Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Intracortical ингибирования в рамках первичной моторной коры можно модулировать, изменив в центре внимания

Published: September 11, 2017 doi: 10.3791/55771
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Medicine, Movement and Sport Sciences, University of Fribourg

Summary

С помощью двух различных транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) протоколов, эта рукопись описывает, как измерить и сравнить коркового торможения в рамках первичной моторной коры при принятии различных внимания очагов.

Abstract

Общепризнано, что внешний фокус (EF) по сравнению с внутреннего внимания (если) улучшает производительность и Мотор обучения. Исследования показали, что преимущества в точности, баланс, силу производства, прыжки, производительность, скорость движения, потребление кислорода и утомительна задачи. Хотя поведенческие итоги использования стратегии EF хорошо изучены, основной нейронные механизмы остаются неизвестными. В недавнем исследовании TMS сравнить деятельность первичной моторной коры (М1) между EF и IF. Точнее это исследование показало, что при принятии EF, повышается активность intracortical тормозной цепи.

На уровне поведения настоящий Протокол испытаний влияние внимания очагов на время сбоя задачи (TTF) при выполнении субмаксимальных схватки Первый спинной межкостной (ПИИ). Кроме того Настоящий документ описывает два TMS протоколы для оценки влияние условий внимания на деятельности корковых тормозной цепи в пределах M1. Таким образом в настоящей статье описывается использование TMS сингл пульс при интенсивности ниже порога мотор (subTMS) и в паре пульс TMS, вызывая короткий интервал intracortical ингибирование (SICI) при применении к автомагистрали M1. Как предполагается, что эти методы отражения реакции ГАМК ингибирующих нейронов, без пострадавших спинной рефлекс контуры, они хорошо подходят для измерения активности intracortical тормозной цепи в пределах M1.

Результаты показывают, что направлять внешне внимание улучшает производительность двигателя, как участники смогли продлить время сбоя задачи. Кроме того результаты сопровождали большие subTMS индуцированной электромиографии подавления и SICI при принятии EF по сравнению с IF. Как ранее уровень коркового торможения в M1 была продемонстрирована влиять на производительность двигателя, расширенной ингибирование с EF может способствовать лучше движения эффективности наблюдается в поведенческих задач, обозначается длительного ТЦФ с EF.

Introduction

Сейчас общепризнано, что приняв EF по сравнению с IF или нейтральных фокус внимания способствует мотор производительность и обучение в многочисленных настроек1. Это было показано, например, что приняв EF приводит к выгодам в точности2,3, баланс4,5,6, силы производство7,8, прыжки производительности 7 , 9 , 10 , 11, движения скорость12,13,потребление кислорода14и fatiguing задачи15,16.

С другой стороны так как активация мозга является основой всех движений, исследованы некоторые аспекты нейронных контроля движения. Например уровень и возможность модулировать intracortical ингибирования в M1 было показано иметь сильное влияние на моторную функцию, например interlimb координации17, постурального контроля18и ловкости19. Кроме того населения с беднее способностей управления двигателем, чем молодые взрослые, например престарелых предметов или детей (рожденных недоношенными20), обычно показывают, что менее выраженный тормозного управления. Таким образом хотя роль ингибирующее процессов не еще хорошо понимали, тормозящий процессов тем не менее представляются важными для качество мотор исполнения в целом.

Возможность исследовать intracortical тормозной контуры является использование неинвазивной транскраниальной магнитной стимуляции (TMS). Наиболее часто используемые стимуляции протокол применяется в паре пульс TMS (ppTMS) чтобы побудить SICI. Этот протокол использует принадлежности стимул ниже порога двигателя для уменьшения амплитуды suprathreshold управления стимул ответ вызвал с interstimulus интервалом 1-5 ms21,,2223 , 24. Затем, сообщил, как процент управления стимул, можно сравнить амплитуд Мотор evoked потенциалов (MEP) через условия, давая информацию о корковой ингибиторная активность и модуляции в пределах M1.

Другой стимуляции протокол для оценки активности ингибирующих цепей intractortical применяется единый импульсов, где все раздражители, доставляются в интенсивности ниже мотор порога (например, subTMS). Этот протокол вызывает подавление в текущих ЭМГ активности18,25,26. Это так называемые subTMS индуцированной ГРП подавления можно сравнить с точки зрения количества и продолжительности. Хотя этот протокол используется не так часто, он имеет определенные преимущества по сравнению с стандартный протокол SICI. Этот протокол не беспокоить мотор исполнения, как это не вызвать suprathreshold раздражителей. Оба метода тестирования реакции intracortical гамма - аминомасляная кислота (ГАМК) ингибирующее интернейронов23,27.

Несмотря на хорошо известные преимущества использования EF по сравнению с IF на мотор исполнения1основных нервных процессов остаются практически неизвестны. В бывшей МР-томографию исследования28было показано, что активации (BOLD) зависит от уровня кислорода в крови было улучшено в M1, начальных соматосенсорные, и островную коре когда предметы выполнены палец последовательности и принял EF по сравнению с IF. Как возбуждающим и ингибиторная активность не может быть дифференцированы по МР-томографию29, еще недавно исследования16 предусмотрено, что расширение деятельности в M1, связанные с EF в самом деле, можно благодаря расширенной деятельности intracortical тормозной цепи. Точнее это исследование показало, что возбудимость ингибирующих нейронов ГАМК может мгновенно модулированные по типу внимания фокус, принятый в одно и то же лицо.

Основной целью настоящего Протокола является показать два возможных пути для сравнения непосредственных последствий когнитивной манипуляции (то есть, фокус внимания инструкций) на активность intracortical тормозной цепи в пределах M1. SubTMS и ppTMS оба используются. Кроме того этот протокол показан один из возможных способов исследовать влияние внимания очагов на моторное поведение очень контролируемым образом исследуя TTF субмаксимальных Изометрические неуклонное сокращение ПИИ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

этот протокол был одобрен Комитетом местных этики, и эксперименты, в соответствии с Хельсинкской декларации (1964).

