Artículo de método

Protocolo de estimulación magnética transcraneal en línea para la medición de fisiología Cortical asociada con la inhibición de respuesta

DOI:

10.3791/56789

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8 de febrero de 2018

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1College of Medicine, University of Cincinnati, 2Division of Neurology, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 3Division of Psychiatry, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 4Center for Neurodevelopmental and Imaging Research, Kennedy Krieger Institute

En este artículo

Resumen

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Se describe un procedimiento experimental para cuantificar la excitabilidad e inhibición de la corteza de motor primaria durante una tarea de inhibición de la respuesta de motor mediante el uso de la estimulación magnética transcraneal en el curso de una tarea de señal de parada.

Resumen

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Describimos el desarrollo de una tarea de inhibición de respuesta motor niños reproducible, adecuado para la caracterización de estimulación magnética transcraneal (TMS) en línea de excitabilidad de la corteza motora primaria (M1) y la inhibición. Inhibición de la respuesta de motor impide acciones indeseadas y es anormal en algunas afecciones neuropsiquiátricas. TMS es una tecnología no invasiva que puede cuantificar M1 excitabilidad e inhibición mediante protocolos de pulso único y emparejado y puede ser programada precisamente a estudiar fisiología cortical con alta resolución temporal. Modificamos la tarea original de la señal de la parada de Slater-Hammel (C-S-H) para crear una versión de "carreras" con pulsos de EMT acontecimientos tiempo-bloqueada a la prueba. Esta tarea es, con cada iniciación de juicio después de un empuje de botón para mover el coche de carreras hacia la meta de 800 ms. IR los ensayos requieren un dedo-lift para parar el coche de carreras antes de este objetivo. Intercaladas al azar hay parada de ensayos (25%) durante el cual la señal de parada dinámicamente ajustado solicita temas para prevenir la elevación de dedos. Los ensayos van, TMS pulsos fueron entregados en 650 ms después del inicio del juicio; Considerando que, para detener los ensayos, los pulsos de EMT ocurrieron 150 ms después de la señal de parada. Los tiempos de los impulsos de TMS eran decididos en base en estudios de electroencefalografía (EEG) que muestran cambios relacionados con el evento en estos intervalos de tiempo durante las tareas de señal de parada. Esta tarea se estudió en 3 bloques en dos sitios de estudio (n = 38) y se registraron el rendimiento conductual y potenciales acontecimiento-relacionados de motor evocado (MEP). Modelos de regresión se utilizaron para analizar amplitudes MEP utilizando la edad como covariable con varias variables independientes (sexo, estudio de sitio, bloque, pulso TMS [solo-vs junto-pulso], prueba condición [GO, exitosa parada, error STOP] de la condición). El análisis mostró que TMS de pulso condición (p < 0.0001) y su interacción con la condición de ensayo (p = 0,009) fueron significativas. Futuras aplicaciones de este paradigma S-H/TMS en línea incluyen la adición de adquisición simultánea de EEG para medir potenciales de TMS-evocados EEG. Una limitación potencial es que en los niños, el sonido del pulso TMS puede afectar su rendimiento de tarea conductual.

Introducción

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Inhibición de respuesta es la habilidad para selectivamente prevenir acciones no deseadas que pueden interferir con los objetivos funcionales. 1 la red cortico-estriatal está implicada críticamente en inhibición de respuesta, que progresivamente se vuelve más eficiente como hijos maduros pero está deteriorada en los numerosas afecciones neuropsiquiátricas tales como trastorno de hiperactividad de déficit de atención) TDAH), trastornos, trastorno obsesivo compulsivo y esquizofrenia de aprendizaje. 2 , 3 inhibición de la respuesta de motor puede ser examinada con diferentes paradigmas conductuales como tareas Go/NoGo (GNG) y señal de parada (SST). 1 , 4 datos conductuales solo no proporcionan información sobre los mecanismos biológicos potencialmente modificables, cuantificables. El objetivo primordial en el presente estudio fue desarrollar un método amigable del niño para evaluar la fisiología de la corteza motora durante la ejecución de inhibición de respuesta, con el fin de desarrollar un biomarcador cuantitativo basado en el cerebro del sustrato neural de esta tarea. Estos biomarcadores podrían tener amplia aplicación en los estudios predictivos de pronóstico o tratamiento de los trastornos neuroconductuales.

