Article de méthode

Protocole de Stimulation magnétique transcrânienne en ligne pour mesurer la physiologie corticale associée à l’Inhibition de la réponse

DOI :

10.3791/56789

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8 février 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

Dans cet article

Résumé

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

Nous décrivons une procédure expérimentale afin de quantifier l’excitabilité et inhibition du cortex moteur primaire au cours d’une tâche de l’inhibition de réponse motrice à l’aide de Stimulation magnétique transcrânienne pendant toute la durée d’une tâche de Signal Stop.

Résumé

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

Les auteurs décrivent le développement d’une tâche d’inhibition de réponse motrice reproductible, respectueux de l’enfant adapté pour la caractérisation de la Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) en ligne de l’excitabilité du cortex moteur primaire (M1) et l’inhibition. Inhibition de la réponse motrice empêche les actions non désirées et est anormale dans plusieurs affections neuropsychiatriques. TMS est une technologie non invasive qui permet de quantifier M1 excitabilité et une inhibition à l’aide de protocoles seule et jumelé-impulsion et peut être précisément minutée afin d’étudier la physiologie corticale avec une haute résolution temporelle. Nous avons modifié la tâche originale de signal stop de Slater-Hammel (S-H) pour créer une version « voiture de course » avec des impulsions de TMS temps fermée à intra-essai des événements. Cette tâche est à progression autocontrôlée, à chaque ouverture du procès, après une poussée de bouton pour déplacer la voiture de course vers l’objectif de 800 ms. ALLER essais requièrent un doigt-ascenseur pour arrêter la voiture de course juste avant cet objectif. Intercalées au hasard sont des essais de STOP (25 %) au cours de laquelle le signal d’arrêt ajusté dynamiquement invite sujets pour empêcher le doigt-ascenseur. Pour les essais de GO, TMS impulsions ont été livrées à 650 ms après le début du procès ; considérant que, pour l’arrêt des essais, les impulsions TMS a eu lieu à 150 ms après le signal d’arrêt. Les minutages des impulsions TMS ont été décidées basé sur des études de l’électroencéphalographie (EEG) montrant les changements liés à l’événement dans ces plages horaires lors de tâches de signaux d’arrêt. Cette tâche a été étudiée en 3 blocs dans deux sites d’étude (n = 38) et nous avons enregistré la performance comportementale et liés aux événements des potentiels évoquée par le moteur (MEP). Modélisation de régression a été utilisée pour analyser les amplitudes MEP moyen âge comme covariable avec plusieurs variables indépendantes (sexe, étude de site, bloc, TMS impulsion condition [single-vs impulsions pairées], condition du procès [aller, arrêt réussi, n’a pas pu arrêter]). L’analyse a montré que les TMS impulsion condition (p < 0,0001) et son interaction avec la condition du procès (p = 0,009) étaient significatives. Les applications futures pour ce paradigme de S-H/TMS en ligne comprennent l’ajout d’acquisition simultanée d’EEG pour mesurer les potentiels de l’EEG évoquée par TMS. Une limitation potentielle est que chez les enfants, le bruit d’impulsion TMS pourrait affecter exécution des tâches comportementales.

Introduction

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Inhibition de la réponse est la possibilité d’empêcher sélectivement les actions indésirables qui peuvent interférer avec les objectifs fonctionnels. 1 le réseau cortico-striataux critique participe à l’inhibition de réponse, qui progressivement gagne en efficacité en tant qu’enfants matures mais est altérée chez les nombreux troubles neuropsychiatriques tels que le déficit de l’attention hyperactivité) TDAH), schizophrénie, trouble obsessionnel-compulsif et troubles d’apprentissage. 2 , 3 l’inhibition de réponse de moteur peut être examinée avec différents paradigmes comportements tels que les tâches Go/NoGo (GNG) et le Signal d’arrêt (SST). 1 , 4 données comportementales seules ne fournissent pas d’informations sur les mécanismes biologiques potentiellement modifiables et quantifiables. L’objectif primordial dans la présente étude était de développer une méthode conviviale enfant afin d’évaluer la physiologie du cortex moteur pendant l’exécution de l’inhibition de la réponse, afin de développer un biomarqueur quantitatif axée sur le cerveau du substrat neural de cette tâche. Ces biomarqueurs pourraient avoir l’application large dans études prédictifs du pronostic ou le traitement des troubles neurocomportementaux.

