Articolo metodologico

Valutazione dell'eccitabilità corticospinale durante il comportamento di raggiungimento diretto all'obiettivo

DOI:

10.3791/64238

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2 dicembre 2022

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

In questo articolo

Sommario

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Raggiungere è un'abilità fondamentale che consente all'uomo di interagire con l'ambiente. Diversi studi hanno mirato a caratterizzare il raggiungimento del comportamento utilizzando una varietà di metodologie. Questo articolo offre un'applicazione open-source della stimolazione magnetica transcranica per valutare lo stato di eccitabilità corticospinale negli esseri umani durante il raggiungimento delle prestazioni del compito.

Abstract

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

Raggiungere è un comportamento ampiamente studiato nella fisiologia motoria e nella ricerca neuroscientifica. Mentre il raggiungimento è stato esaminato utilizzando una varietà di manipolazioni comportamentali, rimangono lacune significative nella comprensione dei processi neurali coinvolti nella pianificazione, esecuzione e controllo della portata. Il nuovo approccio qui descritto combina un compito di raggiungimento bidimensionale con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) e la registrazione elettromiografica simultanea (EMG) da più muscoli. Questo metodo consente il rilevamento non invasivo dell'attività corticospinale in punti temporali precisi durante lo svolgimento dei movimenti di raggiungimento. Il codice dell'attività di esempio include una risposta ritardata che raggiunge l'attività con due possibili destinazioni visualizzate ± 45° dalla linea mediana. La TMS a impulso singolo viene erogata nella maggior parte delle prove di attività, sia all'inizio del segnale preparatorio (linea di base) o 100 ms prima del segnale imperativo (ritardo). Questo disegno di esempio è adatto per studiare i cambiamenti nell'eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. Il codice di esempio include anche una perturbazione visuomotoria (cioè una rotazione del cursore di ± 20°) per studiare gli effetti dell'adattamento sull'eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. I parametri dell'attività e la consegna TMS possono essere regolati per affrontare ipotesi specifiche sullo stato del sistema motorio durante il raggiungimento del comportamento. Nell'implementazione iniziale, i potenziali evocati motori (MEP) sono stati ottenuti con successo nell'83% degli studi TMS e le traiettorie di raggiungimento sono state registrate in tutti gli studi.

Introduzione

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Il raggiungimento diretto all'obiettivo è un comportamento motorio fondamentale che consente agli esseri umani di interagire e manipolare l'ambiente esterno. Lo studio del raggiungimento nei campi della fisiologia motoria, della psicologia e delle neuroscienze ha prodotto una letteratura ricca e ampia che include una varietà di metodologie. I primi studi sul raggiungimento hanno utilizzato registrazioni neurali dirette in primati non umani per studiare l'attività neurale a livello di singoli neuroni 1,2. Studi più recenti hanno studiato il raggiungimento utilizzando paradigmi comportamentali che impiegano l'adattamento sensomotorio per esplorare la natura dell'apprendimento motorio e del controllo 3,4,5. Tali compiti comportamentali combinati con la risonanza magnetica funzionale e l'elettroencefalografia possono misurare l'intera attività cerebrale durante il raggiungimento negli esseri umani 6,7. Altri studi hanno applicato TMS online per indagare varie caratteristiche della preparazione e dell'esecuzione della portata 8,9,10,11,12,13,14. Tuttavia, rimane la necessità di un approccio open source e flessibile che combini la valutazione comportamentale del raggiungimento con TMS. Mentre l'utilità di combinare TMS con protocolli comportamentali è molto ben consolidata15, qui, esaminiamo specificamente l'applicazione di TMS nel contesto del raggiungimento utilizzando un approccio open source. Questo è nuovo in quanto altri gruppi che hanno pubblicato utilizzando questa combinazione di metodi non hanno reso i loro strumenti prontamente disponibili, vietando la replica diretta. Questo approccio open source facilita la replica, la condivisione dei dati e la possibilità di studi multi-sito. Inoltre, se altri desiderano perseguire nuove domande di ricerca con strumenti simili, il codice open source può fungere da trampolino di lancio per l'innovazione, in quanto è facilmente adattabile.