1. этические утверждения и предмет обучения

  1. перед началом измерения, проинструктируйте всех участников о потенциальных факторов риска и цель исследования. Не дают информацию о внимания очагов, как это может повлиять на результаты. Убедитесь, что соблюдаются правила техники безопасности для применения TMS в исследования параметров 30.
    Примечание: При применении TMS, есть некоторые медицинские факторы риска, включая имплантированных электродов черепной и кохлеарных имплантантов, личные истории обморок или захват, эпилепсия, церебральный поражения, наркотиков/лекарства взаимодействиями, недавней отмены препарата, беременность, или болезни. TMS не должно осуществляться детей в.
  2. В исследовании, включают здоровых участников (n = 14) от 18 до 35 лет. Исключает объекты с любого ортопедические и/или неврологические/психических заболеваний. Убедитесь, что все участники правши.

2. Экспериментальный дизайн и установка

  1. разделить группу в двух. Поручить одной половины группы по инструкции если сначала, а затем EF инструкции в второй экспериментальной сессии (см. раздел 4.2.2 словесные инструкции). Поручить другой половины в уравновешенной порядке.
    Примечание: Эксперимент состоит из в общей сложности четыре лаборатории сессий (см. Рисунок 1), которые должны быть разделены как минимум 72 ч. Первые две сессии состоят из измерения максимальной силы (Fmax) и TTF субмаксимальных устойчивый указательный палец похищения (см. шаг 4). Третьей и четвертой сессий состоят из измерения активности ингибирующих цепи в пределах M1 во время задачи с помощью subTMS и ppTMS (см. Рисунок 1).

3. Тема подготовки

  1. место участника в регулируемый и комфортабельный стул на протяжении всего эксперимента. Поместите монитор 1 m перед участником.
  2. Место левую руку в уютной и комфортабельной позиции под столом, отдыхая на левой ноге. Если необходимо, отрегулируйте положение руки с подушкой. Поместите правую руку субъекта в заказных шину в динамометр позиции (см. Рисунок 2).
    Примечание: Здесь, шина изготовлена из термопластичных и оснащение всех участников (подробности см. 16). Кроме того, шина была задумана для ограничения числа степеней свободы лучезапястного сустава (см. рис. 2B). Допускается только движения были похищение и отведения пястно совместных указательный палец правой руки.
  3. Выравнивание палец совместных с осью вращения по индивидуальному заказу устройства. После того, как найти оптимальное положение записи вручную и сфотографировать Антеро кзади и Медио боковой позиции шину использовать сопоставимые должности в сессиях 2, 3 и 4.

4. Сессии 1 и 2: поведенческие тесты

  1. максимальной изометрического сокращения (см. Рисунок 1A ).
    1. Выравнивания осей поворота гониометра и пястно совместных и исправить гониометр, должным образом с помощью винтов (см. Рисунок 2). Поместите датчик силы таким образом, что позволяет для максимального добровольных сокращений (см. рис. 2B).
    2. Подключите ГРП (ПИИ мышцы), датчик силы и гониометр кабели к соответствующим усилитель или аналогово-цифровой преобразователь (A-D).
    3. У участника выполняют 3 максимальную изометрическую похищения указательный палец, с перерывом в 30-х годов между каждой схватке и определить Fmax.
      Примечание: Fmax определяется как самый высокий пик в силу сигнала, полученные от датчика силы. Объясните участнику что максимального сокращения состоят из постепенным увеличением силы от 0 N для отдельных максимум. Главное проинструктируйте участников выполнить изометрического сокращения против стационарных силы датчика. Участники должны похищают указательный палец на пястно совместных и нажимаем так сложно, как можно скорее против сил датчика. Промежуток времени 3-s следует за сокращение, и участники должны быть проинструктированы для поддержания максимальной силы для 2 s 16 , , 25- 26. Между каждой схватке, дать участникам перерыв 30-х.
    4. Имеют рычаг против сил датчика, не давая инструкцию о центре внимания вопросу.
      Примечание: Та же задача будет проводиться в начале сессии 2 обеспечить, что период между сессиями не изменились Fmax и положение в шину.
    5. После максимального сокращения, удалить датчик силы, позволяя указательный палец свободно перемещаться в поперечной плоскости (похищение/отведения).
    6. Вычисления Fmax от максимальную изометрическую похищения (шаг 4.1.3) с использованием исходных данных на компьютере. Определить 30% (Fmax * 0,3; заседания 1 и 2) и 10% (Fmax * 0.1; сессии 3 и 4) от Fmax.
      Примечание: Считать самый высокий пик в силу сигнала, полученные от датчика силы Fmax. В ходе следующих сессий, различные сокращения интенсивности (30% и 10%) будет рассчитываться от Fmax, полученные на этом этапе эксперимента.
    7. Заполнить бутылку воды в размере 30% от Fmax, полученные из шага 4.1.6. Приложите вес Fmax на веревке устройства (см. рис. 2а).
      Примечание: Объемная плотность массы воды – 1 кг/л Таким образом, если 30% Fmax одного участника представляет 0,4 кг, отрегулируйте вес бутылки в эквивалент 0.4 кг
  2. Устойчивого сокращения до TTF (см. Рисунок 1A ).
    1. Проинструктируйте участников о задаче.
      Примечание: Участники должны держать палец в целевой позиции, противодействия вес (см. Рисунок 2), выполнения увоза указательный палец. Задача должна быть выполнена до сбоя задачи. Сбой задачи определяется как отклонение больше чем 10 градусов от целевой позиции. Отклонение измеряется гониометра и отображаются на экране монитора (см. рис. 2B).
    2. Случайный порядок сессии (см. шаг 2.1; EF или если состояние). Устно проинструктируйте участников на адекватных условиях (если или EF).
      1. Йe состояние EF, поручить следующим: " сосредоточиться на положении гониометра. Удерживайте эту позицию как можно дольше. Когда положение гониометра изменяется, изменяется толщина красной линии на экране. Правильное положение гониометра, до тех пор, пока красная линия тонкая снова. " поручить участником " управления и сосредоточить внимание на положении гониометра " каждые 30 s.
      2. Для IF условие, поручить следующим: " сосредоточиться на позицию вашего пальца. Удерживайте эту позицию как можно дольше. При изменении положения пальца, изменяется толщина красной линии на экране. Правильное положение пальцем до тех пор, пока красная линия тонкая снова. " поручить участником " договор и сосредоточиться на его палец мышцы " каждые 30 s.
    3. Имеют Участники держат палец в целевую позицию по противодействию вес (см. Рисунок 2), выполнения увоза указательный палец. Они выполняют задачи до отказа задачи.
    4. Пресс " запись " кнопку на записи программного обеспечения, чтобы начать запись гониометр сигнала и ждать, пока задача отказа. При достижении задач отказа, нажмите " остановить запись " кнопку на записи программного обеспечения, чтобы остановить запись и сохранить гониометр сигнал на компьютере. Удалить участника ' s руку от ортопедические шины; Первая сессия закончилась.
    5. Соблюдения минимального периода между сессиями (72 h), повторите шаги 4.2.1-4.2.4. Кроме того, позволяют как минимум 72-h перерыв между 2 и 3 и сеансов 3 и 4.

