Оценка возбудимости кортикоспинала при целенаправленном достигающем поведении
Summary
Достижение является фундаментальным навыком, который позволяет людям взаимодействовать с окружающей средой. Несколько исследований были направлены на характеристику достигающего поведения с использованием различных методологий. В данной работе предлагается применение транскраниальной магнитной стимуляции с открытым исходным кодом для оценки состояния кортикоспинальной возбудимости у человека во время достижения выполнения задачи.
Abstract
Охват — это широко изученное поведение в исследованиях в моторной физиологии и нейробиологии. Хотя охват был изучен с использованием различных поведенческих манипуляций, остаются значительные пробелы в понимании нейронных процессов, участвующих в планировании, выполнении и контроле охвата. Новый подход, описанный здесь, сочетает в себе двумерную задачу достижения с транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС) и параллельной электромиографической (ЭМГ) записью нескольких мышц. Этот метод позволяет неинвазивно обнаруживать кортикоспинальную активность в точные моменты времени во время разворачивания достигающих движений. Пример кода задачи включает задачу с отложенным ответом с двумя возможными целями, отображаемыми ± 45° от средней линии. Одноимпульсная ТМС подается в большинстве испытаний задач, либо в начале подготовительного сигнала (базовая линия), либо за 100 мс до императивного сигнала (задержка). Эта конструкция образца подходит для исследования изменений возбудимости кортикоспинала во время подготовки к выходу. Пример кода также включает визуомоторное возмущение (т.е. поворот курсора ± 20°) для исследования влияния адаптации на возбудимость кортикоспинала во время подготовки к выходу. Параметры задачи и доставка ТМС могут быть скорректированы для решения конкретных гипотез о состоянии двигательной системы во время достижения поведения. В первоначальной реализации моторные вызванные потенциалы (MEP) были успешно выявлены в 83% испытаний TMS, и траектории достижения были зарегистрированы во всех испытаниях.
Introduction
Целеустремленное достижение — это фундаментальное двигательное поведение, которое позволяет людям взаимодействовать с внешней средой и манипулировать ею. Изучение достижения в области моторной физиологии, психологии и неврологии произвело богатую и обширную литературу, которая включает в себя различные методологии. Ранние исследования охвата использовали прямые нейронные записи у нечеловеческих приматов для исследования нейронной активности на уровне одиночных нейронов 1,2. Более поздние исследования изучали достижение с использованием поведенческих парадигм, которые используют сенсомоторную адаптацию для изучения природы моторного обучения и контроля 3,4,5. Такие поведенческие задачи в сочетании с функциональной магнитно-резонансной томографией и электроэнцефалографией позволяют измерять активность всего мозга при достижении у человека 6,7. Другие исследования применяли онлайн-ТМС для изучения различных особенностей подготовки и выполненияохвата 8,9,10,11,12,13,14. Тем не менее, остается потребность в гибком подходе с открытым исходным кодом, который сочетает в себе поведенческую оценку достижения с TMS. В то время как полезность объединения TMS с поведенческими протоколами очень хорошоизвестна15, здесь мы специально рассмотрим применение TMS в контексте достижения с использованием подхода с открытым исходным кодом. Это является новым в том смысле, что другие группы, которые публиковались с использованием этой комбинации методов, не сделали свои инструменты легкодоступными, запрещая прямую репликацию. Такой подход с открытым исходным кодом облегчает репликацию, обмен данными и возможность проведения исследований на нескольких сайтах. Кроме того, если другие захотят заняться новыми исследовательскими вопросами с аналогичными инструментами, открытый исходный код может выступать в качестве стартовой площадки для инноваций, поскольку он легко адаптируется.
TMS предлагает неинвазивное средство зондирования двигательной системы в точно контролируемых точкахвремени 16. При нанесении на первичную моторную кору (M1) ТМС может вызвать измеримое отклонение в электромиограмме целевой мышцы. Амплитуда этой волны напряжения, известная как двигательный вызванный потенциал (MEP), обеспечивает индекс мгновенного состояния возбудимости кортикоспинального (CS) пути – результирующего аналога всех возбуждающих и тормозных воздействий на путьCS 17. В дополнение к обеспечению надежного внутрисубъектного измерения внутренней возбудимости CS, TMS может быть объединена с другими поведенческими или кинематическими метриками для исследования отношений между активностью CS и поведением во временной точности. Во многих исследованиях использовалась комбинация ТМС и электромиографии (ЭМГ) для решения различных вопросов о двигательной системе, особенно потому, что эта комбинация методов позволяет исследовать депутатов Европарламента в широком спектре поведенческих условий15. Одной из областей, где это оказалось особенно полезным, является изучение подготовки к действию, чаще всего путем изучения движений с одним суставом18. Тем не менее, существует сравнительно меньше исследований ТМС натуралистических движений с несколькими суставами, таких как достигание.
Текущая цель состояла в том, чтобы разработать задачу с задержкой ответа, которая включает в себя поведенческую кинематику, онлайн-введение одноимпульсной ТМС и одновременную запись ЭМГ из нескольких мышц. Задача включает в себя двумерную парадигму достижения точки к точке с онлайн-визуальной обратной связью с использованием горизонтально ориентированного монитора, так что визуальная обратная связь соответствует траекториям достижения (т. Е. Отношение 1: 1 во время достоверной обратной связи и отсутствие преобразования между визуальной обратной связью и движением). Текущая конструкция также включает в себя набор испытаний с висуомоторным возмущением. В приведенном примере это поворотное смещение на 20° обратной связи курсора. Предыдущие исследования использовали аналогичную парадигму охвата для решения вопросов о механизмах и вычислениях, связанных с сенсомоторной адаптацией 19,20,21,22,23,24,25. Кроме того, такой подход позволяет оценить динамику возбудимости двигательной системы в точные моменты времени во время онлайн-обучения моторике.
