JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Intracortical ингибирования в рамках первичной моторной коры можно модулировать, изменив в центре внимания

Published: September 11, 2017
doi:
10.3791/55771
, , ,
1Department of Medicine, Movement and Sport Sciences,University of Fribourg

Summary

С помощью двух различных транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) протоколов, эта рукопись описывает, как измерить и сравнить коркового торможения в рамках первичной моторной коры при принятии различных внимания очагов.

Abstract

Общепризнано, что внешний фокус (EF) по сравнению с внутреннего внимания (если) улучшает производительность и Мотор обучения. Исследования показали, что преимущества в точности, баланс, силу производства, прыжки, производительность, скорость движения, потребление кислорода и утомительна задачи. Хотя поведенческие итоги использования стратегии EF хорошо изучены, основной нейронные механизмы остаются неизвестными. В недавнем исследовании TMS сравнить деятельность первичной моторной коры (М1) между EF и IF. Точнее это исследование показало, что при принятии EF, повышается активность intracortical тормозной цепи.

На уровне поведения настоящий Протокол испытаний влияние внимания очагов на время сбоя задачи (TTF) при выполнении субмаксимальных схватки Первый спинной межкостной (ПИИ). Кроме того Настоящий документ описывает два TMS протоколы для оценки влияние условий внимания на деятельности корковых тормозной цепи в пределах M1. Таким образом в настоящей статье описывается использование TMS сингл пульс при интенсивности ниже порога мотор (subTMS) и в паре пульс TMS, вызывая короткий интервал intracortical ингибирование (SICI) при применении к автомагистрали M1. Как предполагается, что эти методы отражения реакции ГАМК ингибирующих нейронов, без пострадавших спинной рефлекс контуры, они хорошо подходят для измерения активности intracortical тормозной цепи в пределах M1.

Результаты показывают, что направлять внешне внимание улучшает производительность двигателя, как участники смогли продлить время сбоя задачи. Кроме того результаты сопровождали большие subTMS индуцированной электромиографии подавления и SICI при принятии EF по сравнению с IF. Как ранее уровень коркового торможения в M1 была продемонстрирована влиять на производительность двигателя, расширенной ингибирование с EF может способствовать лучше движения эффективности наблюдается в поведенческих задач, обозначается длительного ТЦФ с EF.

Introduction

Сейчас общепризнано, что приняв EF по сравнению с IF или нейтральных фокус внимания способствует мотор производительность и обучение в многочисленных настроек1. Это было показано, например, что приняв EF приводит к выгодам в точности2,3, баланс4,5,6, силы производство7,8, прыжки производительности 7 , 9 , 10 , 11, движения скорость12,13,потребление кислорода14и fatiguing задачи15,16.

С другой стороны так как активация мозга является основой всех движений, исследованы некоторые аспекты нейронных контроля движения. Например уровень и возможность модулировать intracortical ингибирования в M1 было показано иметь сильное влияние на моторную функцию, например interlimb координации17, постурального контроля18и ловкости19. Кроме того населения с беднее способностей управления двигателем, чем молодые взрослые, например престарелых предметов или детей (рожденных недоношенными20), обычно показывают, что менее выраженный тормозного управления. Таким образом хотя роль ингибирующее процессов не еще хорошо понимали, тормозящий процессов тем не менее представляются важными для качество мотор исполнения в целом.

Возможность исследовать intracortical тормозной контуры является использование неинвазивной транскраниальной магнитной стимуляции (TMS). Наиболее часто используемые стимуляции протокол применяется в паре пульс TMS (ppTMS) чтобы побудить SICI. Этот протокол использует принадлежности стимул ниже порога двигателя для уменьшения амплитуды suprathreshold управления стимул ответ вызвал с interstimulus интервалом 1-5 ms21,,2223 , 24. Затем, сообщил, как процент управления стимул, можно сравнить амплитуд Мотор evoked потенциалов (MEP) через условия, давая информацию о корковой ингибиторная активность и модуляции в пределах M1.

Другой стимуляции протокол для оценки активности ингибирующих цепей intractortical применяется единый импульсов, где все раздражители, доставляются в интенсивности ниже мотор порога (например, subTMS). Этот протокол вызывает подавление в текущих ЭМГ активности18,25,26. Это так называемые subTMS индуцированной ГРП подавления можно сравнить с точки зрения количества и продолжительности. Хотя этот протокол используется не так часто, он имеет определенные преимущества по сравнению с стандартный протокол SICI. Этот протокол не беспокоить мотор исполнения, как это не вызвать suprathreshold раздражителей. Оба метода тестирования реакции intracortical гамма – аминомасляная кислота (ГАМК) ингибирующее интернейронов23,27.