5. Сессии 3 и 4: стимуляция мозга

  1. поверхности записи, электромиография (sEMG).
    1. Брить волосы на кожу над правой мышцы ПИИ, при необходимости, а затем слегка стирать кожу с помощью шлифовальное гель. Лечить области прошлифовать раствором, содержащим 80% этанола и 1% глицерина. Разрешить этанола испаряться.
    2. Место Ag/AgCl биполярного поверхности электродов в живот сухожилие монтаж на ПИИ, с Межэлектродное расстояние 1-см. Место электрод сравнения на фаланги digitus medius.
    3. Подключите кабель ГРП (ПИИ мышцы) и кабель гониометр Усилитель ЭМГ и A-D конвертер.
    4. Использование Ag/AgCl биполярного поверхности электродов для записи и измерить мышечной активности и электрофизиологических реакций, вызвал путем стимуляции мозга от ПИИ мышцы.
      Примечание: Для окончательного анализа (subTMS индуцированной ГРП подавления и пик пик MEP амплитуда), ГРП сигнал (от ПИИ) должны быть скорректированы следующим образом: усиление x1000, Пенанг-полосовой фильтрации 10-1000 Гц и дегустация 4 кГц. Хранить все данные ГРП на компьютере для анализа в автономном режиме.
  2. Повторите шаги 3.1 и 3.2.
  3. Транскраниальной магнитной стимуляции
    1. исправить Светоотражающий маркеров на участник ' s лоб с двухсторонний скотч.
      Примечание: Светоотражающая маркеры позволяют постоянно доставка TMS в целевой области над M1 с помощью нейронавигация системы (см. Рисунок 2). Преимущество системы нейронавигация, что катушка позиция может быть записано относительно позиции черепа в пространстве и быть проверена в любое время на протяжении всего эксперимента.
    2. Использования катушек фокуса из восьми Рисунок 95-мм придает TMS стимулятором доставить стимулы к области контралатерального мотор корковых рук.
      Примечание: Проверьте, что стимулятор позволяет паре импульса стимуляции парадигмы (сессия 4). Кроме того индуцированный ток должен быть направлен кзади передний и должны быть доставлены в реверсном режиме. Форма волны должна быть над монофазными.
    3. Найти оптимальное положение (гиперобъект) катушки относительно черепа для вызывая моторные вызванные потенциалы (MEP) в мышцах ПИИ, выполнив процедуру классической сопоставления.
      1. Начала, поместив катушки примерно 0,5 см, предшествовавшие вершины и над средней линии, с ручкой катушки, указывая на 45 ° к контралатеральной лоб.
        Примечание: Это будет гарантировать, что индуцированный ток приблизительно перпендикулярно центральной борозды 31.
      2. Чтобы получить участников используется TMS раздражителей, начинаются от интенсивности ниже 25% от максимальной стимулятор вывода (MSO). Затем, начать увеличить интенсивность стимуляции и перемещать катушки в направлении Медио боковой и фронтальный rostro обнаружить гиперзону.
    4. Найдя гиперобъекта, запись оптимальное положение с системой нейронавигация. Определите порог активного мотор (aMT), регулируя интенсивность стимулятор вывода. Определить aMT как минимальной интенсивности, требуется вызывают MEP пик пик амплитуд в ГРП ПИИ более 0,1 МВ в трех из пяти последовательных испытаний 21.
  4. Сессия 3: SubTMS индуцированной ГРП подавления (см. Рисунок 1B ).
    1. Подготовить вес составляет 10% от Fmax, заполнив бутылку воды (см. шаг 4.1.7).
      Примечание: 10% Fmax выбираются на основании Fmax (лучше 3 испытания), выполненной на шаге 4.1.3. В протоколе подпорогового TMS только 10% Fmax должен быть выбран, как ранее было показано, что усталость влияет на subTMS индуцированной ГРП подавления 32 , 33. По той же причине subTMS сессии должна проводиться на отдельной сессии. Объем воды, используемой здесь составляет 0,3 Л (наименьший 30% от Fmax) и 1,2 Л (крупнейший 30% от Fmax).
    2. Проинструктируйте участников о задаче; мотор задача состоит из проведения указательный палец в целевую позицию противодействия легкий вес 10% (похищение указательный палец; ту же задачу, как заседания 1 и 2, но с весом).
    3. Как участники оставаться расслабленным в удобном положении, найти оптимальную интенсивность для выявления subTMS ГРП подавления, не давая инструкцию о в центре внимания. Для этого последовательно уменьшаться в шагах 2% MSO от aMT, определено ранее.
    4. , Хотя они по-прежнему сидят в спокойной и удобной позиции, имеют участники выполняют два отдельных Изометрические указательный палец похищения на 10% Fmax и записывать сигнал ГРП ПИИ. Во время этой Изометрические указательный палец похищения, запись (нажав " запись " кнопку на программное обеспечение для записи) 20 испытаний с и 20 испытаний с рандомизированных interstimulus интервалом (ISIs) от 0,8 до 1,1 без TMS, s 16 , 25 , 26 , , 33 34 в окно времени 100 мс.
      Примечание: Этот интервал гарантирует, что участники не должны выполнять мотор задачи слишком долго и поэтому минимизирует fatiguing эффекты. После каждой серии проверьте подавления subTMS индуцированной ГРП.
      1. Применить исправление многоволновой путем преобразования всех негативных амплитуд положительных амплитуд сигналов ГРП. В среднем ГРП сигналов с помощью нормализации время усреднения 35.
        Примечание: Начало subTMS ГРП подавления определяется как момент, когда разница между испытаний с и без TMS отрицательным для по крайней мере 4 МС в окне время от 20 до 50 мс после ТМС: ГРП Diff = ГРП без-ГРП с .
    5. Повторите шаг 5.4.3, пока не будет найден оптимальный стимуляции интенсивности, обозначается крупнейших подавления ГРП.
      Примечание: Оптимальную интенсивность находится около 80% aMT 16.
    6. Дать участник адекватнойрезервная (см. шаг 4.2.2) относительно состояния (если или EF). Повторите инструкции перед каждой серией (шаг 4.2.2).
    7. , Пока они остаются сидящих в спокойной и удобной позиции, имеют участники выполняют четыре отдельных Изометрические указательный палец похищения (2 раза с каждым фокус: EF и если) в 10% от Fmax и запись сигнала ГРП ПИИ.
      1. Во время похищения этой Изометрические указательный палец, запись (нажав " запись " кнопку на программное обеспечение для записи) 40 испытания с и 40 испытания без TMS, с рандомизированных ISIs для каждого условия (то есть, если и EF) в уравновешенной порядок. Используйте той же интенсивности для каждого условия (определяется в точке 5.4.5).
    8. Между каждой серии, перерыв минимум 5 минут, чтобы свести к минимуму предвзятость, которая может быть вызвана усталость.
  5. Сессия 4: ppTMS (см. Рисунок 1B ).
    Примечание: В паре пульс парадигма состоит из принадлежности стимул на 0,8 aMT, следуют стимул управления suprathreshold на 1.2 aMT.
    1. Повторите шаги 5.1-5.4. Вкратце место электроды ГРП над мышцы ПИИ, место участника в регулируемый и комфортабельный стул и место левую руку в уютной и комфортабельной положение под столом (то есть, на левой ноге). Найти точку доступа для НП над M1.
    2. Задать интенсивность стимулятор, ISI 2,5 мс 36 и интервал между спаренными и сингл пульс TMS на 0,25 Гц.
    3. Дают участника надлежащих инструкций (см. шаг 4.2.2) относительно состояния (то есть если или EF). Повторите инструкции перед каждой серией.
    4. Имеют участники выполняют четыре отдельных Изометрические указательный палец похищения (2 раза с каждым фокус: EF и если) в 10% от Fmax и запись сигнала ГРП ПИИ. Во время изометрического сокращения, запись 20 TMS стимулы для каждого условия (то есть, если и EF) в порядке, уравновешенная.
      Примечание: Один набор 20 стимулы должны состоять из 10 условных MEPs (в паре пульс на 0,8-1,2 aMT) и 10 управления MEPs (сингл пульс на 1.2 aMT). Используйте той же интенсивности для каждого условия (определяется в шаге 5.5.2).
    5. Между каждой серии, перерыв минимум 5 минут, чтобы свести к минимуму предвзятость, которая может быть вызвана усталость.

