方法論記事

反応抑制に関連する皮質の生理学を測定するためのオンラインの経頭蓋磁気刺激プロトコル

DOI：

10.3791/56789

⸱

2018年2月8日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

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

停止信号課題のコース全体で経頭蓋磁気刺激による興奮性と運動反応抑制タスク中に一次運動皮質の抑制を定量化する実験について述べる.

要約

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

一次運動野 (M1) 興奮性と抑制のオンラインの経頭蓋磁気刺激 (TMS) 特性に適した再生可能で、子供向けの運動反応抑制タスクの開発について述べる.モーター応答抑制は不要な操作を防ぐことができます、いくつかの神経の条件で異常。TMS は、M1 の興奮と抑制のシングルとペア パルス プロトコルを使用して定量化することができます、高時間分解能の皮質の生理学を勉強する正確にタイムアウトすることができます非侵襲的な技術です。TMS パルス内試験に時間ロック イベント「レースカー」バージョンを作成するオリジナル ・ スレーター-ハンメル (S H) 停止信号課題を変更しました。この仕事は自分のペースで、800 ms 目標に向かってレースカーを移動するボタン プッシュ後の各トライアル開始すると。試験直前にこのターゲットのレースカーを停止する指上げが必要に行きます。停止試験 (25%) 中に動的に調整停止信号要求科目指リフトを防ぐためには、ランダムに散在しています。行く試験では、TMS パルスがトライアル発症; 後は 650 ms に届けられました。一方、停止試験は、TMS パルス停止信号後 150 ms が発生しました。TMS パルスのタイミングは、停止信号タスク中にこれらの時間の範囲のイベント関連の変更を示す脳波 (EEG) の研究に基づいて決定されました。このタスクは 2 つの研究サイトで 3 ブロックで調べた (n = 38) 我々 は行動のパフォーマンスとイベント関連運動誘発電位 (MEP) を記録しました。複数の独立変数を共変量として年齢を使用して MEP 振幅の分析に使用された回帰モデル (セックス、研究サイト、ブロック、TMS パルス [シングル-ペア パルス対]、試験条件 [移動、停止の成功、エラー停止] 状態)。分析は、TMS パルス条件であることを示した (p < 0.0001) との相互作用試験条件 (p = 0.009) 有意であった。このオンラインの S ・ H/TMS パラダイムのための将来のアプリケーションには、TMS 誘発脳波の電位を測定する脳波同時添加が含まれます。潜在的な制限は、小児では、TMS パルス音行動のタスクのパフォーマンスに影響することです。

概要

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

反応抑制は、選択的に目的の機能目標を妨げることができますこれらの不要な操作を禁止する機能です。1皮質線条体ネットワークは批判的に反応抑制、徐々 に子供たちの成熟として効率的になりますが、注意欠陥多動性障害 (のように多数の神経精神症状の障害に関与します。ADHD)、学習障害、強迫性障害や統合失調症。2,3モーター応答抑制は Go/nogo (こちら) と信号の停止タスク (SST) などの異なる行動パラダイムで調べることができます。1,4行動データだけでは、潜在的に変更、定量化可能な生物学的メカニズムについては行いません。本研究の大きな目標は、反応抑制の実行中にこのタスクの神経基盤の脳に基づく定量的なバイオ マーカーを開発するために大脳皮質運動野の生理学を評価する子優しい手法を開発することでした。このようなバイオ マーカーは、予後の予測の研究や神経障害の治療に幅広いアプリケーション可能性があります。

この目的のため調査官は選択し、スレーター-ハンメル (S H) タスク5を変更します。これは、内部的に生成された事前にプログラムされた行動を阻害する参加者を必要とする停止信号課題です。自分のペースでこのタスクは移動と停止試験から成っています。行く試験、押しボタンに近い (すなわち行くアクション) ボタンを指を解除する命令が 800 ms ターゲットの前に圧力を維持する主題によって開始されます。元パラダイムで時間は急速に回転の手で時計に表示されます。停止試験、中に人は事前に計画された移動作用を阻害する必要があります行く試験の間でランダムに散在している (すなわち指リフトを防ぐため)。こちらの作業、決定は開始または事前コマンドがないアクションを開始するかどうかに対しサブジェクトはプリプログラム GO 信号のコンテキストで応答を抑制するため、停止信号課題は難しくなります。6さらに、それより正確かもしれません自動抑制 GNG タスクで一貫した相関信号と応答ことがありますので、停止信号のタスクを使用して、反応抑制を調査します。7自動抑制は一貫して信号と応答間のマッピング理論 (すなわち GO 信号常に結果、移動の応答)、自動処理実験のコース全体で停止試験されるようにつながる部分的に記憶の検索を介して処理されます、特定のエグゼクティブの制御をバイパスします。8,9

