Summary
الوصول هو مهارة أساسية تسمح للبشر بالتفاعل مع البيئة. تهدف العديد من الدراسات إلى توصيف سلوك الوصول باستخدام مجموعة متنوعة من المنهجيات. تقدم هذه الورقة تطبيقا مفتوح المصدر للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة لتقييم حالة استثارة القشرية الشوكية لدى البشر أثناء الوصول إلى أداء المهمة.
Abstract
الوصول هو سلوك تمت دراسته على نطاق واسع في علم وظائف الأعضاء الحركي وأبحاث علم الأعصاب. بينما تم فحص الوصول باستخدام مجموعة متنوعة من التلاعب السلوكي ، لا تزال هناك فجوات كبيرة في فهم العمليات العصبية التي ينطوي عليها تخطيط الوصول والتنفيذ والتحكم. يجمع النهج الجديد الموصوف هنا بين مهمة الوصول ثنائية الأبعاد مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) وتسجيل تخطيط كهربية العضل المتزامن (EMG) من عضلات متعددة. تسمح هذه الطريقة بالكشف غير الجراحي عن النشاط القشري الشوكي في نقاط زمنية محددة أثناء الكشف عن حركات الوصول. يتضمن رمز المهمة النموذجي مهمة الوصول إلى الاستجابة المتأخرة مع عرض هدفين محتملين ± 45 درجة من خط الوسط. يتم تسليم TMS نبضة واحدة في غالبية تجارب المهام ، إما في بداية الإشارة التحضيرية (خط الأساس) أو 100 مللي ثانية قبل الإشارة الحتمية (التأخير). تصميم العينة هذا مناسب للتحقيق في التغيرات في استثارة القشرية الشوكية أثناء تحضير الوصول. يتضمن نموذج التعليمات البرمجية أيضا اضطرابا حركيا بصريا (أي دوران المؤشر بمقدار ± 20 درجة) للتحقيق في آثار التكيف على استثارة القشرية الشوكية أثناء تحضير الوصول. يمكن تعديل معلمات المهمة وتسليم TMS لمعالجة فرضيات محددة حول حالة النظام الحركي أثناء سلوك الوصول. في التنفيذ الأولي ، تم استنباط الإمكانات المستثارة الحركية (MEPs) بنجاح في 83٪ من تجارب TMS ، وتم تسجيل مسارات الوصول في جميع التجارب.
Introduction
الوصول الموجه نحو الهدف هو سلوك حركي أساسي يسمح للبشر بالتفاعل مع البيئة الخارجية والتلاعب بها. أنتجت دراسة الوصول في مجالات فسيولوجيا المحرك وعلم النفس وعلم الأعصاب أدبيات غنية وواسعة النطاق تتضمن مجموعة متنوعة من المنهجيات. استخدمت الدراسات المبكرة للوصول التسجيلات العصبية المباشرة في الرئيسيات غير البشرية للتحقيق في النشاط العصبي على مستوى الخلايا العصبية المفردة 1,2. بحثت الدراسات الحديثة في الوصول باستخدام النماذج السلوكية التي تستخدم التكيف الحسي الحركي لاستكشاف طبيعة التعلم الحركي والتحكم3،4،5. يمكن لمثل هذه المهام السلوكية جنبا إلى جنب مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وتخطيط كهربية الدماغ قياس نشاط الدماغ بالكامل أثناء الوصول إلى البشر 6,7. طبقت دراسات أخرى TMS عبر الإنترنت للتحقيق في الميزات المختلفة لإعداد الوصول والتنفيذ8،9،10،11،12،13،14. ومع ذلك ، لا تزال هناك حاجة إلى نهج مفتوح المصدر ومرن يجمع بين التقييم السلوكي للوصول إلى TMS. في حين أن فائدة الجمع بين TMS والبروتوكولات السلوكية راسخة للغاية15 ، هنا ، ندرس على وجه التحديد تطبيق TMS في سياق الوصول باستخدام نهج مفتوح المصدر. هذا أمر جديد في أن المجموعات الأخرى التي نشرت باستخدام هذا المزيج من الأساليب لم تجعل أدواتها متاحة بسهولة ، مما يحظر التكرار المباشر. يسهل هذا النهج مفتوح المصدر النسخ المتماثل ومشاركة البيانات وإمكانية إجراء دراسات متعددة المواقع. بالإضافة إلى ذلك ، إذا رغب الآخرون في متابعة أسئلة بحثية جديدة باستخدام أدوات مماثلة ، يمكن أن تعمل الشفرة مفتوحة المصدر كمنصة انطلاق للابتكار ، لأنها قابلة للتكيف بسهولة.
