Beurteilung der kortikospinalen Erregbarkeit während des zielgerichteten Reichweitenverhaltens
Summary
Erreichen ist eine grundlegende Fähigkeit, die es dem Menschen ermöglicht, mit der Umwelt zu interagieren. Mehrere Studien haben darauf abgezielt, das Erreichen des Verhaltens mit einer Vielzahl von Methoden zu charakterisieren. Dieser Artikel bietet eine Open-Source-Anwendung der transkraniellen Magnetstimulation zur Beurteilung des Zustands der kortikospinalen Erregbarkeit beim Menschen während des Erreichens der Aufgabenleistung.
Abstract
Reaching ist ein weit verbreitetes Verhalten in der motorischen Physiologie und neurowissenschaftlichen Forschung. Während das Erreichen mit einer Vielzahl von Verhaltensmanipulationen untersucht wurde, gibt es nach wie vor erhebliche Lücken im Verständnis der neuronalen Prozesse, die an der Planung, Ausführung und Kontrolle der Reichweite beteiligt sind. Der hier beschriebene neuartige Ansatz kombiniert eine zweidimensionale Reichweitenaufgabe mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) und gleichzeitiger Elektromyographie-Aufzeichnung (EMG) von mehreren Muskeln. Diese Methode ermöglicht die nichtinvasive Detektion der kortikospinalen Aktivität zu präzisen Zeitpunkten während der Entfaltung von Reichweitenbewegungen. Der Beispiel-Task-Code enthält eine verzögerte Response-Reach-Aufgabe mit zwei möglichen Zielen, die ± 45° von der Mittellinie entfernt angezeigt werden. Einzelpuls-TMS wird bei den meisten Aufgabenversuchen abgegeben, entweder zu Beginn des vorbereitenden Cues (Baseline) oder 100 ms vor dem imperativen Cue (Verzögerung). Dieses Probendesign eignet sich zur Untersuchung von Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit während der Reach-Präparation. Der Beispielcode enthält auch eine visuomotorische Störung (d.h. eine Cursordrehung von ± 20°), um die Auswirkungen der Anpassung auf die kortikospinale Erregbarkeit während der Reach-Vorbereitung zu untersuchen. Die Aufgabenparameter und die TMS-Abgabe können angepasst werden, um spezifische Hypothesen über den Zustand des motorischen Systems während des Reichweitenverhaltens zu berücksichtigen. In der ersten Implementierung wurden bei 83 % der TMS-Studien motorisch evozierte Potenziale (MEPs) erfolgreich ermittelt, und bei allen Studien wurden Reichweitenverläufe aufgezeichnet.
Introduction
Zielgerichtetes Erreichen ist ein grundlegendes motorisches Verhalten, das es dem Menschen ermöglicht, mit der äußeren Umgebung zu interagieren und diese zu manipulieren. Das Studium des Erreichens in den Bereichen Motorphysiologie, Psychologie und Neurowissenschaften hat eine reiche und umfangreiche Literatur hervorgebracht, die eine Vielzahl von Methoden umfasst. Frühe Studien zum Erreichen nutzten direkte neuronale Aufzeichnungen bei nicht-menschlichen Primaten, um die neuronale Aktivität auf der Ebene einzelner Neuronenzu untersuchen 1,2. Neuere Studien haben das Erreichen von Verhaltensparadigmen untersucht, die sensomotorische Anpassung einsetzen, um die Natur des motorischen Lernens und der Kontrolle zu erforschen 3,4,5. Solche Verhaltensaufgaben in Kombination mit funktioneller Magnetresonanztomographie und Elektroenzephalographie können die gesamte Gehirnaktivität während des Erreichens beim Menschen messen 6,7. Andere Studien haben Online-TMS verwendet, um verschiedene Merkmale der Reichweitenvorbereitung und -ausführungzu untersuchen 8,9,10,11,12,13,14. Es besteht jedoch weiterhin Bedarf an einem Open-Source- und flexiblen Ansatz, der die Verhaltensbewertung des Erreichens mit TMS kombiniert. Während der Nutzen der Kombination von TMS mit Verhaltensprotokollen sehr gut etabliert ist15, untersuchen wir hier speziell die Anwendung von TMS im Kontext der Verwendung eines Open-Source-Ansatzes. Dies ist insofern neu, als andere Gruppen, die mit dieser Kombination von Methoden publiziert haben, ihre Werkzeuge nicht ohne weiteres zur Verfügung gestellt haben, was eine direkte Replikation verbietet. Dieser Open-Source-Ansatz erleichtert die Replikation, den Datenaustausch und die Möglichkeit von Multi-Site-Studien. Sollten andere neue Forschungsfragen mit ähnlichen Werkzeugen verfolgen wollen, kann der Open-Source-Code als Sprungbrett für Innovationen dienen, da er leicht anpassbar ist.
