목표 지향적 도달 행동 중 피질 척수 흥분성 평가
Summary
도달은 인간이 환경과 상호 작용할 수 있도록하는 기본 기술입니다. 여러 연구에서 다양한 방법론을 사용하여 도달 행동을 특성화하는 것을 목표로 했습니다. 이 논문은 작업 수행에 도달하는 동안 인간의 피질 척수 흥분성 상태를 평가하기 위해 경두개 자기 자극의 오픈 소스 응용 프로그램을 제공합니다.
Abstract
도달은 운동 생리학 및 신경 과학 연구에서 널리 연구 된 행동입니다. 도달은 다양한 행동 조작을 사용하여 조사되었지만 도달 계획, 실행 및 제어와 관련된 신경 과정에 대한 이해에는 상당한 차이가 남아 있습니다. 여기에 설명된 새로운 접근 방식은 2차원 도달 작업과 경두개 자기 자극(TMS) 및 여러 근육의 동시 근전도(EMG) 기록을 결합합니다. 이 방법은 도달 운동이 펼쳐지는 동안 정확한 시점에서 피질 척수 활동의 비 침습적 감지를 허용합니다. 예제 작업 코드에는 두 개의 가능한 대상이 중간선에서 45° ± 표시된 지연 응답 도달 작업이 포함되어 있습니다. 단일 펄스 TMS는 준비 단서가 시작될 때(기준선) 또는 명령형 단서(지연) 100ms 전에 대부분의 작업 시도에서 전달됩니다. 이 샘플 디자인은 도달 범위 준비 중 피질 척수 흥분성의 변화를 조사하는 데 적합합니다. 샘플 코드에는 도달 준비 중 피질 척수 흥분성에 대한 적응의 영향을 조사하기 위한 시운동 섭동(즉, ± 20°의 커서 회전)도 포함됩니다. 작업 매개 변수 및 TMS 전달은 도달 동작 중 모터 시스템 상태에 대한 특정 가설을 해결하도록 조정할 수 있습니다. 초기 구현에서 TMS 시험의 83%에서 운동 유발 전위(MEP)를 성공적으로 유도했으며 모든 시험에서 도달 궤적이 기록되었습니다.
Introduction
목표 지향적 도달은 인간이 외부 환경과 상호 작용하고 조작할 수 있도록 하는 기본적인 운동 행동입니다. 운동 생리학, 심리학 및 신경 과학 분야의 도달 연구는 다양한 방법론을 포함하는 풍부하고 광범위한 문헌을 생산했습니다. 도달에 대한 초기 연구는 단일 뉴런 수준에서 신경 활동을 조사하기 위해 인간이 아닌 영장류에서 직접 신경 기록을 사용했습니다 1,2. 보다 최근의 연구에서는 운동 학습 및 제어 3,4,5의 본질을 탐구하기 위해 감각 운동 적응을 사용하는 행동 패러다임을 사용하여 도달하는 것을 조사했습니다. 기능적 자기 공명 영상 및 뇌파 검사와 결합 된 이러한 행동 작업은 인간에 도달하는 동안 전체 뇌 활동을 측정 할 수 있습니다 6,7. 다른 연구에서는 도달 준비 및 실행 8,9,10,11,12,13,14의 다양한 기능을 조사하기 위해 온라인 TMS를 적용했습니다. 그러나 도달에 대한 행동 평가와 TMS를 결합한 오픈 소스의 유연한 접근 방식이 여전히 필요합니다. TMS와 행동 프로토콜을 결합하는 유용성은 매우 잘 확립되어 있지만15, 여기에서는 오픈 소스 접근 방식을 사용하여 도달하는 맥락에서 TMS의 적용을 구체적으로 검토합니다. 이 방법의 조합을 사용하여 출판 한 다른 그룹이 도구를 쉽게 사용할 수 없게하여 직접 복제를 금지한다는 점에서 이것은 참신합니다. 이 오픈 소스 접근 방식은 복제, 데이터 공유 및 다중 사이트 연구의 가능성을 용이하게 합니다. 또한 다른 사람들이 유사한 도구를 사용하여 새로운 연구 질문을 추구하려는 경우 오픈 소스 코드는 쉽게 적용할 수 있으므로 혁신을 위한 발판 역할을 할 수 있습니다.