経頭蓋磁気刺激 (TMS) は、皮質の生理学を測定するために使用できる非侵襲的な技術です。シングルとペアにパルス刺激パラダイムを使用して、1 つは皮質興奮性と抑制を定量化できます。アクション10の精神的な準備中およびモーターに反映される可能性があります別の認知状態にいくつかのグループが皮質興奮性/抑制を検討しているが、最も公表された TMS 研究は、安静時の皮質の生理学を調査皮質の生理学。11,12,13,14このファンクショナル ・ TMS (fTMS) アプローチが必要オンライン TMS 測定参加者が行動のタスクを実行している間、変更をようにプローブを 1 つ皮質は状態に依存した高時間分解能。モータ制御15,16の神経条件17,18、生理学的調査を広げるように神経生理学的変化に関するリアルタイムの情報を提供します。 19,20。

事前 fTMS 研究はこちら14と SST タスク15,16,21を使用して健常成人における反応抑制の大脳皮質メカニズムを探検しました。さらに、1 つの調査は示した fTMS/GNG 実験中にメチルフェニ デートの単回投与が健康な成人の運動皮質の生理学を変更します。22日には、ADHD23とトゥレット症候群17の皮質の生理学を特徴付ける GNG タスクを用いた小児 fTMS 研究を公開している 2 つのグループがあります。現在、小児集団における SST を活用した公開 fTMS 研究はないです。

残りの部分だけで TMS 研究よりもはるかに大きい程度に、fTMS の研究における重要な課題は、筋肉アーティファクトです。運動誘発電位 (MEP) から潜時や振幅の標準化された表面筋電図 (EMG) 対策は筋肉の人工物によって汚染されていないする必要があります。だから、たとえば、反応時間の研究で運動のための準備の皮質の変化を勉強する TMS パルス タイムアウトする必要が正確に行く信号後個々 の反応時間の前に発生すること。したがって、タスクでときモーターの応答はまだ始まっていない、時に TMS パルスが発生していることと、参加者が快適で残りの部分に関連する筋肉を維持することができることを確保するため重要です。これは非常に余分な動きが自然と腕と手の反応時間を通して緊張をゲーム保つこと人多動児問題となります。

本研究の目的は、子供向けと一次運動野 (M1) 生理学の勉強に適しては、スレーター ・ ハメル SST のバージョンを開発することです。このタスクは、子供、小児の 3) 対応オンライン TMS を完了する 2) 比較的簡単のため 1) を簡単に理解できるはずです。

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プロトコル

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このプロトコルは、シンシナティ小児病院医療センターによって承認された、最小限のリスクとしてジョンズ ・ ホプキンス制度審査委員会は、子供と大人の研究します。シングルとペア パルス TMS は、2 歳の子供の安全性と国際エキスパート コンセンサスあたり古いと見なされます。24親/保護者と参加者に TMS の潜在的なリスクを説明した後同意し、同意フォームが研究を進めることに同意した場合に署名されています。

1. スクリーニングと導入

  1. 画面の標準化されたアンケートを用いた TM contraindication(s) の科目。25
  2. TMS のオペレーターの腕上磁気パルスを提供するしくみを示してください。
  3. 彼/彼女は、パルスを感じることができるので、参加者の前腕に TMS パルスを配信します。
  4. 聴覚保護のため参加者の耳に耳栓を配置します。

2 表面筋電図セットアップをリードし、手の位置決め

  1. 最初の背側骨間筋 (FDI) を識別するために支配的な人差し指を誘拐する件名を持ちます。、FDI の腹にマイナスの電極を配置し、2ndと 3rd (MCP) 中手指節関節と接地電極の間肯定的な電極をかぶせます、5th MCP 関節。
  2. 両方の腕の尺骨と参加者の手と手は反重力の努力必要 (図 1) と枕に完全に安静時を位置します。
  3. 第 3 第 5 指を曲げている間支配的な人差し指を拡張参加者を含まれています。その後、レースカー S H タスクに使用するボタンに人差し指がかかっているので、枕の上ゲーム コント ローラー パッドを配置します。この手の位置のための理論的根拠は、移動アクションがボタンから人差し指を持ち上げるための外国直接投資の活性化を必要とすることです。したがって、支配的な FDI の EMG トレースを記録し、プローブの M1 の興奮性および移動の抑制、それぞれ試験を停止します。