6. Обработка и анализ данных

  1. SubTMS.
    1. Как описано выше (шаг 5.1.1.3), исправить и средняя ГРП для анализа.
    2. Обнаружить наступления subTMS ГРП подавления (см. Рисунок 4).
      Примечание: Она определяется как момент, когда разница между среднее всех испытаний с и без TMS отрицательным для по крайней мере 4 МС в окно времени от 20-50 мс после ТМС.
    3. Для определения конца подавления subTMS ГРП, определить момент после наступления подавления (шаг 6.1.2) когда разница между среднее всех испытаний с и без TMS положительным снова для по крайней мере 4 мс (см. рисунок 4a ).
    4. Расчет subTMS индуцированной ГРП следующим:
      ГРП Diff = ГРП без – ГРП с.
      1. Вычисляет совокупный трапециевидной численного интегрирования от начала до конца подавления для количественной оценки суммы subTMS индуцированной ГРП подавления.
  2. ppTMS.
    1. Используйте следующую формулу выразить масштабы SICI в процентах, касающимся управления MEP:
      100 – (кондиционером MEP/управления MEP × 100).
      1. Использовать результаты в качестве значения в процентах для окончательного анализа.
    2. Расчета амплитуд MEP пик пик (в МВ; в EF и если условия) и сравнить два условия в конечном счете.
  3. ГРП.
    1. Как фон ГРП оказывает влияние на масштабы MEPs 37, определить ЭМГ активности путем вычисления значения корень значит квадрат в окне 100 мс до TMS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Влияние внимания очагов на мотор производительности:

Поведенческие тесты в текущем исследовании были использованы доказать целесообразность мотор задачи и определить темы, которые позитивно при применении EF. В соответствии с предыдущих исследований (см.1 для обзора), наши результаты показывают длительное TTF, когда участники принят EF по сравнению с IF (см. рис. 3). Таким образом оно кажется, что, во время похищения Изометрические указательный палец, можно повысить эффективность движения, EF. McNevin и коллеги38 положено «ограниченных действий гипотеза» объяснить последствия различных очагов внимания на мотор производительность и Мотор обучения. Авторы, положено в их гипотезы: что с помощью EF улучшает производительность двигателя путем содействия большей автоматизм в управления движением. Напротив принятие IF должен сдерживать двигательной системы, как используется более сознательными тип управления двигателем. Тем не менее несмотря на хорошо известные преимущества использования по сравнению с IF на мотор производительности в общем1EF, основных нервных процессов по-прежнему плохо исследованы. Таким образом, центральный вопрос остается: определение, как эффективность расширенной движения, связанные с EF, по сравнению с IF контролируется мотор корковых точки зрения.