TMS bietet ein nicht-invasives Mittel zur Sondierung des motorischen Systems zu genau kontrollierten Zeitpunkten16. Wenn TMS über den primären motorischen Kortex (M1) appliziert wird, kann es eine messbare Ablenkung im Elektromyogramm eines Zielmuskels hervorrufen. Die Amplitude dieser Spannungswelle, die als motorisch evoziertes Potential (MEP) bekannt ist, liefert einen Index für den momentanen Erregbarkeitszustand des kortikospinalen (CS) Weges – ein resultierendes Analogon aller erregenden und hemmenden Einflüsse auf den CS-Weg17. Neben einer zuverlässigen Messung der intrinsischen CS-Erregbarkeit innerhalb des Probanden kann TMS mit anderen Verhaltens- oder kinematischen Metriken kombiniert werden, um die Beziehungen zwischen CS-Aktivität und Verhalten zeitlich präzise zu untersuchen. Viele Studien haben eine Kombination aus TMS und Elektromyographie (EMG) verwendet, um eine Vielzahl von Fragen über das motorische System zu beantworten, zumal diese Kombination von Methoden es ermöglicht, MEPs unter einer Vielzahl von Verhaltensbedingungen zu untersuchen15. Ein Bereich, in dem sich dies als besonders nützlich erwiesen hat, ist die Untersuchung der Aktionsvorbereitung, meistens durch die Untersuchung von Einzelgelenkbewegungen18. Allerdings gibt es vergleichsweise weniger TMS-Studien zu naturalistischen Mehrgelenkbewegungen wie z.B. dem Greifen.
Das aktuelle Ziel war es, eine Aufgabe mit verzögerter Reaktion zu entwickeln, die Verhaltenskinematik, Online-Einzelpuls-TMS-Verabreichung und gleichzeitige EMG-Aufzeichnung von mehreren Muskeln umfasst. Die Aufgabe umfasst ein zweidimensionales Punkt-zu-Punkt-Reichweiten-Paradigma mit visuellem Online-Feedback unter Verwendung eines horizontal ausgerichteten Monitors, so dass das visuelle Feedback mit den Reichweitenbahnen übereinstimmt (d.h. eine 1:1-Beziehung während des veridischen Feedbacks und keine Transformation zwischen visuellem Feedback und Bewegung). Das aktuelle Design beinhaltet auch eine Reihe von Versuchen mit einer visuomotorischen Störung. Im angegebenen Beispiel ist dies eine 20°-Drehverschiebung des Cursor-Feedbacks. Frühere Studien haben ein ähnliches Paradigma verwendet, um Fragen zu den Mechanismen und Berechnungen zu beantworten, die mit der sensomotorischen Anpassung verbunden sind 19,20,21,22,23,24,25. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz, die Erregbarkeitsdynamik des motorischen Systems zu bestimmten Zeitpunkten während des motorischen Online-Lernens zu bewerten.
Da sich das Erreichen als fruchtbares Verhalten für die Untersuchung von Lernen / Anpassung erwiesen hat, hat die Bewertung der CS-Erregbarkeit im Kontext dieses Verhaltens ein enormes Potenzial, die neuronalen Substrate zu beleuchten, die an diesen Verhaltensweisen beteiligt sind. Dazu können lokale hemmende Einflüsse, Veränderungen der Tuning-Eigenschaften, das Timing neuronaler Ereignisse usw. gehören, wie sie in der Forschung an nicht-menschlichen Primaten festgestellt wurden. Diese Merkmale waren jedoch bei Menschen und klinischen Populationen schwieriger zu quantifizieren. Die neuronale Dynamik kann auch in Abwesenheit von offener Bewegung beim Menschen mit dem kombinierten TMS- und EMG-Ansatz (d.h. während der Vorbereitung der Bewegung oder in Ruhe) untersucht werden.
Die vorgestellten Tools sind Open-Source, und der Code ist leicht anpassbar. Dieses neuartige Paradigma wird wichtige Erkenntnisse über die Mechanismen liefern, die an der Vorbereitung, Ausführung, Beendigung und Anpassung von Reichweitenbewegungen beteiligt sind. Darüber hinaus hat diese Kombination von Methoden das Potenzial, Zusammenhänge zwischen Elektrophysiologie und Reichweitenverhalten beim Menschen aufzudecken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die oben skizzierten Methoden bieten einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung der motorischen Vorbereitung im Zusammenhang mit dem Erreichen von Verhaltensweisen. Obwohl das Erreichen eine beliebte Modellaufgabe in der Erforschung der motorischen Kontrolle und des Lernens darstellt, besteht die Notwendigkeit, die CS-Dynamik, die mit dem Reichverhalten verbunden ist, genau zu bewerten. TMS bietet eine nicht-invasive, zeitlich präzise Methode zur Erfassung der CS-Aktivität zu diskreten Zeitpunkten währe…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde zum Teil durch die großzügige Finanzierung des Knight Campus Undergraduate Scholars-Programms und der Phil and Penny Knight Foundation ermöglicht
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 |
Referências
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