3. ベースライン TMS データ集録

  1. MEP 記録の記録パラメーターを設定 - 低、高 2 kHz のサンプリング レート 100 1000 Hz のフィルターに渡します。
  2. 上に置かれた接線方向頭蓋骨に頂点のハンドルを最適な位置と右の FDI の MEP の生産のためのオリエンテーションで後頭部に向かって指して次標準で 90 mm の円形 TMS コイルを用いたベースライン TMS 測定値を得るプロトコル。26このコイルの位置と向きは、M1 以上後方に誘導電流を生成する必要があります。
    1. ワックスの鉛筆を使用して、ホット スポットは TMS パルス配信が同じ皮質領域で行われることを確保するために位置していた一度頭皮の場所をマークします。
  3. 20 の実行試験27ベースライン単発 (sp) TMS の RMT の 120% の強度を使用して残りの部分を両手で FDI Mep を誘発します。
  4. M1 短間隔皮質内抑制 (SICI) 3 ms、60% の刺激間間隔を使用して安静時のベースライン ペアパルス TMS メジャーの 20 の試験を実行 * エアコンとして RMT パルス強度と 120 %m1 を定量化するテスト パルス強度として RMT抑制性の GABAA-作動性介在神経細胞の活動。28,29,30は 6 ± 0.3 秒のベースライン測定の間の間隔を設定します。

4. S H 行動タスク

  1. 被写体の前に直接モニターにレースカー S H 応答抑制タスクを表示します。行動のタスクの最初の訓練科目によって実験を開始します。モニターの左側にある車が (図 2 a) 支配的な指の内転によってボタンが押されたときに移動する開始されます件名を教えてください。
  2. GO 試験の目標は同様に近く、800 ms ターゲット画面に縦線で示される前に指を持ち上げることを参加者に伝えます。700 ~ 800 ms 指リフトが発生した場合、「良い仕事」を表示、それ以外の場合、「早すぎる」または「余りに遅く」が表示されます。参加者が 10 GO 試験の練習します。
  3. 試験の 2 番目のセットを含む 800 の ms ターゲットの前にランダムに停止する車を参加者に伝えることにより停止タスクのためのトレーニングを提供します。
    1. 車がランダムに停止するたびに、指を持ち上げることがなく、ボタンに人差し指を保つために子供を教えてください。これらの停止試験で成功するには、指は 1000 ms 各試行の開始後に表示されるようにプログラムされているチェッカー フラグが見られるまでボタンに残らなければなりません。停止信号を表示チェッカー フラグの前に指がリフトされた場合は、「早すぎる」メッセージが表示されますを参加者に通知します。成功した停止試験後「偉大な」メッセージが表示されることを子供に教えてください。
    2. 10 停止試験を練習する子供がいます。
      メモ: プログラムは、動的追跡アルゴリズムです。トレーニング後実際の実験では、参加者が 1 つの停止試験を失敗した場合、次の停止試験は、(すなわち、停止信号が 800 ms ターゲットから 50 ms をシフトする) 容易になります、500 さんで最初の停止信号が発生します。ただし、停止試験が成功した場合、次の停止の裁判が難しくなる (すなわち、停止信号が目標に向かって 50 ms をシフトする)。この動的追跡プロセスは必ず全体の実験の末、停止試験の約 50% が成功した一方、他の半分は失敗した試験になります。停止信号は、臨床試験開始後 300 と 700 ms 間を調整するプログラムです。
  4. 後、参加者は練習行く専用と停止のみの試験、次の練習のブロックに行くと停止試験の混合物が含まれていることを伝えます。混合行くと最後の練習として停止 20 試験を実行する子供がいます。

5. オンライン S H/TMS 実験します。

  1. オンラインの S ・ H/TMS 実験を開始、する前に付加する参加者を思い出させる (プッシュ ダウン)、トライアルを開始、(リフトオフ) を誘拐する行く試験指、停止試験のボタンに指を保つに支配的な人差し指。インデックス指内転を開始し、(図 2 a と 2 b) TMS パルスの時、拮抗最初背側骨間 (FDI) 筋、筋リードの配置場所になるので、それぞれ試用期間中に車の動きを保持する選ばれました。FDI トレースにおけるモーション ・ アーチファクトの可能性を減らす、休憩します。
  2. S H 作業中、TMS パルスが配信されることを参加者に伝えます。オンライン TMS S H 試験の 3 つのブロックがある主題を指示する (3: 1 停止試験比)。
    注: 移動の試験中に TMS パルスは各臨床試験開始後 650 ms で配信されるようにプログラムされます。このタイミングは、当初この範囲の運動準備に関連付けられている M1 の興奮性の増加をキャプチャできることを示す前の TMS 研究に基づいて選択されます。10停止試験、TMS パルスは 150 ミリ秒後配信停止信号。正常な停止試験で人差し指がはがれないボタンしたがって興奮性反射応答の抑制ではなく、モーターの準備中または実行に関連した皮質活動キャプチャされた M1。
  3. 90 mm の円形コイルを優先的に支配的な M1 を刺激し、エアコンを設定前のワックスの鉛筆のマークを使用して頂点に置きますパルス強度 60% * 120% に RMT とテスト パルス * RMT。オンラインの S ・ H/TMS 実験を開始します。120 試験を完了する時間がかかる子供は一般に 30-40 分であります。