TMS offre un mezzo non invasivo per sondare il sistema motore in punti temporali controllati con precisione16. Quando applicato sulla corteccia motoria primaria (M1), TMS può provocare una deflessione misurabile nell'elettromiogramma di un muscolo mirato. L'ampiezza di questa onda di tensione, nota come potenziale evocato del motore (MEP), fornisce un indice dello stato di eccitabilità momentanea della via corticospinale (CS), un analogo risultante di tutte le influenze eccitatorie e inibitorie sulla via CS17. Oltre a fornire una misurazione affidabile all'interno del soggetto dell'eccitabilità intrinseca della CS, la TMS può essere combinata con altre metriche comportamentali o cinematiche per indagare le relazioni tra attività e comportamento della CS in modo temporalmente preciso. Molti studi hanno utilizzato una combinazione di TMS ed elettromiografia (EMG) per rispondere a una serie di domande sul sistema motorio, in particolare perché questa combinazione di metodi consente di studiare i MEP in una vasta gamma di condizioni comportamentali15. Un'area in cui ciò si è dimostrato particolarmente utile è lo studio della preparazione all'azione, il più delle volte attraverso lo studio dei movimenti a singola articolazione18. Tuttavia, ci sono relativamente meno studi TMS di movimenti multi-articolari naturalistici come il raggiungimento.

L'obiettivo attuale era quello di progettare un'attività di raggiungimento della risposta ritardata che includesse cinematica comportamentale, somministrazione TMS a impulso singolo online e registrazione EMG simultanea da più muscoli. L'attività include un paradigma di raggiungimento punto-punto bidimensionale con feedback visivo online utilizzando un monitor orientato orizzontalmente in modo tale che il feedback visivo corrisponda alle traiettorie di raggiungimento (cioè una relazione 1: 1 durante il feedback veridico e nessuna trasformazione tra feedback visivo e movimento). Il progetto attuale include anche una serie di prove con una perturbazione visuomotrice. Nell'esempio fornito, si tratta di uno spostamento di rotazione di 20° nel feedback del cursore. Studi precedenti hanno utilizzato un paradigma di raggiungimento simile per affrontare domande sui meccanismi e sui calcoli associati all'adattamento sensomotorio 19,20,21,22,23,24,25. Inoltre, questo approccio consente di valutare le dinamiche di eccitabilità del sistema motorio in punti temporali precisi durante l'apprendimento motorio online.

Poiché il raggiungimento ha dimostrato di essere un comportamento fruttuoso per studiare l'apprendimento / adattamento, valutare l'eccitabilità CS nel contesto di questo comportamento ha un enorme potenziale per far luce sui substrati neurali coinvolti in questi comportamenti. Questi possono includere influenze inibitorie locali, cambiamenti nelle proprietà di sintonizzazione, la tempistica degli eventi neurali, ecc., Come è stato stabilito nella ricerca sui primati non umani. Tuttavia, queste caratteristiche sono state più difficili da quantificare negli esseri umani e nelle popolazioni cliniche. La dinamica neurale può anche essere studiata in assenza di movimento palese negli esseri umani utilizzando l'approccio combinato TMS ed EMG (cioè, durante la preparazione del movimento o a riposo).

Gli strumenti presentati sono open-source e il codice è facilmente adattabile. Questo nuovo paradigma produrrà importanti intuizioni sui meccanismi coinvolti nella preparazione, esecuzione, terminazione e adattamento dei movimenti raggiunti. Inoltre, questa combinazione di metodi ha il potenziale per scoprire le relazioni tra l'elettrofisiologia e il raggiungimento del comportamento negli esseri umani.

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Protocollo

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Tutti i metodi qui descritti sono stati eseguiti in conformità con il protocollo IRB e l'approvazione (numero di protocollo IRB dell'Università dell'Oregon 10182017.017). Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti.