À cet effet, les enquêteurs ont sélectionné et modifié la tâche de Slater-Hammel (S-H)5. Il s’agit d’une tâche de signal de stop qui exige des participants inhiber une action préprogrammée générée en interne. Cette tâche à progression autocontrôlée se compose d’essais GO et de STOP. ALLEZ essais sont entrepris par le sujet pressant et en maintenant la pression sur un bouton, avec l’instruction de lever le doigt sur le bouton (c.-à-d. GO action) aussi proche de, mais avant la cible de 800 ms. Dans le paradigme original, temps est affiché sur une horloge avec une main en rotation rapide. STOP essais sont disséminés au hasard parmi les essais de GO au cours de laquelle la personne doit inhiber l’action de GO pré-planifiées (c'est-à-dire empêcher ascenseur de doigt). La tâche de signal d’arrêt est plus difficile parce que les sujets ont d’inhiber une réponse dans le contexte d’un signal GO préprogrammé, considérant que la tâche GNG, la décision est de lancer ou pas entreprendre une action avec aucune commande préalable. 6 par ailleurs, il serait plus exact d’enquêter sur l’inhibition de réponse à l’aide de tâches de signaux d’arrêt car dans la tâche GNG, corrélations cohérentes entre le signal et réponses peuvent entraîner une inhibition automatique. 7 l’inhibition automatique est la théorie que compatible cartographie entre signal et la réponse (c.-à-d. signal GO toujours se traduit par une réponse GO et vice versa) conduit à un traitement automatique tout au long de l’expérience, telle que l’arrêt des essais sont partiellement traitées par récupération de la mémoire et permet de contourner certains contrôles exécutifs. 8 , 9

Stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est une technologie non invasive qui peut être utilisée pour mesurer la physiologie corticale. Utilisant des paradigmes de stimulation seule et jumelé-impulsion, on peut quantifier l’inhibition et l’excitabilité corticale. Bien que la plupart des études publiées de TMS étudier la physiologie corticale au repos, certains groupes ont examiné l’excitabilité/inhibition corticale pendant sa préparation mentale pour action10 et différents États cognitifs qui peuvent se refléter dans le moteur physiologie du cortex. 11 , 12 , 13 , 14 cette approche fonctionnelle de la TMS (fTMS) impose des mesures de TMS en ligne tandis que les participants effectuent des tâches comportementales, permettant ainsi une sonde corticale change qui sont dépendant de l’état avec une haute résolution temporelle. Fournissant des informations en temps réel sur les changements neurophysiologiques de manière élargit l’enquête physiologique du contrôle moteur15,16 et troubles neuropsychiatriques17,18, 19,20.

Études préalables fTMS ont exploré corticales mécanismes d’inhibition de la réponse chez les adultes en bonne santé à l’aide de GNG14 et SST tâches15,16,21. En outre, une étude a montré qu’une dose unique de méthylphénidate changé moteur physiologie corticale des adultes en bonne santé pendant une expérience de fTMS/GNG. 22 à ce jour, il y a deux groupes qui ont publié des études pédiatriques fTMS à l’aide de GNG tâche pour caractériser la physiologie corticale du TDAH23 et Syndrome de la Tourette,17. Il n’y a actuellement aucune étude publiée fTMS utilisant SST dans la population pédiatrique.

Une question essentielle dans les études de fTMS, dans une mesure beaucoup plus grande que les études TMS reste seul, est le muscle artefact. Mesures normalisées électromyographie (EMG) de l’amplitude et la latence de potentiels évoquée par le moteur (MEP) ne doivent pas être contaminés par les artéfacts musculaires. Ainsi, par exemple, afin d’étudier les modifications corticales en vue d’un mouvement dans une étude de temps de réaction, impulsions TMS doivent précisément chronométrées se produire après un signal GO mais avant le temps de réaction de l’individu. Ainsi, dans n’importe quelle tâche, il est essentiel de s’assurer que les TMS impulsions surviennent à un moment où la réponse motrice n’a pas encore commencé, et que le participant est confortable et capable de maintenir le muscle pertinent au repos. Cela peut être particulièrement problématique avec les enfants hyperkinétiques qui peuvent naturellement avoir des mouvements extérieurs et qui peuvent garder leurs bras et la main tendus pendant tout un temps de réaction jeu.