Para ello, los investigadores seleccionan y modificación la tarea de Slater-Hammel (C-S-H)5. Esta es una tarea de señal de parada que requiere que los participantes inhibir una acción preprogramada generada internamente. Esta tarea al propio ritmo consiste en ensayos de marcha y parada. Ensayos IRÁS son iniciados por el tema pulsando y manteniendo la presión sobre un botón, con la instrucción de levantar el dedo del botón (es decir, acción de ir) como a pero antes de la meta de 800 ms. En el paradigma original, se indica tiempo en un reloj con una mano rota rápidamente. Ensayos de parada al azar se entremezclan entre los ensayos de ir durante el cual la persona debe inhibir la acción de ir previamente planificada (es decir, prevenir la elevación del dedo). La tarea de la señal de stop es más difícil porque los temas tienen que inhibir una respuesta en el contexto de una señal de ir previamente programado, mientras que en la tarea GNG, la decisión es si iniciar o no iniciar una acción con ningún comando previo. 6 por otra parte, puede ser más preciso para investigar la inhibición de respuesta mediante tareas de señal de parada porque en la tarea GNG, correlaciones consistentes entre señales y respuestas pueden resultar en inhibición automática. 7 inhibición automática es la teoría que constante mapeo entre señal y respuesta (es decir, señal de ir siempre resulta en una respuesta GO y viceversa) conduce a un procesamiento automático a través del curso del experimento tal que los ensayos de parada parcialmente procesados a través de la recuperación de la memoria y omite algunos controles ejecutivos. 8 , 9

La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una tecnología no invasiva que puede utilizarse para medir la fisiología cortical. Utilizando paradigmas de estimulación de pulso único y emparejados, uno puede cuantificar la inhibición y la excitabilidad cortical. Aunque más estudios TMS investigar fisiología cortical en reposo, algunos grupos han examinado la inhibición de la excitabilidad cortical durante la preparación mental para la acción10 y durante diferentes Estados cognitivos que pueden verse reflejados en el motor Fisiología de la corteza. 11 , 12 , 13 , 14 este enfoque funcional de TMS (FTM) requiere medidas de TMS en línea mientras los participantes realizan tareas conductuales, permitiendo una sonda cortical cambios que son dependientes de estado con alta resolución temporal. Proporcionando información en tiempo real sobre los cambios neurofisiológicos de manera amplía la investigación fisiológica de15,de control de motor16 y condiciones neuropsiquiátricas17,18, 19,20.

FTM previo estudios han explorado los mecanismos corticales de la inhibición de respuesta en los adultos sanos con GNG14 y SST tareas15,16,21. Además, un estudio demostró que una dosis de metilfenidato cambiado motor fisiología cortical de adultos sanos durante un experimento de FTM/GNG. 22 hasta la fecha, hay dos grupos que se han publicado estudios de FTM pediátricos utilizando la tarea GNG para caracterizar fisiología cortical de TDAH23 y síndrome de Tourette17. No existe ningún estudio publicado FTM utilizando la SST en la población pediátrica.

Una cuestión crítica en estudios de FTM, a un grado mucho mayor que el resto solo estudios TMS, es artefacto muscular. Medidas estandarizadas electromiografía de superficie (EMG) de amplitud y latencia de los potenciales evocados motor (MEP) no deben ser contaminadas por artefacto muscular. Así, por ejemplo, para estudiar cambios corticales en la preparación de un movimiento en un estudio de tiempo de reacción, pulsos de EMT deben ser precisamente tiempo para ocurrir después de una señal de ir, pero antes de tiempo de reacción de un individuo. Así en cualquier tarea, es fundamental para asegurar que TMS pulsos se producen en un momento cuando la respuesta de motor aún no ha comenzado, y que el participante es cómodo y capaz de mantener el correspondiente músculo en reposo. Esto puede ser muy problemático con los niños hipercinéticos que naturalmente pueden tener movimientos extraños y que pueden mantener su brazo y la mano tensado a lo largo de un tiempo de reacción juego.