Intracortical ингибирования и моторных способностей:

Корковой активности состоит из взаимодействия между механизмами возбуждающих и тормозящий внутри мозга моторные области24. Кроме того модуляция этих процессов необходимы для управления двигателем39. Например, детей40,,4142 и43 пожилые люди показывают снижение уровня intracortical ингибирования — в отличие от здоровой, молодой субъектов — в результате сокращения координационные способности. В общем кажется, что intracortical тормозной процессы и производительность двигателя тесно взаимосвязаны при рассмотрении различных групп населения. Кроме того не только по возрастным группам или различных групп населения, но и в пределах возрастных групп, моторную функцию кажется быть сильно изменено кортикоспинальных ингибирующее процессов, таких как interlimb координации17 или ловкости19. Таким образом уровень intracortical ингибирования в M1, как представляется, в целом влияет на характеристики управления двигателем.

Мера и влияние внимания очагов на Intracortical торможения:

В предыдущем исследовании, МР-томографию,28 Зентграф и коллеги начали расследовать нейронные корреляты, связанные с внимания очагов (т.е., EF против если). Результаты показали более активации в областях различных мозга — M1, островные и первичного соматосенсорные коре — когда темы, исполненные последовательность палец клавиатуры в условие EF, вместо того, чтобы условие IF. Помимо ограничения, что различные предметы были расследованы в EF и если задач, делая прямые сопоставления невозможно МР-томографию техника не способны различать возбуждающих и тормозящий нервная деятельность29, как он использует Встроенные крови ткани контрастов44. Таким образом выше активации мозга, в M1 в состоянии EF, продемонстрировали в этой предыдущей МР-томографию исследования28 может быть результатом увеличение возбуждающим или ингибирующего активность. Таким образом МР-томографию обеспечивает только оценку о целом нервная деятельность29. В отличие от этого и в дополнение к МР-томографию TMS могут дать информацию о характере деятельности расширенной, ли оно приводит к от возбуждающих или ингибиторная активность. Причина этого в том, что TMS, применяется к М1 при интенсивности ниже активного мотор порога подавляют корковых мощность, как корковых ингибирующее ГАМК интернейронов имеют более низкий порог для НП чем возбуждающих нейронов27, 45 , 46 , 47 , 48. Кроме того, было показано что TMS под мотор порог не вызывают убыванию залпами и, таким образом, не активировать позвоночника структур23,27. В этом исследовании мы использовали два TMS протоколы для измерения коркового торможения в M1. Первая используется одно пульс subTMS протокол, который вызывает подавление в текущей деятельности ГРП. Было предложено, что ингибирование текущей активности быстро проведение кортикоспинальных клеток приводит к subTMS индуцированной ГРП подавления49.

Таким образом существует взаимосвязь между возбудимости intracortical тормозной цепи и количество subTMS индуцированной подавления ГРП. Другими словами увеличение коркового торможения в пределах M1 приводит к более ГРП подавления18. Хотя не так широко используется протокол subTMS, он наследует много преимуществ по сравнению с протоколов, с помощью suprathresold стимулы: во-первых, как стимулирование не добавляет, но скорее удаляет действие из убывания кортикоспинальных волейбол, эффекты можно четко отнести к первичной моторной коры, поскольку они не подвержены позвоночника контуры23,27. Во-вторых как используются подпорогового интенсивности, не мышцы дергаться в индуцированных стимуляции, который может нарушить моторные производительности. Используя эту технику, мы продемонстрировали, что подавление subTMS индуцированной ГРП мгновенно повышается при использовании EF по сравнению с IF (см. Рисунок 4 результаты и анализ). В частности наши результаты показали, что активность intracortical тормозной цепи в пределах M1 модулируется немедленно когда принимаются различные внимания очагов.

Еще более широкую возможность для измерения активности ГАМК мотор интернейронов является применение ppTMS парадигмы с короткими интервалами interstimulus над контралатеральной M1. Паре импульса стимуляции вызывает снижение амплитуды MEP, который называется SICI и отражает активности ингибирующих нейронов21,ГАМК45,50.

При принятии EF, участники показали более SICI (см. Рисунок 5 результаты и анализ). Это также соответствует результаты subTMS и предполагает, что ГАМК нейронов, составляющих intracortical тормозной цепи51, модулируются по-разному в пределах M1 в зависимости от типа фокус внимания. Это будет соответствовать бывший исследований, показывающих, что M1 чувствителен к52дифференцированного внимания ситуаций. Кроме того как в позитронно-эмиссионная томография исследование53выявлена положительная корреляция между мозгового кровотока в моторной коры и количество SICI, наши результаты могли бы дальнейшей поддержки расширенной корковых деятельность в рамках M1 Это было найдено28Зентграф и коллеги. Наконец как Мотор задач и фон ГРП до стимуляции были похожи в обоих условиях, он был выведен что словесные инструкции предусматривается направление внимания действительно имеют главный модулирующее влияние на активность intracortical ингибирующих нейронов, проектирование для ПИИ.

