Valutazione dell'eccitabilità corticospinale durante il comportamento di raggiungimento diretto all'obiettivo
Summary
Raggiungere è un’abilità fondamentale che consente all’uomo di interagire con l’ambiente. Diversi studi hanno mirato a caratterizzare il raggiungimento del comportamento utilizzando una varietà di metodologie. Questo articolo offre un’applicazione open-source della stimolazione magnetica transcranica per valutare lo stato di eccitabilità corticospinale negli esseri umani durante il raggiungimento delle prestazioni del compito.
Abstract
Raggiungere è un comportamento ampiamente studiato nella fisiologia motoria e nella ricerca neuroscientifica. Mentre il raggiungimento è stato esaminato utilizzando una varietà di manipolazioni comportamentali, rimangono lacune significative nella comprensione dei processi neurali coinvolti nella pianificazione, esecuzione e controllo della portata. Il nuovo approccio qui descritto combina un compito di raggiungimento bidimensionale con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) e la registrazione elettromiografica simultanea (EMG) da più muscoli. Questo metodo consente il rilevamento non invasivo dell’attività corticospinale in punti temporali precisi durante lo svolgimento dei movimenti di raggiungimento. Il codice dell’attività di esempio include una risposta ritardata che raggiunge l’attività con due possibili destinazioni visualizzate ± 45° dalla linea mediana. La TMS a impulso singolo viene erogata nella maggior parte delle prove di attività, sia all’inizio del segnale preparatorio (linea di base) o 100 ms prima del segnale imperativo (ritardo). Questo disegno di esempio è adatto per studiare i cambiamenti nell’eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. Il codice di esempio include anche una perturbazione visuomotoria (cioè una rotazione del cursore di ± 20°) per studiare gli effetti dell’adattamento sull’eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. I parametri dell’attività e la consegna TMS possono essere regolati per affrontare ipotesi specifiche sullo stato del sistema motorio durante il raggiungimento del comportamento. Nell’implementazione iniziale, i potenziali evocati motori (MEP) sono stati ottenuti con successo nell’83% degli studi TMS e le traiettorie di raggiungimento sono state registrate in tutti gli studi.
Introduction
Il raggiungimento diretto all’obiettivo è un comportamento motorio fondamentale che consente agli esseri umani di interagire e manipolare l’ambiente esterno. Lo studio del raggiungimento nei campi della fisiologia motoria, della psicologia e delle neuroscienze ha prodotto una letteratura ricca e ampia che include una varietà di metodologie. I primi studi sul raggiungimento hanno utilizzato registrazioni neurali dirette in primati non umani per studiare l’attività neurale a livello di singoli neuroni 1,2. Studi più recenti hanno studiato il raggiungimento utilizzando paradigmi comportamentali che impiegano l’adattamento sensomotorio per esplorare la natura dell’apprendimento motorio e del controllo 3,4,5. Tali compiti comportamentali combinati con la risonanza magnetica funzionale e l’elettroencefalografia possono misurare l’intera attività cerebrale durante il raggiungimento negli esseri umani 6,7. Altri studi hanno applicato TMS online per indagare varie caratteristiche della preparazione e dell’esecuzione della portata 8,9,10,11,12,13,14. Tuttavia, rimane la necessità di un approccio open source e flessibile che combini la valutazione comportamentale del raggiungimento con TMS. Mentre l’utilità di combinare TMS con protocolli comportamentali è molto ben consolidata15, qui, esaminiamo specificamente l’applicazione di TMS nel contesto del raggiungimento utilizzando un approccio open source. Questo è nuovo in quanto altri gruppi che hanno pubblicato utilizzando questa combinazione di metodi non hanno reso i loro strumenti prontamente disponibili, vietando la replica diretta. Questo approccio open source facilita la replica, la condivisione dei dati e la possibilità di studi multi-sito. Inoltre, se altri desiderano perseguire nuove domande di ricerca con strumenti simili, il codice open source può fungere da trampolino di lancio per l’innovazione, in quanto è facilmente adattabile.
