方法文章

评估目标导向 reaching 行为期间的皮质脊髓兴奋性

DOI：

10.3791/64238

⸱

2022年12月2日

 ,  ,  , 
1Department of Human Physiology, University of Oregon, 2Department of Physical Therapy/Psychological & Brain Sciences, University of Delaware

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

伸手是人类与环境互动的一项基本技能。已有许多研究致力于采用多种方法来表征伸手行为。本文提供了一种开源的经颅磁刺激应用方案，用于评估人类在执行伸手任务过程中皮质脊髓兴奋性的状态。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

伸手是运动生理学和神经科学研究中广泛研究的一种行为。尽管已通过多种行为操控手段对伸手行为进行了考察，但关于伸手动作的规划、执行与控制过程中所涉及的神经机制，目前仍存在显著的知识空白。本文所述的新方法结合了二维伸手任务、经颅磁刺激（TMS）以及来自多块肌肉的同步肌电图（EMG）记录。该方法可无创地在伸手运动进行过程中的特定时间点检测皮质脊髓活动。示例任务代码包含一个延迟反应式伸手任务，其中显示两个可能的目标，分别位于中线左右 ± 45° 处。在大多数试验中施加单脉冲 TMS，刺激时间点为准备性提示出现时（基线）或指令性提示出现前 100 ms（延迟期）。这种示例设计适用于研究伸手准备期间皮质脊髓兴奋性的变化。示例代码还包括一种视觉运动扰动（即光标旋转 ± 20°），用于探究适应对伸手准备期间皮质脊髓兴奋性的影响。任务参数和 TMS 施加时机可根据具体假设进行调整，以探讨伸手行为期间运动系统状态的相关问题。在初步实施中，83% 的 TMS 试验成功诱发出运动诱发电位（MEPs），且所有试验均记录到了伸手轨迹。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

目标导向的伸手动作是一种基本的运动行为，使人类能够与外部环境进行交互并加以操控。在运动生理学、心理学和神经科学领域，关于伸手动作的研究已产生了丰富而广泛的文献，涵盖了多种研究方法。早期的伸手研究通过在非人灵长类动物中进行直接神经记录，来探究单个神经元水平的神经活动1,2。近年来的研究则采用感觉运动适应的行为范式，以探索运动学习与控制的本质3,4,5。此类行为任务结合功能性磁共振成像和脑电图，可测量人类在伸手过程中的全脑活动6,7。其他研究已应用在线经颅磁刺激（TMS）来探究伸手准备与执行的多种特征8,9,10,11,12,13,14。然而，目前仍缺乏一种开源且灵活的方法，将伸手的行为评估与TMS相结合。尽管将TMS与行为范式结合的实用性已有充分证实15，但本文特别探讨在开源框架下TMS在伸手研究中的应用。这一方法具有新颖性，因为此前发表过此类方法组合的其他研究团队并未公开其工具，从而限制了直接重复验证的可能性。这种开源方法有助于实验的重复、数据共享以及多中心研究的开展。此外，若其他研究者希望使用类似工具探索新的科学问题，该开源代码可作为创新的起点，因其具有高度可适配性。

经颅磁刺激（TMS）提供了一种非侵入性方法，可在精确控制的时间点探测运动系统16。当刺激施加于初级运动皮层（M1）时，TMS可在目标肌肉的肌电图中引发可测量的偏转。该电压波的幅度被称为运动诱发电位（MEP），可作为皮质脊髓（CS）通路瞬时兴奋性状态的指标，反映了作用于CS通路的所有兴奋性和抑制性影响的综合结果17。除了能够可靠地测量个体内部固有的CS兴奋性外，TMS还可与其他行为或运动学指标结合使用，以精确的时间分辨率研究CS活动与行为之间的关系。许多研究已采用TMS与肌电图（EMG）相结合的方法，探讨了关于运动系统的多种问题，尤其是因为这种组合方法使得在大量不同的行为条件下研究MEP成为可能15。其中，这一技术在动作准备研究领域尤为有用，通常通过单关节运动的研究来实现18。然而，针对诸如伸手动作等更接近自然的多关节运动的TMS研究相对较少。