Figure 1
Рисунок 1. Курс из четырех протоколов. A. Цель первых двух сессий (S1 и S2) является сравнить время сбоя задачи (TTF) субмаксимальных устойчивый похищения правой указательный палец на 30% Fmax между внешней (EF) и внутренний фокус внимания (если). Во время сессии EF субъектов просят сосредоточиться на гониометре угол (т.е., эффект движения), во время сессии если, они просят сосредоточиться на их указательный палец и мышечной массы (т.е., движение тела). B. третьей и четвертой сессий (S3 и S4) направлены на сравнение корковой активности intracortical тормозной цепи в пределах автомагистрали M1, между EF IF. Это может быть достигнуто путем сравнения объем и продолжительность подпорогового TMS (subTMS) индуцированного ГРП подавления и сравнивая количество коротких интервал intracortical ингибирование (SICI) индуцированных TMS в паре пульс (ppTMS). Эта цифра была адаптирована из кун et al16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2. Экспериментальная установка. А. 1. TMS катушки размещается над контралатеральной M1 над представлением вручную. 2 участник лоб и TMS катушки монтируются с отражающей маркеров для управления положением TMS катушки относительно черепа. 3 ортопедические шины ограничивает движение запястья и позволяет только движения указательного пальца. 4. ГРП электроды помещаются в сухожилие живот монтаж над ПИИ. 5 гониометр Вычисляет угол фалангового сустава указательного пальца. 6 вес составляет 30% (S1 и S2) или 10% (S3 и S4) от Fmax прилагается к веревке. B. передвижение пястно совместных отображаются на экране компьютера помещается 1 м перед предметом. Когда угол 90°, красная линия, отображается на экране компьютера является тонкий. Как только участник палец движется влево или вправо, красная линия получает толще в соответствующем направлении. Мотор задачи призван сохранить красной линии тонкие, как возможно. Чтобы измерить Fmax (S1 и S2), датчик силы помещается (1) таким образом, что участники могут подтолкнуть против него (т.е. Изометрические сжатия), сохраняя постоянный угол 90 °. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3. Наработка на отказ (TTF) задач устойчивого сужений. ТЦФ был продлен (примерно на + 18%) когда участников (n = 14) принял внешнего (EF) вместо внутренний фокус внимания (если). * p < 0,05. Планки погрешностей представляют SEM. Эта цифра была адаптирована из кун et al16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4. SubTMS индуцированной ГРП подавления. Чтобы приобрести кривых средней ЭМГ активности во время устойчивое сокращение право Первый спинной межкостной (ПИИ) в 10% Fmax, Ректифицированная ГРП (многоволновой ректификации) судебных разбирательств с subTMS вычитается из что испытаний без стимуляция. Вертикальные линии представляют собой (1) начало subTMS индуцированной подавления ГРП и (2) в конце subTMS индуцированной ГРП подавления. B. репрезентативных данных (n = 10) количество subTMS индуцированной ГРП подавления. Данные получаются путем вычисления совокупного трапециевидной численного интегрирования от начала до конца (т.е. отрицательный площадь под каждой кривой от 1 до 2 в A) подавления. Количество subTMS индуцированной ГРП подавления усиливается, когда внешний фокус (EF) вместо того, чтобы принят внутренний фокус внимания (КРП). C. репрезентативных данных (n = 10) из subTMS индуцированной ГРП подавления продолжительностью от 1 до 2. Была найдена статистически значимого различия в продолжительности подавления, но это больше с EF. Таким образом это разумно предположить, что размер эффекта был слишком мал, чтобы побудить существенную разницу в нашей относительно небольшой размер выборки. p < 0.01. Планки погрешностей представляют SEM. Эта цифра была адаптирована из кун et al16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5. Короткий интервал intracortical ингибирование (SICI). A. SICI выражается в виде доли управления МООС в ПИИ путем применения следующей формулы: 100 - (кондиционером MEP / управления MEP × 100). SICI усиливается, когда участники принять EF по сравнению с IF. Это отражает более активации intracortical тормозной цепи. B. как амплитуда управления MEP влияет на размер кондиционером MEP, управления евродепутаты на 1.2 амплитуд пик пик aMT следует сравнить между двумя условиями (то есть, EF против если). p < 0.01. Планки погрешностей представляют SEM. Эта цифра была адаптирована из кун et al16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры./p >

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Этот протокол показывает два возможных метода расследовать деятельность тормозной цепи в пределах M1 с помощью TMS. Точнее эти два протокола были использованы в данном исследовании для изучения последствий очагов внимания на деятельности тормозной цепи в пределах M1.

Одно ограничение представленных метода является, что это не всегда возможно вызвать подавление subTMS индуцированной ГРП без упрощения процедур, предшествующих ему. В этом исследовании например, четыре темы пришлось быть удалены из окончательного анализа, поскольку они не показывают каких-либо последовательной subTMS индуцированной ГРП подавления. Тем не менее этот метод стимуляции неинвазивные мозг хорошо принимается на измерение и количественное определение активности intracortical тормозной цепи в пределах M132,34. Еще одним ограничением этого исследования является, что нельзя исключать, что различия между центрами внимания, предложенный subTMS и ppTMS полагаться на областях мозга вверх по течению M1. Несмотря на тот факт, что предполагается, что оба метода для проверки времени отклика intracortical ГАМК ингибирующее интернейронов23,27, нет никакой корреляции между суммой subTMS индуцированной подавления ГРП и количество SICI 16; необходимы дальнейшие исследования.

Кроме того важно использовать светостойкость (10% от Fmax) во время TMS протоколы для проведения эксперимента subTMS в отдельных сессиях (≥ 72-h перерыв) и в случайном порядке условий. Основная причина, что усталость может повлиять на масштабы subTMS индуцированной ГРП подавления32 и уровень SICI54, означает, что основной эффект внимания может быть предвзятым, усталость. Во время fatiguing задачи количество периферийных, подкорковых и корковых механизмы могут также играют важную роль в исполнении. Кроме того важно использовать систему нейронавигация, как TMS катушки должны быть размещены в том же месте до каждого суда. Кроме того эта система позволяет экспериментатору проверить положение катушки в любое время на протяжении всего эксперимента.