يوفر TMS وسيلة غير جراحية لفحص النظام الحركي في نقاط زمنية يتم التحكم فيها بدقة16. عند تطبيقه على القشرة الحركية الأولية (M1) ، يمكن أن يؤدي TMS إلى انحراف قابل للقياس في مخطط كهربية العضل للعضلة المستهدفة. توفر سعة موجة الجهد هذه ، والمعروفة باسم الجهد الحركي المثار (MEP) ، مؤشرا لحالة الاستثارة اللحظية للمسار القشري الشوكي (CS) - وهو تناظر ناتج لجميع التأثيرات المثيرة والمثبطة على مسار CS17. بالإضافة إلى توفير قياس موثوق داخل الموضوع لاستثارة CS الجوهرية ، يمكن دمج TMS مع مقاييس سلوكية أو حركية أخرى للتحقيق في العلاقات بين نشاط CS والسلوك بطريقة دقيقة زمنيا. استخدمت العديد من الدراسات مزيجا من TMS وتخطيط كهربية العضل (EMG) لمعالجة مجموعة متنوعة من الأسئلة حول النظام الحركي ، خاصة وأن هذا المزيج من الأساليب يجعل من الممكن التحقيق في MEPs في ظل مجموعة واسعة من الظروف السلوكية15. أحد المجالات التي ثبت فيها ذلك فائدته بشكل خاص هو دراسة إعداد العمل ، غالبا من خلال دراسة حركات المفصل الواحد18. ومع ذلك ، هناك عدد أقل نسبيا من دراسات TMS للحركات الطبيعية متعددة المفاصل مثل الوصول.
كان الهدف الحالي هو تصميم مهمة الوصول إلى الاستجابة المتأخرة التي تتضمن الحركية السلوكية ، وإدارة TMS أحادية النبضة عبر الإنترنت ، وتسجيل EMG المتزامن من عضلات متعددة. تتضمن المهمة نموذج وصول ثنائي الأبعاد من نقطة إلى نقطة مع ملاحظات مرئية عبر الإنترنت باستخدام شاشة موجهة أفقيا بحيث تتطابق التعليقات المرئية مع مسارات الوصول (أي علاقة 1: 1 أثناء التغذية الراجعة الحقيقية وعدم وجود تحول بين التغذية الراجعة المرئية والحركة). يتضمن التصميم الحالي أيضا مجموعة من التجارب مع اضطراب حركي مرئي. في المثال المقدم ، هذا هو تحول دوراني بمقدار 20 درجة في ملاحظات المؤشر. استخدمت الدراسات السابقة نموذجا مشابها للوصول لمعالجة الأسئلة حول الآليات والحسابات المرتبطة بالتكيف الحسي الحركي19،20،21،22،23،24،25. علاوة على ذلك ، يتيح هذا النهج تقييم ديناميكيات استثارة النظام الحركي في نقاط زمنية محددة أثناء التعلم الحركي عبر الإنترنت.