La présente étude vise à développer une version de la SST Slater-Hammel accueillantes et adapté pour l’étude de la physiologie du cortex moteur primaire (M1). Cette tâche devrait être 1) facilement compréhensible pour les enfants, 2) relativement faciles à remplir pour les enfants et 3) compatible avec TMS en ligne.

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Protocole

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Ce protocole a été approuvé par le Cincinnati Children Hospital Medical Center et Johns Hopkins sur les commissions d’examen institutionnel comme un risque minime d’étude chez les enfants et les adultes. Single - et impulsions pairées TMS est considéré comme sans danger chez les enfants de 2 ans et plus par consensus des experts internationaux. 24 après avoir expliqué les risques de TMS au parent/tuteur et participant, le consentement et la sanction sont signés s’ils acceptent de procéder à l’étude.

1. dépistage et introduction

  1. Sujets d’écran pour TMS contraindication(s) à l’aide d’un questionnaire standardisé. 25
  2. Démontrer comment les TMS fonctionne en fournissant une impulsion magnétique sur l’avant-bras de l’opérateur.
  3. Fournir une impulsion TMS sur les avant-bras du participant afin qu’il/elle peut prendre le pouls.
  4. Placez les bouchons d’oreilles dans les oreilles du participant pour une protection auditive.

2. installation de plomb EMG de surface et de positionnement de la main

  1. Avoir le sujet enlèvent l’index dominante afin d’identifier le premier muscle interosseux dorsal (IED). Placer l’électrode négative sur le ventre de l’IED, puis placer l’électrode positive entre les 2ème et 3 articulations métacarpophalangiennes (MCP) derd et l’électrode de terre sur la 5ème MCP commune.
  2. Position des mains du participant ulnaire aspects des deux bras et mains reposant entièrement sur un oreiller, sans effort de l’anti-gravité requis (Figure 1).
  3. Ont le participant à étendre le doigt index dominant tandis que la troisième-5ème doigt est fléchis. Puis placez un coussin de contrôleur de jeu sur l’oreiller, alors que l’index s’appuie sur le bouton utilisé pour la tâche de S-H de voiture de course. La justification de cette position de la main, c’est que l’action de GO nécessite l’activation de l’IED pour lever l’index du bouton off. Par conséquent, enregistrement suivi EMG de l’IED dominante sera sonde M1 excitabilité et inhibition pour aller et STOP essais respectivement.

3. acquisition de données pour le TMS de base

  1. Définir les paramètres d’enregistrement pour l’enregistrement de MEP - bas et passe-haut filtres de 100 à 1000 Hz, fréquence d’échantillonnage de 2 kHz.
  2. Obtenir des mesures de TMS de base en utilisant une bobine de 90 mm TMS circulaire placée tangentiellement au crâne sur le vertex avec la poignée vers l’occiput à la position optimale et l’orientation pour produire un député dans l’IED droit suivant norme Protocole. 26 cette position de la bobine et l’orientation devraient produire un courant induit postéro-antérieure sur la M1.
    1. Utilisez un crayon de cire pour marquer l’emplacement du cuir chevelu, une fois que le hotspot a été localisé à veiller à ce que la prestation de pouls des TMS s’effectue à la même région corticale.
  3. Effectuer vingt essais27 de base seule impulsion (sp) TMS induite par les députés IED avec les deux mains au repos à l’aide d’une intensité de 120 % de la RMT.
  4. Effectuer vingt essais de mesures de référence impulsions pairées TMS de M1 inhibition intracortical court-intervalle (SICI) au repos, à l’aide de inter-stimulation intervalle de 3 ms, 60 % * RMT comme le conditionnement des impulsions intensité et 120 % RMT comme l’intensité des impulsions test pour quantifier M1 inhibiteur GABAA-ergic activité interneuronales. 28 , 29 , 30 régler l’intervalle inter du procès pour des mesures de base à 6 ± 0,3 secondes.