Главный вывод настоящего исследования является, что коркового торможения в M1 могут быть затронуты мгновенно в той же теме, согласно внимания фокус, принятой в ходе выполнения мотор. Как тормозящий процессы, как представляется, быть тесно связаны с качеством мотор исполнения в целом, наши результаты можно объяснить на уровне нервных повышение эффективности по сравнению с IF EF. Можно предположил, что повышенный уровень ингибирование в EF избегает ненужной деятельности совместного и приводит к более фокуса активации, что приводит к более эффективным мотор исполнения. Таким образом наши результаты могут представлять собой один из основных механизмов «гипотеза ограниченных действий.» Кроме того этот протокол является первым, чтобы показать, как применять к тем же составом участников, используя повторил мер дизайн subTMS и ppTMS. Кроме того, несмотря на тот факт, что большое количество исследований показывают, что принятие EF по сравнению с IF способствует мотор производительности и обучения в многочисленных параметров1, только очень немногие расследования основных нейронных механизмов при различных внимания ситуации, предусмотренные через словесные инструкции являются принятой16,28,55.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Авторы имеют без подтверждений.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MC3A-100 Advanced Mechanical Technologies Inc., Watertown, MA, USA - Force transducer
BlueSensor P Ambu A/S, Bellerup, Denmark - Ag/AgCl surface electrodes for EMG
Polaris Spectra Northern Digital, Waterloo, ON, Canada - neuronavigation system, active or passive markers tracker
Localite TMS Navigator Version 2.0.5 LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany - navigation system for transcranial magnetic stimulation (TMS)
MagVenture MagPro X100 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0711 Transcranial magnetic stimulator
MagVenture D-B80 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0431 TMS coil (figure of eight)
Goniometer N/A - Custom-made goniometer
Othopedic splint N/A - Custom-made splint
Recording software LabView based - Custom-made script