El objetivo del presente estudio es desarrollar una versión de la SST de Slater-Hammel que niños y apropiada para estudiar la fisiología de la corteza motora primaria (M1). Esta tarea debe ser 1) fácilmente comprensible para los niños, 2) relativamente fáciles de completar para los niños y 3) compatible con memorias de traducción en línea.

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Protocolo

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Este protocolo fue aprobado por el centro médico del Hospital infantil de Cincinnati y estudio de Johns Hopkins de comités de revisión institucional como un mínimo riesgo en niños y adultos. TMS de pulso único y emparejado se considera como seguro en niños de 2 años y mayores por consenso de expertos internacional. 24 luego de explicar los riesgos potenciales de la EMT al padre o tutor y el participante, acepta y formularios de consentimiento están firmados si están de acuerdo proceder con el estudio.

1. proyección e introducción

  1. Temas de pantalla para TMS contraindication(s) usando un cuestionario estandarizado. 25
  2. Mostrar cómo TMS trabaja entregando un pulso electromagnético sobre el antebrazo del operador.
  3. Entrega un pulso TMS sobre antebrazo del participante para que él o ella puede sentir el pulso.
  4. Coloque tapones en los oídos de los participantes para protección auditiva.

2. configuración de plomo de EMG de superficie y posicionamiento de la mano

  1. Tienen el tema secuestran el dedo índice dominante para identificar el primer músculo interosseous dorsal (IED). Coloque el electrodo negativo sobre el vientre de la IED, a continuación, coloque el electrodo positivo entre 2nd 3 empalmes metacarpophalangeal (MCP) derd y el electrodo de tierra sobre la 5th MCP conjunta.
  2. Coloque las manos del participante aspectos cubital de ambos brazos y las manos apoyadas totalmente en una almohada, sin esfuerzo contra gravedad necesaria (figura 1).
  3. Tener el participante extender el dedo índice dominante mientras que el tercer quinto dedos se flexionan. Luego coloque una almohadilla de juego en la almohada para que el dedo índice se apoya sobre el botón que se usa para la tarea de C-S-H de coche de carreras. El fundamento de esta posición de la mano es que la acción de ir requiere la activación de la IED para levantar el dedo índice el botón de apagado. Por lo tanto, grabación trazado EMG de la IED dominante sonda M1 excitabilidad e inhibición para ir y parar ensayos respectivamente.

3. adquisición de datos TMS línea de base

  1. Definir los parámetros de grabación para grabación de MEP - baja y alta pasan filtros de 100 y 1000 Hz, frecuencia de muestreo de 2 kHz.
  2. Obtener mediciones de TMS iniciales utilizando una bobina TMS circular de 90 mm posicionada tangencialmente en el cráneo sobre el vértice con el mango apuntando hacia el occipucio en la posición óptima y orientación para la producción de un diputado la derecha IED por estándar siguiente Protocolo. 26 esta orientación y posición de la bobina deben producir una corriente inducida de posterior a anterior sobre M1.
    1. Utilice un lápiz de cera para marcar la ubicación del cuero cabelludo una vez al punto de acceso se encontraba para asegurar que la entrega de pulso TMS se produce en la misma región cortical.
  3. Realizar veinte ensayos27 de base single-pulso (sp) TMS inducida por los eurodiputados de la IED con las dos manos en reposo con una intensidad de 120% de RMT.
  4. Realizar 20 ensayos de referencia pulso apareado TMS las medidas de inhibición intracortical de intervalo corto de M1 (SICI) en reposo usando intervalo inter-estímulo de 3 ms, 60% * RMT como el acondicionado del pulso intensidad y 120% RMT como la intensidad de pulso de prueba para cuantificar M1 inhibitoria del GABAA-actividad interneuronal ergic. 28 , 29 , 30 establecer el intervalo Inter-ensayo para mediciones iniciales a 6 ± 0,3 segundos.