1. Apparato di raggiungimento

  1. Posizionare una tavoletta grafica di grandi dimensioni su un desktop.
  2. Utilizzare un telaio regolabile in alluminio 80-20 per posizionare il monitor di 6-8 pollici sopra il tablet in parallelo, con lo schermo rivolto verso l'alto (per un progetto, controllare qui: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS e Figura supplementare 1).
    NOTA: questa configurazione consente ai partecipanti di raggiungere il tablet e acquisire obiettivi presentati sul monitor delle attività mentre occludono la visione del braccio che raggiunge.
  3. Utilizzare la configurazione descritta in Kim et al.3 come riferimento.

2. Interfacce macchina

  1. Collegare il tablet al computer tramite una porta USB. Collegare il task monitor al computer tramite la porta HDMI. Collegare la porta TMS posteriore al computer tramite un cavo DB-9.
  2. Collegare il sistema EMG al computer tramite una scheda PCI-6220 DAQ. Collegare il fotodiodo al sistema EMG tramite un cavo BNC.

3. Sensore a fotodiodi

  1. Collegare un sensore a fotodiodi al cavo BNC. Fissare il sensore a fotodiodi con nastro adesivo nell'angolo superiore destro del monitor delle attività, con il sensore rivolto verso lo schermo, a ≤ di distanza 1 cm.
    NOTA: questo registrerà i tempi degli stimoli presentati sul monitor delle attività come dati analogici in un canale di input indipendente.

4. Software

  1. Scarica VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) per MATLAB 2018 per interfacciarti con l'hardware per la raccolta dei dati.
  2. Scarica il reaching task code (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) sviluppato per il controllo dei parametri sperimentali e l'interfacciamento con il tablet.

5. Screening dei partecipanti e consenso informato

  1. Esaminare il soggetto per controindicazioni alla TMS. I criteri di esclusione includono una storia personale o familiare di convulsioni, mal di testa, traumi cerebrali, svenimenti, stress cronico o ansia, problemi con il sonno e qualsiasi farmaco neuroattivo. Ulteriori criteri di esclusione includono qualsiasi impianto metallico nel cervello o nel cranio e qualsiasi uso di droghe ricreative o alcol nelle 24 ore precedenti il test. I criteri di inclusione includevano la mano destra e l'età compresa tra 18 e 35 anni.
  2. Fornire una spiegazione scritta della procedura e dei rischi associati, chiarendo eventuali ulteriori domande che il partecipante potrebbe avere.
  3. Ottenere il consenso informato dei partecipanti.

6. Impostazione del soggetto

  1. Posizionare il soggetto su una comoda sedia rivolta verso il tablet. Assicurarsi che le ginocchia siano flesse a 90° con le gambe sotto la scrivania.
  2. Preparare la pelle e posizionare gli elettrodi EMG.
    1. Utilizzare carta vetrata a grana fine per abradere delicatamente la pelle nel sito del primo interossei dorsale destro (FDI), dell'estensore carpi radialis e dei muscoli deltoidi anteriori, nonché della prominenza C4 alla base del collo, per rilevare gli artefatti elettrici prodotti dall'impulso TMS.
      NOTA: i siti di registrazione muscolare possono essere adattati in base alle esigenze dell'utente.
    2. Tamponare ogni area abrasa con un tampone di preparazione dell'alcool una volta per sito dell'elettrodo da pulire.
    3. Posizionare un elettrodo EMG su ciascun sito. Assicurarsi che gli elettrodi funzionino perpendicolarmente alle fibre muscolari. Posizionare l'elettrodo di massa sulla prominenza ossea del gomito destro.
    4. Fissare ogni elettrodo con nastro medicale.
  3. Controllare la qualità della registrazione EMG. Utilizza il toolbox VETA per visualizzare tutte le tracce EMG e assicurarti che siano prive di artefatti. Se le tracce EMG sono rumorose, assicurarsi che il terreno sia posizionato correttamente e che tutti gli elettrodi entrino in contatto con la pelle.