Несмотря на хорошо известные преимущества использования EF по сравнению с IF на мотор исполнения1основных нервных процессов остаются практически неизвестны. В бывшей МР-томографию исследования28было показано, что активации (BOLD) зависит от уровня кислорода в крови было улучшено в M1, начальных соматосенсорные, и островную коре когда предметы выполнены палец последовательности и принял EF по сравнению с IF. Как возбуждающим и ингибиторная активность не может быть дифференцированы по МР-томографию29, еще недавно исследования16 предусмотрено, что расширение деятельности в M1, связанные с EF в самом деле, можно благодаря расширенной деятельности intracortical тормозной цепи. Точнее это исследование показало, что возбудимость ингибирующих нейронов ГАМК может мгновенно модулированные по типу внимания фокус, принятый в одно и то же лицо.

Основной целью настоящего Протокола является показать два возможных пути для сравнения непосредственных последствий когнитивной манипуляции (то есть, фокус внимания инструкций) на активность intracortical тормозной цепи в пределах M1. SubTMS и ppTMS оба используются. Кроме того этот протокол показан один из возможных способов исследовать влияние внимания очагов на моторное поведение очень контролируемым образом исследуя TTF субмаксимальных Изометрические неуклонное сокращение ПИИ.

Protocol

этот протокол был одобрен Комитетом местных этики, и эксперименты, в соответствии с Хельсинкской декларации (1964). 1. этические утверждения и предмет обучения перед началом измерения, проинструктируйте всех участников о потенциальных факторов риска и цель исследов?…

Representative Results

Влияние внимания очагов на мотор производительности: Поведенческие тесты в текущем исследовании были использованы доказать целесообразность мотор задачи и определить темы, которые позитивно при применении EF. В соответствии с предыдущ…

Discussion

Этот протокол показывает два возможных метода расследовать деятельность тормозной цепи в пределах M1 с помощью TMS. Точнее эти два протокола были использованы в данном исследовании для изучения последствий очагов внимания на деятельности тормозной цепи в пределах M1.

Одно…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы имеют без подтверждений.