TMS offre un mezzo non invasivo per sondare il sistema motore in punti temporali controllati con precisione16. Quando applicato sulla corteccia motoria primaria (M1), TMS può provocare una deflessione misurabile nell’elettromiogramma di un muscolo mirato. L’ampiezza di questa onda di tensione, nota come potenziale evocato del motore (MEP), fornisce un indice dello stato di eccitabilità momentanea della via corticospinale (CS), un analogo risultante di tutte le influenze eccitatorie e inibitorie sulla via CS17. Oltre a fornire una misurazione affidabile all’interno del soggetto dell’eccitabilità intrinseca della CS, la TMS può essere combinata con altre metriche comportamentali o cinematiche per indagare le relazioni tra attività e comportamento della CS in modo temporalmente preciso. Molti studi hanno utilizzato una combinazione di TMS ed elettromiografia (EMG) per rispondere a una serie di domande sul sistema motorio, in particolare perché questa combinazione di metodi consente di studiare i MEP in una vasta gamma di condizioni comportamentali15. Un’area in cui ciò si è dimostrato particolarmente utile è lo studio della preparazione all’azione, il più delle volte attraverso lo studio dei movimenti a singola articolazione18. Tuttavia, ci sono relativamente meno studi TMS di movimenti multi-articolari naturalistici come il raggiungimento.
L’obiettivo attuale era quello di progettare un’attività di raggiungimento della risposta ritardata che includesse cinematica comportamentale, somministrazione TMS a impulso singolo online e registrazione EMG simultanea da più muscoli. L’attività include un paradigma di raggiungimento punto-punto bidimensionale con feedback visivo online utilizzando un monitor orientato orizzontalmente in modo tale che il feedback visivo corrisponda alle traiettorie di raggiungimento (cioè una relazione 1: 1 durante il feedback veridico e nessuna trasformazione tra feedback visivo e movimento). Il progetto attuale include anche una serie di prove con una perturbazione visuomotrice. Nell’esempio fornito, si tratta di uno spostamento di rotazione di 20° nel feedback del cursore. Studi precedenti hanno utilizzato un paradigma di raggiungimento simile per affrontare domande sui meccanismi e sui calcoli associati all’adattamento sensomotorio 19,20,21,22,23,24,25. Inoltre, questo approccio consente di valutare le dinamiche di eccitabilità del sistema motorio in punti temporali precisi durante l’apprendimento motorio online.
Poiché il raggiungimento ha dimostrato di essere un comportamento fruttuoso per studiare l’apprendimento / adattamento, valutare l’eccitabilità CS nel contesto di questo comportamento ha un enorme potenziale per far luce sui substrati neurali coinvolti in questi comportamenti. Questi possono includere influenze inibitorie locali, cambiamenti nelle proprietà di sintonizzazione, la tempistica degli eventi neurali, ecc., Come è stato stabilito nella ricerca sui primati non umani. Tuttavia, queste caratteristiche sono state più difficili da quantificare negli esseri umani e nelle popolazioni cliniche. La dinamica neurale può anche essere studiata in assenza di movimento palese negli esseri umani utilizzando l’approccio combinato TMS ed EMG (cioè, durante la preparazione del movimento o a riposo).
Gli strumenti presentati sono open-source e il codice è facilmente adattabile. Questo nuovo paradigma produrrà importanti intuizioni sui meccanismi coinvolti nella preparazione, esecuzione, terminazione e adattamento dei movimenti raggiunti. Inoltre, questa combinazione di metodi ha il potenziale per scoprire le relazioni tra l’elettrofisiologia e il raggiungimento del comportamento negli esseri umani.
Protocol
Representative Results
Discussion
I metodi sopra descritti offrono un nuovo approccio allo studio della preparazione motoria nel contesto del raggiungimento dei comportamenti. Sebbene il raggiungimento rappresenti un compito modello popolare nello studio del controllo motorio e dell’apprendimento, è necessario valutare con precisione le dinamiche CS associate al raggiungimento del comportamento. TMS offre un metodo non invasivo e temporalmente preciso per catturare l’attività CS in punti temporali discreti durante il raggiungimento. L’…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata resa possibile in parte dal generoso finanziamento del programma Knight Campus Undergraduate Scholars e della Phil and Penny Knight Foundation
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 |
References
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