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

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2022年12月2日

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

本文内容

摘要

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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

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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

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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
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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

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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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E.

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