本研究的目标是设计一种延迟反应伸手任务，该任务包含行为运动学、在线单脉冲经颅磁刺激（TMS）施加以及对多块肌肉的同时肌电图（EMG）记录。该任务采用二维点对点伸手范式，通过水平放置的显示器提供在线视觉反馈，使视觉反馈与实际伸手轨迹相匹配（即在真实反馈条件下视觉反馈与运动之间保持1:1对应关系，且无需进行任何变换）。当前设计还包括一组带有视觉运动干扰的试验。在所提供的示例中，这种干扰表现为光标反馈发生20°的旋转偏移。以往研究已采用类似的伸手范式，用于探讨与感觉运动适应相关的机制和计算过程19,20,21,22,23,24,25。此外，该方法能够在在线运动学习过程中精确的时间点评估运动系统兴奋性的动态变化。

由于伸手动作已被证明是研究学习与适应行为的有益范式，因此在该行为背景下评估皮质脊髓兴奋性，有望深入揭示参与这些行为的神经基础。这些神经基础可能包括局部抑制性影响、神经元调谐特性的改变、神经事件的时间动态等，这些已在非人灵长类动物研究中得到证实。然而，这些特征在人类及临床人群中的量化仍较为困难。此外，在人类中，还可通过联合使用经颅磁刺激与肌电图技术（即在运动准备期或静息状态下），在无明显运动输出的情况下探究神经动态活动。

所介绍的工具为开源工具，其代码易于修改和适配。这一新型研究范式将有助于深入理解到达运动在准备、执行、终止和适应过程中所涉及的机制。此外，该方法组合有望揭示人类电生理活动与到达行为之间的关联。

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方案

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此处详述的所有方法均符合机构审查委员会（IRB）协议并获得批准（俄勒冈大学IRB协议编号：10182017.017）。已从所有受试者处获得知情同意。

1. 抓取装置

  1. 将大型绘图板平放在桌面上。
  2. 使用可调节的80-20铝合金支架，将任务显示器平行置于绘图板上方6-8英寸处，屏幕朝上（如需设计图纸，请访问此处：https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS 和 补充图1）。
    注意：该设置允许受试者在遮挡其手臂视觉的情况下，通过绘图板进行伸手操作，并获取任务显示器上呈现的目标。
  3. 参考Kim等人的研究3中描述的实验装置。

2. 机器接口

  1. 将平板电脑连接到计算机 通过 一个USB端口。将任务监视器连接到计算机 通过 HDMI端口。将后部的TMS端口连接到计算机 通过 一条DB-9电缆。
  2. 将肌电图系统连接到计算机 通过 PCI-6220数据采集卡。将光电二极管连接至肌电图系统 通过 BNC 电缆

3. 光电二极管传感器

  1. 将光电二极管传感器连接到 BNC 电缆。用胶带将光电二极管传感器固定在任务显示器的右上角，传感器面向屏幕，距离 ≤ 1 cm。
    注意：这将作为模拟信号在独立输入通道中记录任务显示器上呈现刺激的时间。

4. 软件

  1. 下载适用于 MATLAB 2018 的 VETA Toolbox26（https://github.com/greenhouselab/Veta），以连接硬件并进行数据采集。
  2. 下载为控制实验参数并与平板电脑连接而开发的抓取任务代码（https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS）。

5. 受试者筛选与知情同意

  1. 对受试者进行经颅磁刺激（TMS）禁忌证筛查。排除标准包括个人或家族癫痫史、头痛、脑外伤、晕厥、慢性应激或焦虑、睡眠障碍，以及正在使用任何神经活性药物。其他排除标准包括颅脑内有任何金属植入物，以及在测试前24小时内使用过任何娱乐性药物或酒精。纳入标准为右利手，年龄在18至35岁之间。
  2. 向受试者提供有关操作流程及相关风险的书面说明，并解答其可能提出的任何疑问。
  3. 获得受试者的知情同意。