7. Stimolazione magnetica transcranica

  1. Accendere la macchina TMS.
  2. Trova il punto caldo TMS del muscolo FDI destro tramite la stimolazione della M1 sinistra.
    1. Posizionare la bobina ~5 cm lateralmente e 2 cm anteriormente al vertice della testa, orientata ~45° rispetto alla linea mediana.
    2. Somministrare impulsi TMS una volta ogni 4 s riposizionando la bobina con incrementi di circa 5 mm nel piano antero-posteriore e mediale-laterale.
    3. A partire dal 30% di uscita massima dello stimolatore, aumentare gradualmente l'intensità TMS di incrementi del 2% fino a quando non vengono osservati i MEP.
    4. Una volta identificata la posizione ottimale, in cui i MEP possono essere suscitati in modo affidabile sulla maggior parte (~ 75%) degli impulsi alla più bassa intensità possibile dello stimolatore, determinare la soglia del motore a riposo (RMT) trovando il livello di intensità che produce MEP con un'ampiezza picco-picco di >50 μV su cinque impulsi su 10.
    5. Segna la posizione posizionando delicatamente sottili strisce di nastro riflettente sulla testa del partecipante lungo il perimetro della bobina. Mantenere il posizionamento della bobina tenendo manualmente la bobina o utilizzando un supporto per supportarla.

8. Raggiungere la configurazione dell'attività

  1. Metti un guanto Velcro sulla mano destra del partecipante per facilitare una postura di presa di potenza rilassata.
  2. Attaccare lo stilo al guanto e consigliare al soggetto di mantenere la mano rilassata tra i movimenti di raggiungimento.
  3. Comunicare le istruzioni per l'attività, che sono le seguenti: Guidare il cursore verso la posizione iniziale nella parte inferiore dello schermo. Vedrai un segnale in una delle due posizioni di destinazione. Quando il bersaglio si riempie di colore, raggiungilo il bersaglio il più velocemente e nel modo più accurato possibile. Quindi tornare alla posizione di partenza. Indicare le posizioni delle posizioni di casa, i segnali e gli obiettivi (Figura 1A).
  4. Istruisci il partecipante a tagliare i bersagli con lo stilo nel modo più rapido e preciso possibile. Spegnere le luci nella sala delle attività per oscurare la visione dei movimenti delle braccia da parte del partecipante e migliorare la visibilità del monitor delle attività.

9. Progettazione delle attività

  1. Controlla la presentazione visiva degli stimoli con Psychtoolbox 3.0 in Matlab 2018 (Supplementary Coding File 1).
  2. Utilizzare i seguenti parametri per abbinare i dati attuali: 20 prove pratiche; 270 prove di prova; TMS su 4/5 delle prove di prova; TMS coincide con l'inizio del segnale preparatorio (TMS basale) o 100 ms prima del segnale imperativo (TMS ritardato) con uguale frequenza; 1/10 delle prove totali sono prove di cattura, in cui il segnale imperativo non appare; la posizione di casa è un cerchio con un raggio di 2 cm posizionato in basso al centro dello spazio di lavoro; Due bersagli circolari con raggio di 1 cm sono posizionati a 15 cm dalla posizione di casa a +45° e -45° di distanza dalla linea mediana.
  3. Imposta l'ordine e la durata degli eventi come segue: segnale preparatorio a 900 ms e segnale imperativo a 900 ms.

10. Amministrazione TMS

  1. Il toolbox VETA amministra contemporaneamente TMS e registra EMG https://github.com/greenhouselab/Veta.
  2. Controlla la temporizzazione degli impulsi TMS con il toolbox VETA in modo che coincida con gli eventi comportamentali scelti (ad esempio, l'inizio del segnale preparatorio o 100 ms che precede l'inizio del target).
  3. Fornire TMS con frequenza sufficiente a garantire un numero sufficiente di deputati per l'analisi.
    NOTA: Come scritto, il codice dell'attività fornirà un impulso TMS su 4/5 delle prove totali all'inizio del segnale preparatorio - per suscitare i MEP di base - o 100 ms prima del segnale imperativo - per suscitare deputati ritardati. I parametri possono essere regolati nel codice in base alle esigenze dell'utente. Gli studi senza TMS possono essere utilizzati per valutare le prestazioni comportamentali in assenza di TMS. Ciò è utile per determinare qualsiasi possibile influenza di TMS sulle prestazioni.