TMS는 정밀하게 제어된 시점(16)에서 모터 시스템을 프로빙하는 비침습적 수단을 제공한다. 일차 운동 피질 (M1)에 적용될 때, TMS는 표적 근육의 근전도에서 측정 가능한 편향을 유도 할 수 있습니다. 모터 유발 전위 (MEP)로 알려진이 전압 파의 진폭은 피질 척수 (CS) 경로의 순간 흥분성 상태의 지표 – CS 경로(17)에 대한 모든 흥분성 및 억제 영향의 결과적인 유사체)를 제공한다. TMS는 내재적 CS 흥분성에 대한 신뢰할 수 있는 피험자 내 측정을 제공하는 것 외에도 다른 행동 또는 운동학적 메트릭과 결합하여 CS 활동과 행동 간의 관계를 시간적으로 정확한 방식으로 조사할 수 있습니다. 많은 연구에서 TMS와 근전도 검사(EMG)의 조합을 활용하여 운동 시스템에 대한 다양한 질문을 해결했으며, 특히 이러한 방법의 조합으로 인해 광범위한 행동 조건에서 MEP를 조사할 수 있기 때문에15. 이것이 특히 유용한 것으로 입증 된 한 영역은 행동 준비 연구이며, 대부분 단일 관절 운동18에 대한 연구를 통해 이루어집니다. 그러나 도달과 같은 자연주의적 다관절 운동에 대한 TMS 연구는 비교적 적습니다.
현재 목표는 행동 운동학, 온라인 단일 펄스 TMS 관리 및 여러 근육의 동시 EMG 기록을 포함하는 지연 응답 도달 작업을 설계하는 것이 었습니다. 이 작업에는 시각적 피드백이 궤도에 도달하도록 수평 방향 모니터를 사용하는 온라인 시각적 피드백을 사용하는 2차원 지점 간 도달 패러다임이 포함됩니다(즉, 실제 피드백 동안 1:1 관계이며 시각적 피드백과 모션 간의 변환이 없음). 현재 설계에는 시각 운동 섭동이 있는 일련의 시도도 포함됩니다. 제공된 예에서 이는 커서 피드백의 20° 회전 이동입니다. 이전 연구에서는 감각 운동 적응 19,20,21,22,23,24,25와 관련된 메커니즘 및 계산에 대한 질문을 해결하기 위해 유사한 도달 패러다임을 사용했습니다. 또한 이 접근 방식을 통해 온라인 운동 학습 중 정확한 시점에서 운동 시스템 흥분성 역학을 평가할 수 있습니다.
도달은 학습 / 적응을 조사하는 데 유익한 행동으로 입증 되었기 때문에이 행동의 맥락에서 CS 흥분성을 평가하는 것은 이러한 행동과 관련된 신경 기질을 밝힐 수있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 여기에는 비인간 영장류 연구에서 확립 된 바와 같이 국소 억제 영향, 튜닝 특성의 변화, 신경 사건의시기 등이 포함될 수 있습니다. 그러나 이러한 특징은 인간 및 임상 집단에서 정량화하기가 더 어려웠습니다. 신경 역학은 또한 결합 된 TMS 및 EMG 접근법을 사용하여 인간의 명백한 움직임이없는 경우 (즉, 운동 준비 중 또는 휴식시) 조사 할 수 있습니다.
제시된 도구는 오픈 소스이며 코드는 쉽게 적용 할 수 있습니다. 이 새로운 패러다임은 도달 운동의 준비, 실행, 종료 및 적응과 관련된 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 생성합니다. 더욱이, 이러한 방법의 조합은 전기 생리학과 인간의 도달 행동 사이의 관계를 밝힐 가능성이 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
위에서 설명한 방법은 행동에 도달하는 맥락에서 운동 준비를 연구하는 새로운 접근 방식을 제공합니다. 도달은 운동 제어 및 학습 연구에서 인기 있는 모델 작업이지만 도달 행동과 관련된 CS 역학을 정확하게 평가할 필요가 있습니다. TMS는 도달하는 동안 개별 시점에서 CS 활동을 캡처하는 비침습적이고 시간적으로 정확한 방법을 제공합니다. 여기에 설명된 접근 방식은 TMS와 도달?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 부분적으로 나이트 캠퍼스 학부 장학생 프로그램과 필 앤 페니 나이트 재단의 관대 한 자금 지원으로 가능했습니다.
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 |
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