियंत्रण और सीखने पर एक कार्यकारी प्रभाव को इंडेक्स कर सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, इन अध्ययनों ने विभिन्न टीएमएस वर्तमान दिशाओं का उपयोग करके एसएआई का आकलन करके विशिष्ट सेंसरिमोटर सर्किट पर अनुभूति के अद्वितीय प्रभावों की पहचान करना शुरू कर दिया है। साई अध्ययन आम तौर पर पश्च-पूर्ववर्ती (पीए) प्रेरित धारा का उपयोग करते हैं, जबकि केवल कुछ मुट्ठी भर एसएआई अध्ययनों ने पूर्वकाल-पश्चवर्ती (एपी) प्रेरित वर्तमान55 को नियोजित किया है। हालांकि, एसएआई मूल्यांकन के दौरान पीए करंट की तुलना में एपी को प्रेरित करने के लिए टीएमएस का उपयोग करने से अलग-अलग सेंसरिमोटर सर्किट16,56 की भर्ती होती है। उदाहरण के लिए, एपी-संवेदनशील, लेकिन पीए-संवेदनशील नहीं, सेंसरिमोटर सर्किट अनुमस्तिष्क मॉड्यूलेशन37,56 द्वारा बदल दिए जाते हैं। इसके अलावा, एपी-संवेदनशील, लेकिन पीए-संवेदनशील नहीं, सेंसरिमोटर सर्किट को ध्यान भार36 द्वारा नियंत्रित किया जाता है। अंत में, ध्यान और अनुमस्तिष्क प्रभाव एक ही एपी-संवेदनशील सेंसरिमोटर सर्किट पर अभिसरण कर सकते हैं, जिससे इनसर्किटों में दुर्भावनापूर्ण परिवर्तन हो सकते हैं।

टीएमएस प्रौद्योगिकी में प्रगति एकल-पल्स, युग्मित-पल्स और दोहराववाले अनुप्रयोगों के दौरान नियोजित टीएमएस उत्तेजना के विन्यास में हेरफेर करने के लिए अतिरिक्त लचीलापन प्रदान करती है। नियंत्रणीय पल्स पैरामीटर टीएमएस (सीटीएमएस) उत्तेजक अब दुनिया भर में अनुसंधान उपयोग के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं, और ये पल्स चौड़ाई और आकार57 पर लचीला नियंत्रण प्रदान करते हैं। बढ़ा हुआ लचीलापन दो स्वतंत्र कैपेसिटर की निर्वहन अवधि को नियंत्रित करने से उत्पन्न होता है, प्रत्येक टीएमएस उत्तेजना के एक अलग चरण के लिए जिम्मेदार होता है। उत्तेजना की द्विध्रुवीय या मोनोफैसिक प्रकृति प्रत्येक कैपेसिटर से सापेक्ष निर्वहन आयाम द्वारा नियंत्रित होती है, एक पैरामीटर जिसे एम-अनुपात कहा जाता है। सीटीएमएस अध्ययनों ने विभिन्न वर्तमान दिशाओं के साथ पल्स चौड़ाई हेरफेर को यह प्रदर्शित करने के लिए जोड़ा है कि पारंपरिक टीएमएस उत्तेजक (70-82 μs) 59,60 द्वारा उपयोग की जाने वाली निश्चित पल्स चौड़ाई संभवतः SAI 56 के दौरान कार्यात्मक रूप से अलग सेंसरिमोटर सर्किट के मिश्रण की भर्ती करती है। इसलिए, सीटीएमएस सेंसरिमोटर प्रदर्शन और सीखने में विभिन्न अभिसरण सेंसरिमोटर लूप के कार्यात्मक महत्व को अलग करने के लिए एक रोमांचक उपकरण है।

यह पांडुलिपि सेंसरिमोटर एकीकरण का अध्ययन करने के लिए एक अद्वितीय एसएआई दृष्टिकोण का विवरण देती है जो सेंसरिमोटर व्यवहार के दौरान सीटीएमएस के साथ परिधीय विद्युत उत्तेजना को एकीकृत करती है। यह दृष्टिकोण मोटर कॉर्टेक्स में चुनिंदा इंटरन्यूरॉन आबादी पर अभिवाही अनुमानों के प्रभाव का आकलन करके विशिष्ट एसएआई दृष्टिकोण में सुधार करता है जो चल रहे सेंसरिमोटर व्यवहार के दौरान कॉर्टिकोस्पाइनल आउटपुट को नियंत्रित करता है। हालांकि अपेक्षाकृत नया, सीटीएमएस विशिष्ट और नैदानिक आबादी में सेंसरिमोटर एकीकरण का अध्ययन करने में एक अलग लाभ प्रदान करता है। इसके अलावा, वर्तमान दृष्टिकोण को पारंपरिक टीएमएस उत्तेजक पदार्थों के साथ उपयोग के लिए और अभिवाही अवरोध और सुविधा के अन्य रूपों को निर्धारित करने के लिए आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है, जैसे कि लंबी-विलंबता अभिवाही निषेध (एलएआई) 13 या लघु-विलंबता अभिवाही सुविधा (एसएएफ)15।

Protocol

निम्नलिखित प्रोटोकॉल विभिन्न प्रयोगों के लिए लागू किया जा सकता है। दी गई जानकारी में एक प्रयोग का विवरण दिया गया है जिसमें साई का उपयोग वैध या अमान्य रूप से क्यूरेटेड जांच के लिए उंगली की प्रतिक्रिया ?…

Representative Results

चित्रा 3 पीए120- और एपी30- (सबस्क्रिप्ट पल्स चौड़ाई को दर्शाता है) प्रेरित प्रवाह का उपयोग करके सेंसरिमोटर कार्य के दौरान एफडीआई मांसपेशी में प्राप्त एकल प्रतिभागी से वातानुकूलित और वा…

Discussion

यहां वर्णित एसएआई विधि तंत्रिका मार्गों के एक उप-समूह की जांच करती है जो सेंसरिमोटर प्रदर्शन और सीखने में भूमिका निभाती है। प्रतिभागियों द्वारा नियंत्रित सेंसरिमोटर कार्यों को करने के दौरान एसएआई क?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

लेखक प्राकृतिक विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान परिषद (एनएसईआरसी), कनाडा फाउंडेशन फॉर इनोवेशन (सीएफआई), और ओंटारियो रिसर्च फंड (ओआरएफ) से वित्त पोषण स्वीकार करते हैं।

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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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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