Поскольку охват оказался плодотворным поведением для исследования обучения / адаптации, оценка возбудимости CS в контексте этого поведения имеет огромный потенциал, чтобы пролить свет на нейронные субстраты, участвующие в этом поведении. Они могут включать в себя локальные ингибирующие влияния, изменения в свойствах настройки, время нейронных событий и т. Д., Как было установлено в исследованиях нечеловеческих приматов. Однако эти особенности было труднее количественно оценить у людей и клинических популяций. Нейронная динамика также может быть исследована при отсутствии явного движения у человека с использованием комбинированного подхода ТМС и ЭМГ (т.е. во время подготовки движения или в состоянии покоя).
Представленные инструменты имеют открытый исходный код, а код легко адаптируется. Эта новая парадигма даст важное представление о механизмах, участвующих в подготовке, выполнении, завершении и адаптации достигающих движений. Более того, эта комбинация методов может раскрыть связь между электрофизиологией и достигающим поведением у людей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Методы, описанные выше, предлагают новый подход к изучению двигательной подготовки в контексте достижения поведения. Хотя достижение представляет собой популярную модельную задачу в изучении двигательного контроля и обучения, существует необходимость в точной оценке динам?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование стало возможным отчасти благодаря щедрому финансированию программы Knight Campus Undergraduate Scholars и Фонда Фила и Пенни Найт.
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
- Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T. On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex. The Journal of Neuroscience. 2 (11), 1527-1537 (1982).
- Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).
- Kim, H. E., Morehead, J. R., Parvin, D. E., Moazzezi, R., Ivry, R. B. Invariant errors reveal limitations in motor correction rather than constraints on error sensitivity. Communications Biology. 1, 19 (2018).
- Huberdeau, D. M., Krakauer, J. W., Haith, A. M. Dual-process decomposition in human sensorimotor adaptation. Current Opinion in Neurobiology. 33, 71-77 (2015).
- Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control. Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 89-108 (2010).
- Filimon, F., Nelson, J. D., Hagler, D. J., Sereno, M. I. Human cortical representations for reaching: Mirror neurons for execution, observation, and imagery. NeuroImage. 37 (4), 1315-1328 (2007).
- Hammon, P. S., Makeig, S., Poizner, H., Todorov, E., de Sa, V. R. Predicting reaching targets from human EEG. IEEE Signal Processing Magazine. 25 (1), 69-77 (2008).
- Busan, P., et al. Effect of transcranial magnetic stimulation (TMS) on parietal and premotor cortex during planning of reaching movements. PloS One. 4 (2), 4621 (2009).
- Busan, P., et al. Transcranial magnetic stimulation and preparation of visually-guided reaching movements. Frontiers in Neuroengineering. 5, 18 (2012).
- Lega, C., et al. The topography of visually guided grasping in the premotor cortex: a dense-transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping study. The Journal of Neuroscience. 40 (35), 6790-6800 (2020).
- Marigold, D. S., Lajoie, K., Heed, T. No effect of triple-pulse TMS medial to intraparietal sulcus on online correction for target perturbations during goal-directed hand and foot reaches. PloS One. 14 (10), 0223986 (2019).
- Savoie, F. -. A., Dallaire-Jean, L., Thenault, F., Whittingstall, K., Bernier, P. -. M. Single-pulse TMS over the parietal cortex does not impair sensorimotor perturbation-induced changes in motor commands. eNeuro. 7 (2), (2020).
- Taga, M., et al. Motor adaptation and internal model formation in a robot-mediated forcefield. Psychoradiology. 1 (2), 73-87 (2021).
- Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
- 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. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1110 (2015).
- Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Boyd, S., Marsden, C. D. Stimulation of the human motor cortex through the scalp. Experimental Physiology. 76 (2), 159-200 (1991).
- Bestmann, S., Duque, J. Transcranial magnetic stimulation: decomposing the processes underlying action preparation. The Neuroscientist. 22 (4), 392-405 (2016).
- Kim, H. E., Avraham, G., Ivry, R. B. The psychology of reaching: action selection, movement implementation, and sensorimotor learning. Annual Review of Psychology. 72 (1), 61-95 (2021).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Explicit and implicit processes constitute the fast and slow processes of sensorimotor learning. The Journal of Neuroscience. 35 (26), 9568-9579 (2015).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Implications of plan-based generalization in sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 383-393 (2017).
- McDougle, S. D., Ivry, R. B., Taylor, J. A. Taking aim at the cognitive side of learning in sensorimotor adaptation tasks. Trends in Cognitive Sciences. 20 (7), 535-544 (2016).
- Morehead, J. R., Qasim, S. E., Crossley, M. J., Ivry, R. Savings upon re-aiming in visuomotor adaptation. The Journal of Neuroscience. 35 (42), 14386-14396 (2015).
- Taylor, J. A., Krakauer, J. W., Ivry, R. B. Explicit and implicit contributions to learning in a sensorimotor adaptation task. The Journal of Neuroscience. 34 (8), 3023-3032 (2014).
- Tsay, J. S., Kim, H. E., Parvin, D. E., Stover, A. R., Ivry, R. B. Individual differences in proprioception predict the extent of implicit sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 125 (4), 1307-1321 (2021).
- Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
- 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. Neuroscience. 320, 205-209 (2016).
- Koch, G., et al. Functional interplay between posterior parietal and ipsilateral motor cortex revealed by twin-coil transcranial magnetic stimulation during reach planning toward contralateral space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
- Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments. (156), e60706 (2020).