Materials

MC3A-100 Advanced Mechanical Technologies Inc., Watertown, MA, USA – Force transducer
BlueSensor P Ambu A/S, Bellerup, Denmark – Ag/AgCl surface electrodes for EMG
Polaris Spectra Northern Digital, Waterloo, ON, Canada – neuronavigation system, active or passive markers tracker
Localite TMS Navigator Version 2.0.5 LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany – navigation system for transcranial magnetic stimulation (TMS)
MagVenture MagPro X100 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0711 Transcranial magnetic stimulator
MagVenture D-B80 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0431 TMS coil (figure of eight)
Goniometer N/A – Custom-made goniometer
Othopedic splint N/A – Custom-made splint
Recording software LabView based – Custom-made script
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wulf, G. Attentional focus and motor learning: a review of 15 years. Int Rev Sport Exerc Psychol. 6 (1), 77-104 (2012).
  2. Perkins-Ceccato, N., Passmore, S. R., Lee, T. D. Effects of focus of attention depend on golfers’ skill. J Sports Sci. 21 (8), 593-600 (2003).
  3. Marchant, D. C., Clough, J. C., Crawshaw, M. The effects of attentional focusing strategies on novice dart throwing performance and their task experiences. Int Rev Sport Exerc Psychol. 5 (3), 291-303 (2007).
  4. Oliveira, R. M., Gurd, J. M., Nixon, P., Marshall, J. C., Passingham, R. E. Micrographia in Parkinson’s disease: the effect of providing external cues. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 63 (4), 429-433 (1997).
  5. Landers, M., Wulf, G., Wallmann, H., Guadagnoli, M. An external focus of attention attenuates balance impairment in patients with Parkinson’s disease who have a fall history. Physiotherapy. 91 (3), 152-158 (2005).
  6. Wulf, G., Landers, M., Lewthwaite, R., Töllner, T. External focus instructions reduce postural instability in individuals with Parkinson disease. Phys Ther. 89 (2), 162-168 (2009).
  7. Wulf, G., Dufek, J. S. Increased jump height with an external focus due to enhanced lower extremity joint kinetics. J Mot Behav. 41 (5), 401-409 (2009).
  8. Marchant, D. C. Attentional Focusing Instructions and Force Production. Front Psychol. 1, 1-9 (2011).
  9. Wälchli, M., Ruffieux, J., Bourquin, Y., Keller, M., Taube, W. Maximizing Performance: Augmented Feedback, Focus of Attention, and/or Reward?. Med Sci Sports Exerc. 48 (4), 714-719 (2015).
  10. Keller, M., Lauber, B., Gottschalk, M., Taube, W. Enhanced jump performance when providing augmented feedback compared to an external or internal focus of attention. J Sports Sci. 33 (10), 1067-1075 (2015).
  11. Wulf, G., Dufek, J. S., Lozano, L., Pettigrew, C. Increased jump height and reduced EMG activity with an external focus. Hum Mov Sci. 29 (3), 440-448 (2010).
  12. Fasoli, S. E., Trombly, C. A., Tickle-Degnen, L., Verfaellie, M. H. Effect of instructions on functional reach in persons with and without cerebrovascular accident. Am J Occup Ther. 56 (4), 380-390 (2002).
  13. Schücker, L., Anheier, W., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. On the optimal focus of attention for efficient running at high intensity. Sport Exerc Perform Psychol. 2 (3), 207-219 (2013).
  14. Schücker, L., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. The effect of attentional focus on running economy. J Sports Sci. 27 (12), 1241-1248 (2009).
  15. Lohse, K. R., Sherwood, D. E. Defining the focus of attention: effects of attention on perceived exertion and fatigue. Front Psychol. 2, 332 (2011).
  16. Kuhn, Y. A., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Adopting an external focus of attention alters intracortical inhibition within the primary motor cortex. Acta Physiol (Oxf). , (2016).
  17. Fujiyama, H., Hinder, M. R., Schmidt, M. W., Garry, M. I., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability and inhibition during coordination of upper and lower limbs. Neurobiol Aging. 33 (7), (2012).
  18. Papegaaij, S., et al. Postural challenge affects motor cortical activity in young and old adults. Exp Gerontol. 73, 78-85 (2016).
  19. Heise, K. -. F., et al. The Aging Motor System as a Model for Plastic Changes of GABA-Mediated Intracortical Inhibition and Their Behavioral Relevance. J Neurosci. 33 (21), 9039-9049 (2013).
  20. Flamand, V. H., Nadeau, L., Schneider, C. Brain motor excitability and visuomotor coordination in 8-year-old children born very preterm. Clin Neurophysiol. 123 (6), 1191-1199 (2012).
  21. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
  22. Wassermann, E. M., et al. Responses to paired transcranial magnetic stimuli in resting, active, and recently activated muscles. Exp Brain Res. 109 (1), 158-163 (1996).
  23. Di Lazzaro, V., et al. Magnetic transcranial stimulation at intensities below active motor threshold activates intracortical inhibitory circuits. Exp Brain Res. 119 (2), 265-268 (1998).
  24. Chen, R. Interactions between inhibitory and excitatory circuits in the human motor cortex. Exp Brain Res. 154 (1), 1-10 (2004).
  25. Lauber, B., Keller, M., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Specific interpretation of augmented feedback changes motor performance and cortical processing. Exp Brain Res. 227 (1), 31-41 (2013).