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Risultati

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L'esecuzione di successo dei metodi descritti include la registrazione dei dati delle compresse, le tracce EMG e l'elicitazione affidabile dei deputati al Parlamento europeo. È stato completato un esperimento che comprendeva 270 prove di prova con TMS consegnato su 4/5 delle prove (216 prove).

I dati sono stati raccolti da 16 partecipanti (otto femmine; otto maschi) di età compresa tra 25 ± 10 anni, tutti auto-segnalati come destrorsi. Abbiamo valutato l'efficacia della perturbazione visiva su...

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Discussione

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I metodi sopra descritti offrono un nuovo approccio allo studio della preparazione motoria nel contesto del raggiungimento dei comportamenti. Sebbene il raggiungimento rappresenti un compito modello popolare nello studio del controllo motorio e dell'apprendimento, è necessario valutare con precisione le dinamiche CS associate al raggiungimento del comportamento. TMS offre un metodo non invasivo e temporalmente preciso per catturare l'attività CS in punti temporali discreti durante il raggiungimento. L'ap...

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Dichiarazioni

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Tutti gli autori dichiarano che non ci sono conflitti di interesse

Ringraziamenti

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Questa ricerca è stata resa possibile in parte dal generoso finanziamento del programma Knight Campus Undergraduate Scholars e della Phil and Penny Knight Foundation

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
PCI Express nativo a 2 porteStarTech.comScheda RS232 con 16950 UART Deve essere compatibile con il computer desktop
Telaio regolabile in alluminio 80-20qualsiasi
tampone per la preparazione dell'alcolqualsiasipreparazione EMG
Elettrodi bipolari BagnoliDelsysDE 2.1
Elettrodo di riferimentoBagnoli DelsysUSX20002" (5cm) Rotondo
Bagnoli-8 EMG SystemDelsys
Sediaqualsiasi
Monitor per computer per EMG/TMSn/a
Scrivaniaqualsiasi
Computer desktopDellxps 8930RAM: 16 GB, Memoria: 1TB, Grafica: 1060 6GB 
Elettrodi EMGDelsys Sensor Adhesive Interface
Carta vetrata a grana finequalsiasipreparazione EMG
Tavoletta graficaWacomIntuos-4 XL
Impugnatura del rullo di vernicequalsiasida utilizzare come maniglia dello stilo, il centro scavato deve essere abbastanza grande da consentire allo stilo di posizionarsi saldamente all'interno 
Nastro medicoqualsiasiPer fissare gli elettrodi EMG
Scheda PCI-6220 DAQNational InstrumentsPer interfacciare il sistema EMG
Sensore a fotodiodoVishayBPW21RPer registrare la temporizzazione degli eventi dell'attività nella traccia EMG.
Porta TMS posterioreMagstimIncluso con la macchina TMS
Guanto in polietilene per destrimaniqualsiasiTagliare il pollice e l'indice del guanto per esporre il muscolo FDI
Interfaccia adesiva sensoriale, 2 slotDelsysSC-F01
StiloWacomIntuos-4 penna grip
Cavo USB da tablet a computer...qualsiasiIncluso nell'acquisto del tablet
Monitor di attivitàAsusVG248
Bobina TMS Bobinaremota MagstimD70Diametro 7 cm, bobina a forma di otto
Macchina TMSMagstim200-2
Cavo DB9 da TMS a ComputerqualsiasiSi collega alla scheda seriale PCIe
VelcroqualsiasiDa posizionare sul guanto e maniglia dello stilo

Riferimenti

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Stimolazione Magnetica TranscranicaRegistrazione ElettromiograficaPotenziali Evocati MotoriPerturbazione VisuomotoriaAdattamento MotorioProgettazione di Task ComportamentaliAttivit Muscolare

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