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wulf, G. Attentional focus and motor learning: a review of 15 years. Int Rev Sport Exerc Psychol. 6 (1), 77-104 (2012).
  2. Perkins-Ceccato, N., Passmore, S. R., Lee, T. D. Effects of focus of attention depend on golfers' skill. J Sports Sci. 21 (8), 593-600 (2003).
  3. Marchant, D. C., Clough, J. C., Crawshaw, M. The effects of attentional focusing strategies on novice dart throwing performance and their task experiences. Int Rev Sport Exerc Psychol. 5 (3), 291-303 (2007).
  4. Oliveira, R. M., Gurd, J. M., Nixon, P., Marshall, J. C., Passingham, R. E. Micrographia in Parkinson's disease: the effect of providing external cues. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 63 (4), 429-433 (1997).
  5. Landers, M., Wulf, G., Wallmann, H., Guadagnoli, M. An external focus of attention attenuates balance impairment in patients with Parkinson's disease who have a fall history. Physiotherapy. 91 (3), 152-158 (2005).
  6. Wulf, G., Landers, M., Lewthwaite, R., Töllner, T. External focus instructions reduce postural instability in individuals with Parkinson disease. Phys Ther. 89 (2), 162-168 (2009).
  7. Wulf, G., Dufek, J. S. Increased jump height with an external focus due to enhanced lower extremity joint kinetics. J Mot Behav. 41 (5), 401-409 (2009).
  8. Marchant, D. C. Attentional Focusing Instructions and Force Production. Front Psychol. 1, 1-9 (2011).
  9. Wälchli, M., Ruffieux, J., Bourquin, Y., Keller, M., Taube, W. Maximizing Performance: Augmented Feedback, Focus of Attention, and/or Reward? Med Sci Sports Exerc. 48 (4), 714-719 (2015).
  10. Keller, M., Lauber, B., Gottschalk, M., Taube, W. Enhanced jump performance when providing augmented feedback compared to an external or internal focus of attention. J Sports Sci. 33 (10), 1067-1075 (2015).
  11. Wulf, G., Dufek, J. S., Lozano, L., Pettigrew, C. Increased jump height and reduced EMG activity with an external focus. Hum Mov Sci. 29 (3), 440-448 (2010).
  12. Fasoli, S. E., Trombly, C. A., Tickle-Degnen, L., Verfaellie, M. H. Effect of instructions on functional reach in persons with and without cerebrovascular accident. Am J Occup Ther. 56 (4), 380-390 (2002).
  13. Schücker, L., Anheier, W., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. On the optimal focus of attention for efficient running at high intensity. Sport Exerc Perform Psychol. 2 (3), 207-219 (2013).
  14. Schücker, L., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. The effect of attentional focus on running economy. J Sports Sci. 27 (12), 1241-1248 (2009).
  15. Lohse, K. R., Sherwood, D. E. Defining the focus of attention: effects of attention on perceived exertion and fatigue. Front Psychol. 2, 332 (2011).
  16. Kuhn, Y. A., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Adopting an external focus of attention alters intracortical inhibition within the primary motor cortex. Acta Physiol (Oxf). , (2016).
  17. Fujiyama, H., Hinder, M. R., Schmidt, M. W., Garry, M. I., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability and inhibition during coordination of upper and lower limbs. Neurobiol Aging. 33 (7), (2012).
  18. Papegaaij, S., et al. Postural challenge affects motor cortical activity in young and old adults. Exp Gerontol. 73, 78-85 (2016).
  19. Heise, K. -F., et al. The Aging Motor System as a Model for Plastic Changes of GABA-Mediated Intracortical Inhibition and Their Behavioral Relevance. J Neurosci. 33 (21), 9039-9049 (2013).
  20. Flamand, V. H., Nadeau, L., Schneider, C. Brain motor excitability and visuomotor coordination in 8-year-old children born very preterm. Clin Neurophysiol. 123 (6), 1191-1199 (2012).
  21. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
  22. Wassermann, E. M., et al. Responses to paired transcranial magnetic stimuli in resting, active, and recently activated muscles. Exp Brain Res. 109 (1), 158-163 (1996).
  23. Di Lazzaro, V., et al. Magnetic transcranial stimulation at intensities below active motor threshold activates intracortical inhibitory circuits. Exp Brain Res. 119 (2), 265-268 (1998).
  24. Chen, R. Interactions between inhibitory and excitatory circuits in the human motor cortex. Exp Brain Res. 154 (1), 1-10 (2004).
  25. Lauber, B., Keller, M., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Specific interpretation of augmented feedback changes motor performance and cortical processing. Exp Brain Res. 227 (1), 31-41 (2013).
  26. Lauber, B., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Time to task failure and motor cortical activity depend on the type of feedback in visuomotor tasks. PLoS One. 7 (3), e32433 (2012).
  27. Davey, N. J., Romaiguère, P., Maskill, D. W., Ellaway, P. H. Suppression of voluntary motor activity revealed using transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in man. J Physiol. 477 (2), 223-235 (1994).
  28. Zentgraf, K., et al. Neural correlates of attentional focusing during finger movements: A fMRI study. J Mot Behav. 41 (6), 535-541 (2009).
  29. Arthurs, O. J., Boniface, S. How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal? Trends Neurosci. 25 (1), 27-31 (2002).
  30. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  31. 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. Clin Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  32. Seifert, T., Petersen, N. C. Changes in presumed motor cortical activity during fatiguing muscle contraction in humans. Acta Physiol (Oxf). 199, 317-325 (2010).
  33. Sidhu, S. K., Cresswell, A. G., Carroll, T. J. Short-interval intracortical inhibition in knee extensors during locomotor cycling. Acta Physiol (Oxf). 207 (1), 194-201 (2013).
  34. Zuur, A. T., et al. Contribution of afferent feedback and descending drive to human hopping. J Physiol. 588 (Pt 5), 799-807 (2010).
  35. Konrad, P. The ABC of EMG: A practical introduction to kinesiological electromyography. , Noraxon, Inc. Scottsdale, AZ. Version 1 (2005).
  36. Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
  37. Kojima, S., et al. Modulation of the cortical silent period elicited by single- and paired-pulse transcranial magnetic stimulation. BMC Neurosci. 14, 43 (2013).
  38. McNevin, N., Shea, C. H., Wulf, G. Increasing the distance of an external focus of attention enhances learning. Psychol Res. 67 (1), 22-29 (2003).
  39. Hummel, F. C., et al. Deficient intracortical inhibition (SICI) during movement preparation after chronic stroke. Neurology. 72 (20), 1766-1772 (2009).
  40. Mall, V., et al. Low level of intracortical inhibition in children shown by transcranial magnetic stimulation. Neuropediatrics. 35 (2), 120-125 (2004).
  41. Walther, M., et al. Maturation of inhibitory and excitatory motor cortex pathways in children. Brain Dev. 31 (7), 562-567 (2009).
  42. van de Laar, M. C., van den Wildenberg, W. P., van Boxtel, G. J., Huizenga, H. M., van der Molen, M. W. Lifespan changes in motor activation and inhibition during choice reactions: a Laplacian ERP study. Biol Psychol. 89 (2), 323-334 (2012).
  43. Papegaaij, S., Taube, W., Baudry, S., Otten, E., Hortobagyi, T. Aging causes a reorganization of cortical and spinal control of posture. Front Aging Neurosci. 6 (28), (2014).
  44. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  45. Ziemann, U., Rothwell, J. C., Ridding, M. C. Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex. J Physiol. 496 (Pt 3), 873-881 (1996).
  46. Petersen, N. T., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. J Physiol. 537 (Pt 2), 651-656 (2001).
  47. Butler, J. E., Larsen, T. S., Gandevia, S. C., Petersen, N. T. The nature of corticospinal paths driving human motoneurones during voluntary contractions. J Physiol. 584 (Pt 2), 651-659 (2007).
  48. Ortu, E., Deriu, F., Suppa, A., Tolu, E., Rothwell, J. C. Effects of volitional contraction on intracortical inhibition and facilitation in the human motor cortex. J Physiol. 586 (21), 5147-5159 (2008).
  49. Roy, F. D. Suppression of EMG activity by subthreshold paired-pulse transcranial magnetic stimulation to the leg motor cortex. Exp Brain Res. 193 (3), 477-482 (2009).
  50. Di Lazzaro, V., et al. Direct demonstration of the effect of lorazepam on the excitability of the human motor cortex. Clin Neurophysiol. 111 (5), 794-799 (2000).
  51. Classen, J., Benecke, R. Inhibitory phenomena in individual motor units induced by transcranial magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 97 (5), 264-274 (1995).
  52. Binkofski, F., et al. Neural activity in human primary motor cortex areas 4a and 4p is modulated differentially by attention to action. J Neurophysiol. 88 (1), 514-519 (2002).
  53. Strafella, A. P., Paus, T. Cerebral blood-flow changes induced by paired-pulse transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. J Neurophysiol. 85 (6), 2624-2629 (2001).
  54. Hunter, S. K., McNeil, C. J., Butler, J. E., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Short-interval cortical inhibition and intracortical facilitation during submaximal voluntary contractions changes with fatigue. Exp Brain Res. 234 (9), 2541-2551 (2016).
  55. Zimmermann, K., et al. Neural Correlates of Switching Attentional Focus during Finger Movements: An fMRI Study. Front Psychol. 3 (555), (2012).

Tags

Поведение выпуск 127 внимания очагов когнитивная манипуляции моторной коры управления движением intracortical ингибирование короткий интервал время задача отказа транскраниальная магнитная стимуляция
Intracortical ингибирования в рамках первичной моторной коры можно модулировать, изменив в центре внимания
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kuhn, Y. A., Keller, M., Ruffieux,… More

Kuhn, Y. A., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Intracortical Inhibition Within the Primary Motor Cortex Can Be Modulated by Changing the Focus of Attention. J. Vis. Exp. (127), e55771, doi:10.3791/55771 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter