我们描述了一种实验方法,通过在停止信号任务过程中应用经颅磁刺激,定量评估初级运动皮层在运动反应抑制任务中的兴奋性与抑制性。
方法文章
我们描述了一种实验方法,通过在停止信号任务过程中应用经颅磁刺激,定量评估初级运动皮层在运动反应抑制任务中的兴奋性与抑制性。
我们描述了一种可重复、适合儿童参与的运动反应抑制任务的开发过程,该任务适用于通过在线经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)对初级运动皮层(M1)兴奋性与抑制性的特征进行刻画。运动反应抑制可防止不必要的动作发生,其功能异常见于多种神经精神疾病。TMS 是一种非侵入性技术,可通过单脉冲和双脉冲方案量化 M1 的兴奋性与抑制性,并能精确控制时序,以高时间分辨率研究皮层生理活动。我们对原始的 Slater-Hammel(S-H)停止信号任务进行了改进,以创建一种 "赛车" 与试验内事件时间锁定的TMS脉冲版本。该任务为自定步调,每次试验通过按按钮启动,使赛车驶向800 ms目标。在GO试验中,受试者需在接近该目标前抬起手指以停止赛车。随机穿插其中的是STOP试验(占25%),在此期间动态调整的停止信号提示受试者抑制手指抬起动作。对于GO试验,TMS脉冲在试验开始后650 ms给予;而对于STOP试验,TMS脉冲则在停止信号出现后150 ms给予。TMS脉冲的时间点选择基于脑电图(EEG)研究,这些研究显示在停止信号任务中,该时间段内存在与事件相关的脑活动变化。该任务在两个研究地点共进行3个区块(n=38),记录了行为表现和事件相关运动诱发电位(MEP)。采用回归模型分析MEP振幅,以年龄作为协变量,并纳入多个自变量(性别、研究地点、区块、TMS脉冲条件[单脉冲 vs. 双脉冲]、试验条件[GO、成功STOP、失败STOP])。分析结果显示,TMS脉冲条件(p<0.0001)及其与试验条件的交互作用(p=0.009)均具有显著性。未来对该在线S-H/TMS范式的应用可包括同步采集EEG,以测量TMS诱发的EEG电位。一个可能的局限性在于,在儿童中,TMS脉冲声音可能会 影响行为任务表现。
反应抑制是指有选择性地阻止那些可能干扰预期功能目标的不必要行为的能力。1 皮质-纹状体网络在反应抑制中起着关键作用,该网络的功能随着儿童的成熟而逐渐增强,但在多种神经精神疾病中(如注意缺陷多动障碍(ADHD)、学习障碍、强迫症和精神分裂症)其功能会受损。2,3 可通过不同的行为范式(如Go/NoGo任务(GNG)和停止信号任务(SST))来评估运动反应抑制能力。1,4 仅靠行为数据无法提供有关可能被调节的、可量化的生物学机制的信息。本研究的主要目标是建立一种适合儿童的方法,用于评估反应抑制执行过程中运动皮层的生理活动,从而开发基于大脑的、反映该任务神经基础的定量生物标志物。此类生物标志物在神经行为障碍的预后或治疗预测研究中具有广泛的应用前景。
为此,研究人员选择并改进了Slater-Hammel(S-H)任务5。这是一种停止信号任务,要求参与者抑制一个内部生成的预设动作。该自我调节任务包含“执行”(GO)和“停止”(STOP)两种试验。在“执行”试验中,受试者通过按压并持续保持按钮启动试验,并根据指示在接近但不超过800 ms目标时间时将手指从按钮上抬起(即执行动作)。在原始范式中,时间由一个快速旋转指针的时钟显示。“停止”试验随机穿插在“执行”试验中,要求个体抑制预先计划的“执行”动作(即防止手指抬起)。停止信号任务更具挑战性,因为受试者必须在已有预设“执行”信号的背景下抑制反应;而在“Go/No-Go”(GNG)任务中,决策仅涉及是否启动某个动作,且无先前指令。6 此外,使用停止信号任务研究反应抑制可能更为准确,因为在GNG任务中,信号与反应之间持续一致的关联可能导致自动抑制。7 自动抑制理论认为,信号与反应之间的一致对应关系(即“执行”信号始终导致“执行”反应,反之亦然)会在实验过程中引发自动化加工,使得“停止”试验的部分加工过程通过记忆提取完成,从而绕过某些执行控制机制。8,9
经颅磁刺激(TMS)是一种可用于测量皮层生理功能的非侵入性技术。通过单脉冲和双脉冲刺激范式,可以量化皮层兴奋性和抑制性。尽管大多数已发表的TMS研究集中在静息状态下的皮层生理功能,但一些研究团队已探讨了在动作准备10以及可能反映在运动皮层生理活动中的不同认知状态期间的皮层兴奋性/抑制性11,12,13,14。这种功能性TMS(fTMS)方法要求在受试者执行行为任务的同时进行在线TMS测量,从而能够以高时间分辨率探测依赖于状态的皮层变化。以这种方式提供关于神经生理变化的实时信息,拓展了对运动控制15,16以及神经精神疾病17,18,19,20的生理学研究。
既往的fTMS研究已采用GNG14和SST任务15,16,21,探讨了健康成年人在反应抑制过程中的皮层机制。此外,一项研究显示,在fTMS/GNG实验期间,单次剂量的哌甲酯可改变健康成年人的运动皮层生理特性22。迄今为止,已有两个研究团队发表了采用GNG任务的儿童fTMS研究,用于表征注意缺陷多动障碍(ADHD)23和抽动秽语综合征(Tourette Syndrome)17的皮层生理特征。目前尚无在儿科人群中使用SST任务的已发表fTMS研究。
在重复经颅磁刺激(fTMS)研究中,相较于仅在静息状态下进行的TMS研究,一个更为突出的关键问题是肌电伪迹。由运动诱发电位(MEP)获得的标准化表面肌电图(EMG)振幅和潜伏期测量结果,必须避免受到肌电伪迹的污染。例如,在研究反应时间任务中运动准备阶段的皮层变化时,TMS脉冲必须精确地在“开始”信号发出之后、但个体实际反应时间之前施加。因此,在任何实验任务中,至关重要的是确保TMS脉冲在运动反应尚未启动的时间点施加,同时确保受试者处于舒适状态,并能够使相关肌肉保持静息。对于多动儿童而言,这一问题尤为突出,因为他们可能自然地出现额外的动作,并可能在整个反应时间任务过程中持续保持手臂和手部肌肉紧张。
本研究的目的是开发一种适合儿童、适用于研究初级运动皮层(M1)生理学的儿童友好型Slater-Hammel SST版本。该任务应具备以下特点:1)儿童易于理解,2)儿童相对容易完成,3)兼容在线经颅磁刺激(TMS)。
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该方案已获得辛辛那提儿童医院医疗中心和约翰斯·霍普金斯机构审查委员会的批准,被认定为对儿童和成人具有最小风险的研究。根据国际专家共识,单脉冲和双脉冲经颅磁刺激(TMS)在2岁及以上儿童中被认为是安全的。24 在向受试者家长/监护人及受试者本人解释TMS可能存在的风险后,若其同意参与研究,则签署知情同意书和知情同意声明。
1. 筛选与引言
2. 表面肌电图电极设置与手部定位
3. 基线TMS数据采集
4. S-H 行为任务
5. 在线 S-H/TMS 实验
6. Racecar Slater-Hammel 行为学数据
7. TMS 数据处理
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采用商业统计软件包分别对行为学和神经生理学数据进行回归分析。代表性数据来自辛辛那提的23名正常发育儿童和巴尔的摩的15名儿童(男性25名,女性13名)。两地受试者年龄无显著差异(辛辛那提:10.3 ± 1.3 年;巴尔的摩:10.4 ± 1.2 年;t 检验 p = 0.74)
我们采用回归模型分析了SSRT,将年龄作为协变量,并将性别、地点(辛辛那提与巴尔的摩)和试验区块作为自变量。同时探讨了这些变量之间的交互作用。该分析显示,只有年龄对SSRT具有显著影响(p=0.005)。
采用峰-峰MEP幅值作为回归分析的因变量,对TMS神经生理学数据进行表征。在运动准备期间,初级运动皮层(M1)的兴奋性在实际运动发生之前即升高。TMS研究表明,这种兴奋性的升高发生在肌肉收缩前100 - 140 ms。1...
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本方案是一种新颖的、适合儿童的结合停止信号任务与经颅磁刺激(TMS)的方法,用于检测事件相关皮层抑制。临床观察表明,在多种神经精神疾病中存在运动抑制功能缺陷及停止信号任务表现不佳的现象。3 目前仅有少数研究者采用在线重复经颅磁刺激(fTMS)来探究反应抑制任务期间的皮层兴奋性与抑制性。一些研究团队已成功在Go/No-Go(GNG)任务中应用经颅磁刺激(TMS),揭示了儿童与成人皮层生理活动的差异。14,23,34 然而,GNG任务最好以相对较快的节奏进行,以在整个任务过程中引发优势运动反应,从而能够在Nogo试次中充分考察抑制控制能力。35,36 从方法学角度来看,快速进行的GNG任务对在线fTMS实验造成了困难,因为设备电容器需要时间重新充电以准备下一次刺激脉冲。例如,我们使用的单相脉冲...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由美国国家心理健康研究所(R01MH095014)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 精密游戏手柄 | 罗技 | G-UG15 | |
| 采集接口型号 ACQ-16 | Gould Instrument Systems Inc | ACQ-16 | |
| Micro1401-3 数据采集单元 | 剑桥电子设计有限公司 | 不适用 | |
| Signal version 6 软件(Windows) | 剑桥电子设计有限公司 | 不适用 | |
| 电源底座 | Coulbourn Instruments | V15-17 | |
| 带有滤波器的生物放大器 | Coulbourn Instruments | V75-04 | |
| 导电电极电缆(用于表面肌电图) | Coulbourn Instruments | V91-33 | |
| 2002 经颅磁刺激仪 | The Magstim Company Ltd | 不适用 | |
| BiStim2 模块 | The Magstim Company Ltd | 不适用 | |
| 90毫米圆形经颅磁刺激线圈 | The Magstim Company Ltd | 不适用 | |
| 演示软件(Windows) | Neurobehavioral Systems 公司 | 不适用 | |
| Windows 计算机 | 不适用 |
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