4. S H tarea conductual

  1. Mostrar la tarea de inhibición de respuesta carreras C-S-H en un monitor directamente delante del sujeto. Empezar el experimento por los primeros temas de formación en la tarea conductual. Dile al tema que el coche en el lado izquierdo de la pantalla empezará a moverse después de que el botón es presionado por aducción del dedo índice dominante (figura 2A).
  2. Dígale a los participantes que el objetivo de ir ensayos es levantar el dedo tan cerca pero antes de que el ms 800 blanco como se muestra por una línea vertical en la pantalla. La pantalla mostrará "Buen trabajo" Si levanta dedo se produce entre 700 y 800 ms, de lo contrario se mostrarán "Demasiado pronto" o "Demasiado tarde". Han el participante practica 10 ensayos de GO.
  3. Capacitar para la tarea STOP diciéndole a los participantes que la segunda serie de ensayos implica el coche parando aleatoriamente antes de la meta de 800 ms.
    1. Dígale al niño que mantenga su dedo índice sobre el botón sin levantar el dedo cuando el coche se detiene al azar. Para tener éxito en estos ensayos de parada, el dedo debe permanecer en el botón hasta una bandera checker se ve que está programado para aparecer 1000 ms después del comienzo de cada ensayo. Informar a los participantes que si se presenta la señal de parada y dedo se levantó ante la bandera checker, aparecerá un mensaje "Muy pronto". Dígale al niño que un "Gran" mensaje se mostrará después de exitosos ensayos de parada.
    2. Que el niño practica 10 ensayos de parada.
      Nota: El programa cuenta con un algoritmo de seguimiento dinámico. En el experimento real después del entrenamiento, la primera señal STOP se produce en la Sra. 500 si el participante no un ensayo de la parada, entonces el juicio de parada siguiente será más fácil (es decir, la señal de parada desplazará 50 ms de la meta de 800 ms). Sin embargo, si el juicio de parada fue correcta, entonces el próximo ensayo de parada será más difícil (es decir, la señal de parada desplazará 50 ms hacia el objetivo). Este proceso de seguimiento dinámico asegura que al final de todo el experimento, aproximadamente el 50% de los ensayos de parada tendrá éxito mientras que la otra mitad sería ensayos fallidos. La señal de parada está programada para ajustar entre 300 y 700 ms después de comienzo del juicio.
  4. Después de que los participantes practican ensayos de marcha y parada, les digo que el siguiente bloque de práctica contiene una mezcla de los ensayos de marcha y parada. Que el niño realizar 20 ensayos de ir mezclado y parada como una práctica final.

5. online experimento S-H/TMS

  1. Antes de iniciar el experimento S-H/TMS en línea, recordar al participante a aducción (empujar hacia abajo) el dedo índice dominante para iniciar el juicio, secuestrar (Levante) dedo para ir ensayos y mantenga el dedo en el botón para parada de ensayos. La aducción del dedo índice fue elegida para iniciar y mantener el movimiento del coche durante cada ensayo porque en el momento de los pulsos de EMT (figura 2A y 2B), sería el antagonista primer músculo interosseous dorsal (IED), donde se coloca el plomo de EMG, descanso, reduciendo así la probabilidad de artefacto de movimiento en el trazo de la IED.
  2. Dile al participante que TMS pulsos serán entregados durante la tarea de C-S-H. Indicar el tema que habrá 3 bloques de ensayos en línea de S-H TMS (3 ir: 1 relación prueba de parada).
    Nota: Durante los ensayos GO, pulso TMS está programado para entregarse en 650 ms después del comienzo de cada ensayo. Este tiempo es inicialmente seleccionado en base a estudio previo de la TMS que demuestra que aumento en M1 excitabilidad asociada con movimiento de preparación puede ser capturado en esta gama. 10 para detener los ensayos, pulso TMS se entrega 150 ms después de la señal de parada. En exitosos ensayos de parada, el dedo índice no levante el botón por lo tanto, la M1 capturados excitabilidad refleja actividad cortical relacionada con la respuesta inhibición en vez de motor de preparación o ejecución.
  3. Coloque la bobina circular de 90 mm sobre el vértice utilizando la anterior marca de lápiz de cera preferentemente estimular M1 dominante y establecer el condicionamiento intensidad al 60% del pulso * pulso RMT y prueba a 120% * RMT. Comenzar el experimento S-H/TMS en línea. Los niños del tiempo requerido para terminar 120 ensayos es generalmente 30-40 minutos.