4. S-H tâches comportementales

  1. Affichez la tâche de l’inhibition de réponse Racecar S-H sur un moniteur directement en face de l’objet. Commencez l’expérience par les premiers sujets de formation sur les tâches comportementales. Dire le sujet que la voiture sur le côté gauche de l’écran vont commencer à se déplacer après que le bouton est enfoncé en adduction de l’index dominant (Figure 2 a).
  2. Dites aux participants que l’objectif pour les essais de GO est de lever le doigt aussi proche, mais avant les 800 ms ciblent tel que représenté par une ligne verticale sur l’écran. L’écran affichera « Good Job » en cas de doigt ascenseurs entre 700 et 800 ms, dans le cas contraire, il s’affiche « Trop tôt » ou « Trop tard ». Avoir le participant pratique 10 essais de GO.
  3. Une formation pour la tâche d’arrêter en disant les participants que la deuxième série d’essais implique la voiture s’arrêtant au hasard avant la cible de 800 ms.
    1. Dites à l’enfant de garder son doigt sur le bouton sans lever le doigt chaque fois que la voiture s’arrête au hasard. Pour réussir dans ces essais d’arrêt, le doigt doit rester sur la touche jusqu'à ce qu’un drapeau de vérificateur est vu qui est programmée pour apparaître 1000 ms après le début de chaque essai. Informer le participant que si signal d’arrêt est présenté et doigt est levé avant le drapeau de checker, un message « Trop tôt » s’affiche. Dites à l’enfant qu’un « Grand » message s’affichera après des essais réussis de STOP.
    2. Avoir l’enfant 10 essais d’arrêt de la pratique.
      NOTE : Le programme a un algorithme de suivi dynamique. Dans l’expérience réelle après la formation, le premier signal d’arrêt se produit, à 500 m, si le participant n’a pas un seul STOP essai, l’essai d’arrêt suivant sera plus facile (c.-à-d. le signal d’arrêt passera 50 ms loin de la cible de 800 ms). Toutefois, si le procès de STOP a réussi, puis le prochain procès de STOP sera plus difficile (c.-à-d. le signal d’arrêt passera 50 ms vers la cible). Ce processus de suivi dynamique s’assure que la fin de l’expérience entière, environ 50 % des essais STOP succès tandis que l’autre moitié serait des essais ayant échouées. Le signal d’arrêt est programmé pour ajuster entre 300 et 700 ms après le début du procès.
  4. Après que les participants pratiquent essais GO seule et STOP uniquement, leur dire que le prochain bloc pratique contienne un mélange de GO et l’arrêt des essais. Avoir l’enfant effectuer 20 essais de GO mixte et STOP comme une pratique finale.

5. en ligne S-H/TMS expérimenter

  1. Avant de commencer l’expérience en ligne de S-H/TMS, rappeler aux participants d’adduit (abaissez) l’index dominant pour commencer le procès, d’enlever (lift off) du doigt pour les essais de GO et garder le doigt sur le bouton pour arrêter les essais. L’adduction de doigt a été choisie pour initier et maintenir le mouvement de wagons au cours de chaque essai parce qu’au moment des impulsions TMS (Figure 2 a et 2 b), l’antagonistes premier interosseux (IED) muscle dorsal, où le plomb de l’EMG est placé, serait au repos, réduisant ainsi le risque d’artéfact de mouvement dans le traçage de l’IED.
  2. Dire le participant que TMS impulsions seront livrées au cours de la tâche de S-H. Indiquer l’objet qu’il y aura 3 pâtés de maisons des essais en ligne de S-H TMS (3 GO : 1 ratio du procès de l’arrêt).
    Remarque : Pendant les essais de GO, TMS impulsion est programmée pour être livré à 650 ms après le début de chaque essai. Cette chronologie est initialement choisie d’après étude préalable de TMS montrant qu’augmentation M1 excitabilité liés à la préparation du mouvement peut être capturée dans cette gamme. 10 essais pour arrêter, impulsion TMS est livrée 150 ms après le signal d’arrêt. Dans les essais STOP couronnés de succès, l’index n’exonère pas le bouton arrêt donc la M1 capturé excitabilité reflète l’activité corticale associée à réponse inhibition plutôt que moteur préparation ou la réalisation.
  3. Placez la bobine circulaire de 90 mm sur le vertex à l’aide de marque de crayon de cire précédente à préférentiellement stimuler M1 dominante et de fixer le conditionnement des impulsions intensité à 60 % * RMT et test de pouls à 120 % * RMT. Commencer l’expérience en ligne de S-H/TMS. Les enfants du temps requis pour terminer 120 essais est généralement 30 à 40 minutes.