6. レースカー スレーター ・ ハーメルの行動データ

  1. 行く試験では、各試行の先頭に相対指上げ時間と反応時間を決定します。各ブロックの平均。停止試験は、指上げ時間成功を決定する、車の停止信号の時間 (すなわち停止信号遅延;SSD)、車がランダムに停止ポイントに裁判の開始から時間間隔です。動的追跡プロセスによる停止信号の時間は ~ 50% の成功/失敗の平均値に向かって収束します。
  2. GO 試験の平均指上げ時間から平均車停止時間を引いて停止信号反応時間 (SSRT) を計算 (SSRT = 移動反応時間の平均-平均停止信号時間 [すなわち SSD])。ブロックによってすべての SSD を平均し、各ブロックの SSRT を計算します。

7. TMS データ処理

  1. それぞれの間に TMS を定量化試験生産 MEP はミリボルト単位ピーク-ピーク振幅を用いたします。TMS パルス前運動成果物 (70 ローパワー以上 100 ms 以上の曲線下筋領域) の試験を除外します。

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結果

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回帰分析は、行動と神経生理学的データを個別に分析する商業統計ソフトウェア パッケージを使用して実行されます。代表的なデータは、通常発達児シンシナティからとボルチモア (25 の男性、13 の女性) から 15 23 からです。年齢はサイト間差はなかった (10.3 ± 1.3 年シンシナティと 10.4 ± 1.2 年ボルチモアの; t テスト p = 0.74)

我々 は独立変数としてセックス、サイト (ボルチモア対シンシナティ) トライアル ブロックと共変量として年齢とともに SSRT を分析するのに回帰モデルを使用しました。これらの変数間の相互作用についても。この分析は、年齢が SSRT に重要な効果を持つ唯一の変数を明らかに (p = 0.005)。

TMS の神経生理学的データは、従属変数として回帰分析のピーク-ピーク M...

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ディスカッション

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このプロトコルは、停止信号課題とイベント関連皮質内抑制を検討する TMS を組み合わせた子供向けの手法です。運動の抑制障害や停止信号タスクのパフォーマンスが低下の臨床的観察は、数多くの神経の条件で実証されています。3皮質興奮性と応答抑制タスク中に抑制を検討するのにオンライン fTMS は、比較的少数の研究者が使用しています。いくつかのグループは、子供と大人の皮質の生理学の違いを表示するのに GNG タスク中に正常に TMS を使用しています。14,23,34ただし、GNG タスク理想的で行なうべきで比較的高速な抑制は Nogo 試験で十分に調べることができるので、タスクを通じて呈示モーター応答を引き出すためにペース。35,36方法論的観点からテンポの速い GNG タスクでは、デバイス コン...

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開示事項

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

著者が明らかに何もありません。

謝辞

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

この研究によって、国立衛生研究所の精神 (R01MH095014) 資金を供給されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
精密ゲームパッドLogitechG-UG15
Acquisition Interface Model ACQ-16Gould Instrument Systems IncACQ-16
Micro1401-3 Data Acquisition UnitCambridge Electronic Design Ltd該当
Signal version 6 software (Windows)Cambridge Electronic Design Ltd該当
Power baseCoulbourn InstrumentsV15-17
フィルター付きバイオアンプCoulbourn InstrumentsV75-04
導体電極ケーブル(表面EMG用)Coulbourn InstrumentsV91-33
2002 TMSデバイスThe Magstim Company Ltd該当なし
BiStim2モジュールThe MagstimCompany Ltd該当
90mm 円形 TMS コイルThe Magstim Company Ltd該当
プレゼンテーション ソフトウェア (Windows)Neurobehavioral Systems Inc該当
Windows コンピューター該当なし
なしなしなしなしなし

参考文献

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