  26. Lauber, B., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Time to task failure and motor cortical activity depend on the type of feedback in visuomotor tasks. PLoS One. 7 (3), e32433 (2012).
  27. Davey, N. J., Romaiguère, P., Maskill, D. W., Ellaway, P. H. Suppression of voluntary motor activity revealed using transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in man. J Physiol. 477 (2), 223-235 (1994).
  28. Zentgraf, K., et al. Neural correlates of attentional focusing during finger movements: A fMRI study. J Mot Behav. 41 (6), 535-541 (2009).
  29. Arthurs, O. J., Boniface, S. How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal?. Trends Neurosci. 25 (1), 27-31 (2002).
  30. 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).
  31. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  32. Seifert, T., Petersen, N. C. Changes in presumed motor cortical activity during fatiguing muscle contraction in humans. Acta Physiol (Oxf). 199, 317-325 (2010).
  33. Sidhu, S. K., Cresswell, A. G., Carroll, T. J. Short-interval intracortical inhibition in knee extensors during locomotor cycling. Acta Physiol (Oxf). 207 (1), 194-201 (2013).
  34. Zuur, A. T., et al. Contribution of afferent feedback and descending drive to human hopping. J Physiol. 588 (Pt 5), 799-807 (2010).
  35. Konrad, P. . The ABC of EMG: A practical introduction to kinesiological electromyography. , (2005).
  36. Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
  37. Kojima, S., et al. Modulation of the cortical silent period elicited by single- and paired-pulse transcranial magnetic stimulation. BMC Neurosci. 14, 43 (2013).
  38. McNevin, N., Shea, C. H., Wulf, G. Increasing the distance of an external focus of attention enhances learning. Psychol Res. 67 (1), 22-29 (2003).
  39. Hummel, F. C., et al. Deficient intracortical inhibition (SICI) during movement preparation after chronic stroke. Neurology. 72 (20), 1766-1772 (2009).
  40. Mall, V., et al. Low level of intracortical inhibition in children shown by transcranial magnetic stimulation. Neuropediatrics. 35 (2), 120-125 (2004).
  41. Walther, M., et al. Maturation of inhibitory and excitatory motor cortex pathways in children. Brain Dev. 31 (7), 562-567 (2009).
  42. van de Laar, M. C., van den Wildenberg, W. P., van Boxtel, G. J., Huizenga, H. M., van der Molen, M. W. Lifespan changes in motor activation and inhibition during choice reactions: a Laplacian ERP study. Biol Psychol. 89 (2), 323-334 (2012).
  43. Papegaaij, S., Taube, W., Baudry, S., Otten, E., Hortobagyi, T. Aging causes a reorganization of cortical and spinal control of posture. Front Aging Neurosci. 6 (28), (2014).
  44. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  45. Ziemann, U., Rothwell, J. C., Ridding, M. C. Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex. J Physiol. 496 (Pt 3), 873-881 (1996).
  46. Petersen, N. T., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. J Physiol. 537 (Pt 2), 651-656 (2001).
  47. Butler, J. E., Larsen, T. S., Gandevia, S. C., Petersen, N. T. The nature of corticospinal paths driving human motoneurones during voluntary contractions. J Physiol. 584 (Pt 2), 651-659 (2007).
  48. Ortu, E., Deriu, F., Suppa, A., Tolu, E., Rothwell, J. C. Effects of volitional contraction on intracortical inhibition and facilitation in the human motor cortex. J Physiol. 586 (21), 5147-5159 (2008).
  49. Roy, F. D. Suppression of EMG activity by subthreshold paired-pulse transcranial magnetic stimulation to the leg motor cortex. Exp Brain Res. 193 (3), 477-482 (2009).
  50. Di Lazzaro, V., et al. Direct demonstration of the effect of lorazepam on the excitability of the human motor cortex. Clin Neurophysiol. 111 (5), 794-799 (2000).
  51. Classen, J., Benecke, R. Inhibitory phenomena in individual motor units induced by transcranial magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 97 (5), 264-274 (1995).
  52. Binkofski, F., et al. Neural activity in human primary motor cortex areas 4a and 4p is modulated differentially by attention to action. J Neurophysiol. 88 (1), 514-519 (2002).
  53. Strafella, A. P., Paus, T. Cerebral blood-flow changes induced by paired-pulse transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. J Neurophysiol. 85 (6), 2624-2629 (2001).
  54. Hunter, S. K., McNeil, C. J., Butler, J. E., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Short-interval cortical inhibition and intracortical facilitation during submaximal voluntary contractions changes with fatigue. Exp Brain Res. 234 (9), 2541-2551 (2016).
  55. Zimmermann, K., et al. Neural Correlates of Switching Attentional Focus during Finger Movements: An fMRI Study. Front Psychol. 3 (555), (2012).

Tags

Intracortical InhibitionPrimary Motor CortexAttentional FocusTranscranial Magnetic StimulationSubTMSSICIMotor PerformanceInhibitory CircuitsGABAergicMaximal Voluntary ContractionsForce Transducer

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Kuhn, Y., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Intracortical Inhibition Within the Primary Motor Cortex Can Be Modulated by Changing the Focus of Attention. J. Vis. Exp. (127), e55771, doi:10.3791/55771 (2017).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image