反応抑制に関連する皮質の生理学を測定するためのオンラインの経頭蓋磁気刺激プロトコル
Summary
停止信号課題のコース全体で経頭蓋磁気刺激による興奮性と運動反応抑制タスク中に一次運動皮質の抑制を定量化する実験について述べる.
Abstract
一次運動野 (M1) 興奮性と抑制のオンラインの経頭蓋磁気刺激 (TMS) 特性に適した再生可能で、子供向けの運動反応抑制タスクの開発について述べる.モーター応答抑制は不要な操作を防ぐことができます、いくつかの神経の条件で異常。TMS は、M1 の興奮と抑制のシングルとペア パルス プロトコルを使用して定量化することができます、高時間分解能の皮質の生理学を勉強する正確にタイムアウトすることができます非侵襲的な技術です。TMS パルス内試験に時間ロック イベント「レースカー」バージョンを作成するオリジナル ・ スレーター-ハンメル (S H) 停止信号課題を変更しました。この仕事は自分のペースで、800 ms 目標に向かってレースカーを移動するボタン プッシュ後の各トライアル開始すると。試験直前にこのターゲットのレースカーを停止する指上げが必要に行きます。停止試験 (25%) 中に動的に調整停止信号要求科目指リフトを防ぐためには、ランダムに散在しています。行く試験では、TMS パルスがトライアル発症; 後は 650 ms に届けられました。一方、停止試験は、TMS パルス停止信号後 150 ms が発生しました。TMS パルスのタイミングは、停止信号タスク中にこれらの時間の範囲のイベント関連の変更を示す脳波 (EEG) の研究に基づいて決定されました。このタスクは 2 つの研究サイトで 3 ブロックで調べた (n = 38) 我々 は行動のパフォーマンスとイベント関連運動誘発電位 (MEP) を記録しました。複数の独立変数を共変量として年齢を使用して MEP 振幅の分析に使用された回帰モデル (セックス、研究サイト、ブロック、TMS パルス [シングル-ペア パルス対]、試験条件 [移動、停止の成功、エラー停止] 状態)。分析は、TMS パルス条件であることを示した (p < 0.0001) との相互作用試験条件 (p = 0.009) 有意であった。このオンラインの S ・ H/TMS パラダイムのための将来のアプリケーションには、TMS 誘発脳波の電位を測定する脳波同時添加が含まれます。潜在的な制限は、小児では、TMS パルス音行動のタスクのパフォーマンスに影響することです。
Introduction
反応抑制は、選択的に目的の機能目標を妨げることができますこれらの不要な操作を禁止する機能です。1皮質線条体ネットワークは批判的に反応抑制、徐々 に子供たちの成熟として効率的になりますが、注意欠陥多動性障害 (のように多数の神経精神症状の障害に関与します。ADHD)、学習障害、強迫性障害や統合失調症。2,3モーター応答抑制は Go/nogo (こちら) と信号の停止タスク (SST) などの異なる行動パラダイムで調べることができます。1,4行動データだけでは、潜在的に変更、定量化可能な生物学的メカニズムについては行いません。本研究の大きな目標は、反応抑制の実行中にこのタスクの神経基盤の脳に基づく定量的なバイオ マーカーを開発するために大脳皮質運動野の生理学を評価する子優しい手法を開発することでした。このようなバイオ マーカーは、予後の予測の研究や神経障害の治療に幅広いアプリケーション可能性があります。
この目的のため調査官は選択し、スレーター-ハンメル (S H) タスク5を変更します。これは、内部的に生成された事前にプログラムされた行動を阻害する参加者を必要とする停止信号課題です。自分のペースでこのタスクは移動と停止試験から成っています。行く試験、押しボタンに近い (すなわち行くアクション) ボタンを指を解除する命令が 800 ms ターゲットの前に圧力を維持する主題によって開始されます。元パラダイムで時間は急速に回転の手で時計に表示されます。停止試験、中に人は事前に計画された移動作用を阻害する必要があります行く試験の間でランダムに散在している (すなわち指リフトを防ぐため)。こちらの作業、決定は開始または事前コマンドがないアクションを開始するかどうかに対しサブジェクトはプリプログラム GO 信号のコンテキストで応答を抑制するため、停止信号課題は難しくなります。6さらに、それより正確かもしれません自動抑制 GNG タスクで一貫した相関信号と応答ことがありますので、停止信号のタスクを使用して、反応抑制を調査します。7自動抑制は一貫して信号と応答間のマッピング理論 (すなわち GO 信号常に結果、移動の応答)、自動処理実験のコース全体で停止試験されるようにつながる部分的に記憶の検索を介して処理されます、特定のエグゼクティブの制御をバイパスします。8,9
経頭蓋磁気刺激 (TMS) は、皮質の生理学を測定するために使用できる非侵襲的な技術です。シングルとペアにパルス刺激パラダイムを使用して、1 つは皮質興奮性と抑制を定量化できます。アクション10の精神的な準備中およびモーターに反映される可能性があります別の認知状態にいくつかのグループが皮質興奮性/抑制を検討しているが、最も公表された TMS 研究は、安静時の皮質の生理学を調査皮質の生理学。11,12,13,14このファンクショナル ・ TMS (fTMS) アプローチが必要オンライン TMS 測定参加者が行動のタスクを実行している間、変更をようにプローブを 1 つ皮質は状態に依存した高時間分解能。モータ制御15,16の神経条件17,18、生理学的調査を広げるように神経生理学的変化に関するリアルタイムの情報を提供します。 19,20。
事前 fTMS 研究はこちら14と SST タスク15,16,21を使用して健常成人における反応抑制の大脳皮質メカニズムを探検しました。さらに、1 つの調査は示した fTMS/GNG 実験中にメチルフェニ デートの単回投与が健康な成人の運動皮質の生理学を変更します。22日には、ADHD23とトゥレット症候群17の皮質の生理学を特徴付ける GNG タスクを用いた小児 fTMS 研究を公開している 2 つのグループがあります。現在、小児集団における SST を活用した公開 fTMS 研究はないです。
残りの部分だけで TMS 研究よりもはるかに大きい程度に、fTMS の研究における重要な課題は、筋肉アーティファクトです。運動誘発電位 (MEP) から潜時や振幅の標準化された表面筋電図 (EMG) 対策は筋肉の人工物によって汚染されていないする必要があります。だから、たとえば、反応時間の研究で運動のための準備の皮質の変化を勉強する TMS パルス タイムアウトする必要が正確に行く信号後個々 の反応時間の前に発生すること。したがって、タスクでときモーターの応答はまだ始まっていない、時に TMS パルスが発生していることと、参加者が快適で残りの部分に関連する筋肉を維持することができることを確保するため重要です。これは非常に余分な動きが自然と腕と手の反応時間を通して緊張をゲーム保つこと人多動児問題となります。
本研究の目的は、子供向けと一次運動野 (M1) 生理学の勉強に適しては、スレーター ・ ハメル SST のバージョンを開発することです。このタスクは、子供、小児の 3) 対応オンライン TMS を完了する 2) 比較的簡単のため 1) を簡単に理解できるはずです。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、停止信号課題とイベント関連皮質内抑制を検討する TMS を組み合わせた子供向けの手法です。運動の抑制障害や停止信号タスクのパフォーマンスが低下の臨床的観察は、数多くの神経の条件で実証されています。3皮質興奮性と応答抑制タスク中に抑制を検討するのにオンライン fTMS は、比較的少数の研究者が使用しています。いくつかのグループは、子?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究によって、国立衛生研究所の精神 (R01MH095014) 資金を供給されました。
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 |
Referências
- 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. Neurociência. 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).