6. racecar Slater-Hammel données comportementales

  1. Pour les essais de GO, déterminer le temps de réaction comme le doigt-lift temps par rapport au début de chaque essai. Moyenne de chaque bloc. Pour l’arrêt des essais, le temps de levage doigt détermine le succès, alors que la voiture arrêter le signal temps (c'est-à-dire arrêter Signal retard ; SSD) est l’intervalle de temps depuis le début du procès jusqu’au point où la voiture s’arrête au hasard. En raison du processus de suivi dynamique, l’heure d’arrêt signal converge vers une moyenne de réussite ou d’échec d’environ 50 %.
  2. Calculer le temps de réaction de Signal Stop (SSRT) en soustrayant le temps moyen d’arrêt de la voiture dès sa levée moyenne doigt sur les essais de GO (SSRT = temps de réaction moyen GO – heure de signal d’arrêt [c.-à-d. SSD] en moyenne). Tous le SSD en moyenne par bloc et calculer un SSRT pour chaque bloc.

7. TMS informatique

  1. Quantifier les TMS au cours de chaque essai produit un député à l’aide d’amplitude crête-crête mesuré en millivolts. Exclure les essais pour les artefacts de mouvement (aires EMG sous la courbe supérieure à 70 microvolts plus de 100 ms) avant le pouls TMS.

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Résultats

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Une analyse de régression est effectuée à l’aide d’un progiciel de statistiques commerciales d’analyser séparément les données comportementales et neurophysiologiques. Les données représentatives sont de 23 développement généralement des enfants de Cincinnati et 15 de Baltimore (25 mâle, femelle 13). Âge ne différait pas de site (10,3 ± 1,3 ans pour Cincinnati et 10,4 ± 1,2 ans pour Baltimore ; t test p = 0,74)

Nous avons utilis...

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Discussion

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Ce protocole est une nouvelle méthode adaptée aux enfants de combiner une tâche de signal stop et TMS pour examiner l’inhibition corticale liés à l’événement. L’observation clinique des déficits inhibiteurs moteurs et une piètre performance dans les tâches de signaux d’arrêt ont été démontrés dans nombreuses affections neuropsychiatriques. 3 relativement peu de chercheurs ont utilisé des fTMS en ligne afin d’examiner l’excitabilité corticale et inhibition au cours des tâches de l’inhibition de rép...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Cette étude a été financée par le National Institute of Mental Health (R01MH095014).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Manette de jeu de précisionLogitechG-UG15
Modèle d’interface d’acquisition ACQ-16Gould Instrument Systems IncACQ-16
Micro1401-3 Unité d’acquisition de donnéesCambridge Electronic Design LtdSans objet
Logiciel de la version 6 du signal (Windows)Cambridge Electronic Design LtdSans objet Base d’alimentation
Coulbourn InstrumentsV15-17
Bioamplificateur avec filtresCoulbourn InstrumentsV75-04
Câbles d’électrodes conductrices (pour EMG de surface)Coulbourn InstrumentsV91-33
2002 Appareil TMSThe Magstim Company LtdSans objet
Module BiStim2Le Magstim Company LtdNon applicable
Bobine TMS circulaire de 90 mmThe Magstim Company LtdNon applicable
Logiciel de présentation (Windows)Neurobehavioral Systems IncNon applicable
OrdinateurNon applicable
Windows

Références

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Inhibition de la r ponse motricecortex moteur primairet che du signal d arr tpotentiels voqu sprotocole doubles impulsionsTMS impulsion uniquemod lisation par r gressionpotentiels voqu s moteurs

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