6. 受试者准备

  1. 让受试者坐在椅子上，面朝平板电脑，保持舒适姿势。确保膝盖弯曲呈90°，双腿置于桌下。
  2. 准备皮肤并放置肌电图（EMG）电极。
    1. 使用细砂纸轻轻擦拭右手第一骨间背侧肌（FDI）、桡侧腕伸肌和前三角肌的皮肤部位，以及颈部基底部的C4突起处，以检测经颅磁刺激（TMS）脉冲产生的电伪迹。
      注意：可根据使用者需求调整肌电记录部位。
    2. 每个电极放置部位使用酒精棉片擦拭一次，进行清洁。
    3. 在每个部位放置一个EMG电极，确保电极方向与肌纤维垂直。将接地电极置于右侧肘部的骨性突起处。
    4. 用医用胶带固定每个电极。
  3. 检查肌电图记录质量。使用VETA工具箱查看所有肌电图信号，确保无伪迹。若肌电图信号噪声较大，需确认接地电极位置正确，并确保所有电极与皮肤接触良好。

7. 经颅磁刺激

  1. 打开经颅磁刺激（TMS）设备。
  2. 找到右侧固有指伸肌的TMS热点 通过 左侧M1的刺激
    1. 将线圈置于颅顶外侧约 5 cm、前方约 2 cm 处，方向与正中线成约 45° 角。
    2. 每4秒给予一次TMS脉冲，同时在前后方向和内外侧平面上以约5 mm的间距逐步移动线圈。
    3. 从最大刺激器输出的30%开始，以2%的增幅逐步增加经颅磁刺激（TMS）强度，直至观察到运动诱发电位（MEPs）。
    4. 一旦确定了可在大多数（约75%）脉冲下以尽可能低的刺激器强度稳定引出运动诱发电位（MEP）的最佳位置，通过寻找能够产生峰-峰振幅为 >10次脉冲中有5次达到50 µV。
    5. 在受试者头部沿线圈边缘轻轻贴上细条状反光胶带以标记位置。通过手动握住线圈或使用支架支撑来保持线圈定位。

8. 抓取任务设置

  1. 让参与者在右手戴上魔术贴手套，以帮助维持放松的握力姿势。
  2. 将触控笔固定在手套上，并指导受试者在每次伸手动作之间保持手部放松。
  3. 向受试者说明任务要求，内容如下：将光标引导至屏幕底部的起始位置。您会看到其中一个目标位置出现提示。当目标区域被颜色填满时，请尽快且准确地用光标穿过目标，然后返回起始位置。指出起始位置、提示和目标的位置（图1A）。
  4. 指导参与者尽快且准确地用触控笔穿过目标。关闭任务室内的灯光，以遮蔽参与者对手臂运动的视觉观察，同时提高任务显示器的可见度。

9. 任务设计

  1. 使用 Matlab 2018 中的 Psychtoolbox 3.0 控制视觉刺激的呈现（补充编码文件 1）。
  2. 采用以下参数以匹配当前数据：20 次练习试验；270 次测试试验；在 4/5 的测试试验中施加 TMS；TMS 以相同频率分别与准备性线索 onset 同步（基线 TMS）或在指令性线索前 100 ms 施加（延迟 TMS）；总试验次数的 1/10 为捕获试验，其中不出现指令性线索；起始位置为位于工作区底部中央、半径为 2 cm 的圆形；两个半径为 1 cm 的圆形目标分别位于距起始位置 15 cm、与中线呈 +45° 和 -45° 的位置。
  3. 事件顺序和持续时间设置如下：准备性线索持续 900 ms，指令性线索持续 900 ms。

10. TMS 给予

  1. VETA 工具箱可同时进行经颅磁刺激（TMS）并记录肌电图（EMG） https://github.com/greenhouselab/Veta。
  2. 使用 VETA 工具箱控制 TMS 脉冲的时序，使其与选定的行为事件同步（例如准备性提示的起始时刻，或目标出现前 100 ms）。
  3. 以足够高的频率施加 TMS，以确保获得足够数量的运动诱发电位（MEP）用于分析。
    注意：当前任务代码将在全部试验的 4/5 中施加一次 TMS 脉冲，脉冲时间点可选在准备性提示开始时（用于诱发基线 MEP）或在指令性提示出现前 100 ms（用于诱发延迟 MEP）。参数可根据用户需求在代码中进行调整。未施加 TMS 的试验可用于评估无 TMS 干预时的行为表现，这有助于判断 TMS 是否对行为表现产生任何可能的影响。

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结果

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成功实施所述方法包括记录平板数据、肌电图（EMG）轨迹以及可靠地诱发出运动诱发电位（MEP）。一项实验已完成，共包含270次测试试验，其中在4/5的试验中施加了经颅磁刺激（TMS）（共216次试验）。

数据来自16名参与者（8名女性；8名男性），年龄为25 ± 10岁，所有参与者均自报为右利手。我们通过为一名代表性参与者建立学习曲线，评估视觉扰动对行为表现的影响效果。这些数据如图1B所示，显示该参与者的手部目标误差按预期响应了扰动及消退条件。我们还评估了基线阶段伸手动作中目标误差的标准差，约为4.5°（图1B），这与以往研究结果一致24。

每次试验中施加一次经颅磁刺激（TMS）脉冲。其中一半脉冲在基线期施加，另一半在准备延迟期施加（图2A）。每位参与者平均成功记录到91 ± 23个基线期运动诱发电位（M...

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讨论

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上述方法为研究伸手行为背景下运动准备提供了一种新颖的途径。尽管伸手动作是运动控制与学习研究中常用的一种模型任务，但仍需精确评估与伸手行为相关的皮质兴奋性（CS）动态变化。经颅磁刺激（TMS）提供了一种无创且时间精度高的方法，可在伸手过程中的特定时间点捕捉皮质兴奋性活动。本文所述的方法将TMS与伸手行为两个独立的研究领域结合为一个统一的实验范式，实现了运动学与电生理学指标的同步记录。

尽管上述方法有望揭示在伸手动作背景下动作控制的重要机制，但仍存在某些局限性和注意事项。最重要的是，运动诱发电位（MEP）测量的可靠性取决于经颅磁刺激（TMS）施加前肌电图（EMG）活动的稳定性，以及所采集的MEP数量27。在数据采集前，必须对EMG数据质量进行评估。为了获得足够的统计效能，建议每种任务条件下至少采集20次MEP测量值。此外，虽然MEP的变化反映了皮质脊髓（CS）兴奋性的定量变化，但由于TMS技术本身及其引发的MEP仅能提供对CS活动的一种较为粗略的总体性指标，因此其与行为之间的因果关系应谨慎解释

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披露

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所有作者声明不存在利益冲突

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究部分得益于奈特校区本科生学者计划以及菲尔和佩妮·奈特基金会的慷慨资助

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2端口原生PCI Express StarTech.com带16950 UART的RS232卡 必须与台式计算机兼容
可调节80-20铝制框架任意
酒精消毒片任意肌电图准备
Bagnoli双极电极DelsysDE 2.1
Bagnoli参考电极DelsysUSX20002” (5cm) 圆形
Bagnoli-8肌电系统Delsys
椅子任意
用于肌电/经颅磁刺激的计算机显示器无
桌子任意
台式计算机Dellxps 8930内存：16 GB，存储：1TB，显卡：1060 6GB 
肌电电极Delsys传感器粘合接口
细粒度砂纸任意肌电准备
绘图板WacomIntuos-4 XL
油漆滚筒手柄任意用作触控笔手柄，中空部分需足够大以使触控笔稳固插入 
医用胶带任意用于固定肌电电极
PCI-6220数据采集卡National Instruments用于连接肌电系统
光电二极管传感器VishayBPW21R用于记录任务事件在肌电信号中的时间点
经颅磁刺激后端接口Magstim随经颅磁刺激设备提供
右手用聚乙烯手套任意剪下手套的拇指和食指部分以暴露第一背侧骨间肌
双槽传感器粘合接口DelsysSC-F01
触控笔WacomIntuos-4握持笔
平板电脑至计算机USB线缆 任意随平板电脑购买附带
任务显示器华硕VG248
经颅磁刺激线圈MagstimD70远程线圈直径7cm，8字形线圈
经颅磁刺激设备Magstim200-2
经颅磁刺激至计算机DB9线缆任意连接至PCIe串行卡
魔术贴任意用于粘贴在手套和触控笔手柄上

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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