6. carreras Slater-Hammel datos conductuales

  1. Los ensayos van, determinar el tiempo de reacción como el dedo-levanta el tiempo en relación con el principio de cada ensayo. Promedio de cada bloque. Ensayos de parada, el dedo-levanta el tiempo determina el éxito, mientras que el coche deje de tiempo de señal (es decir, dejar señal de retraso; SSD) es el intervalo de tiempo desde el inicio del juicio hasta el punto donde el coche se detiene al azar. Debido al proceso de seguimiento dinámico, el tiempo de la señal de parada converge hacia un promedio de éxito/error de ~ 50%.
  2. Calcular el tiempo de reacción de señal de Stop (SSRT) restando el tiempo promedio de parada de coche desde el momento de elevación de dedo medio en los ensayos GO (SSRT = tiempo de reacción promedio de GO – promedio de tiempo de señal de parada [es decir, SSD]). Promedio el SSD por el bloque y calcular un SSRT para cada bloque.

7. memorias de traducción informática

  1. Cuantificar TMS durante cada ensayo produce un diputado con amplitud pico-pico medida en milivoltios. Excluyen los ensayos para los artefactos de movimiento (áreas de EMG bajo la curva mayor que 70 microvoltios sobre 100 ms) antes del pulso TMS.

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Resultados

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Análisis de regresión se realiza utilizando un paquete comercial de software estadístico para analizar los datos neurofisiológicos y conductuales por separado. Los datos representativos están de 23 por lo general desarrollo de niños de Cincinnati y a 15 de Baltimore (25 hombres, 13 mujeres). Edad no difirió entre el sitio (10,3 ± 1,3 años para Cincinnati y 10,4 ± 1,2 años Baltimore, t test p = 0,74)

Se utilizó un modelo de regre...

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Discusión

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Este protocolo es un método novedoso de amigos de la infancia de combinar una tarea de señal de parada y TMS para examinar la inhibición cortical relacionado con eventos. Observación clínica de los déficits inhibitorios motor y bajo rendimiento en tareas de señal de parada se han demostrado en numerosas afecciones neuropsiquiátricas. 3 relativamente pocos investigadores han utilizado FTM en línea para estudiar la excitabilidad cortical y la inhibición durante las tareas de inhibición de respuesta....

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Salud Mental (R01MH095014).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Gamepad de precisiónLogitechG-UG15
Interfaz de adquisición modelo ACQ-16Gould Instrument Systems IncACQ-16
Micro1401-3 Unidad de adquisición de datosCambridge Electronic Design LtdNo aplicable
Software signal versión 6 (Windows)Cambridge Electronic Design LtdNo aplicable
Base de alimentaciónCoulbourn InstrumentsV15-17
Bioamplificador con filtrosCoulbourn InstrumentsV75-04
Cables de electrodos conductores (para EMG de superficie)Coulbourn InstrumentsV91-33
2002 Dispositivo TMSThe Magstim Company LtdNo aplicable
Módulo BiStim2El Magstim Company LtdNo aplicable
Bobina TMS circular de 90 mmThe Magstim Company LtdNo aplicable
Software de presentación (Windows)Neurobehavioral Systems IncNo aplicable
OrdenadorNo aplicable
Windows

Referencias

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