نظرا لأن الوصول أثبت أنه سلوك مثمر للتحقيق في التعلم / التكيف ، فإن تقييم استثارة CS في سياق هذا السلوك لديه إمكانات هائلة لإلقاء الضوء على الركائز العصبية المشاركة في هذه السلوكيات. قد تشمل هذه التأثيرات المثبطة المحلية ، والتغيرات في خصائص الضبط ، وتوقيت الأحداث العصبية ، وما إلى ذلك ، كما تم تأسيسها في أبحاث الرئيسيات غير البشرية. ومع ذلك ، كان من الصعب تحديد هذه الميزات في البشر والسكان السريريين. يمكن أيضا التحقيق في الديناميات العصبية في غياب الحركة العلنية لدى البشر باستخدام نهج TMS و EMG المشترك (أي أثناء التحضير للحركة أو أثناء الراحة).
الأدوات المقدمة مفتوحة المصدر ، والكود قابل للتكيف بسهولة. سينتج هذا النموذج الجديد رؤى مهمة حول الآليات التي ينطوي عليها إعداد وتنفيذ وإنهاء وتكييف حركات الوصول. علاوة على ذلك ، فإن هذا المزيج من الأساليب لديه القدرة على الكشف عن العلاقات بين الفيزيولوجيا الكهربية والوصول إلى السلوك لدى البشر.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تم تنفيذ جميع الطرق المفصلة هنا وفقا لبروتوكول IRB والموافقة عليه (رقم بروتوكول IRB بجامعة أوريغون 10182017.017). تم الحصول على الموافقة المستنيرة من جميع الأشخاص.
1. الوصول إلى الجهاز
- ضع لوحة رسومات كبيرة مسطحة على سطح المكتب.
- استخدم إطارا من الألومنيوم 80-20 قابلا للتعديل لوضع شاشة المهام 6-8 فوق الجهاز اللوحي بالتوازي ، مع توجيه الشاشة لأعلى (للحصول على مخطط ، تحقق هنا: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS والشكل التكميلي 1).
ملاحظة: يسمح هذا الإعداد للمشاركين بالوصول عبر الجهاز اللوحي والحصول على الأهداف المعروضة على شاشة المهام أثناء حجب رؤية ذراع الوصول الخاصة بهم. - استخدم الإعداد الموضح في Kim et al.3 كمرجع.
2. واجهات الآلة
- قم بتوصيل الجهاز اللوحي بالكمبيوتر عبر منفذ USB. قم بتوصيل شاشة المهام بالكمبيوتر عبر منفذ HDMI. قم بتوصيل منفذ TMS الخلفي بالكمبيوتر عبر كابل DB-9.
- قم بتوصيل نظام EMG بالكمبيوتر عبر بطاقة PCI-6220 DAQ. قم بتوصيل الصمام الثنائي الضوئي بنظام EMG عبر كابل BNC.
3. مستشعر الصمام الثنائي الضوئي
- قم بتوصيل مستشعر الصمام الثنائي الضوئي بكابل BNC. ثبت مستشعر الصمام الثنائي الضوئي بشريط لاصق في الزاوية العلوية اليمنى من شاشة مراقبة المهام، بحيث يكون المستشعر مواجها للشاشة، على بعد ≤ 1 سم.
ملاحظة: سيسجل هذا توقيت المحفزات المقدمة على شاشة المهام كبيانات تناظرية في قناة إدخال مستقلة.
4. البرمجيات
- قم بتنزيل VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) ل MATLAB 2018 للتفاعل مع الأجهزة لجمع البيانات.
- قم بتنزيل رمز مهمة الوصول (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) الذي تم تطويره للتحكم في المعلمات التجريبية والتواصل مع الجهاز اللوحي.
5. فحص المشاركين والموافقة المستنيرة
- فحص الموضوع لموانع TMS. تشمل معايير الاستبعاد تاريخا شخصيا أو عائليا من النوبات والصداع وصدمة الدماغ والإغماء والتوتر المزمن أو القلق ومشاكل النوم وأي دواء عصبي. تشمل معايير الاستبعاد الإضافية أي غرسات معدنية في الدماغ أو الجمجمة وأي تعاطي للمخدرات أو الكحول الترويحية في 24 ساعة قبل الاختبار. وشملت معايير الإدراج استخدام اليد اليمنى والعمر بين 18 و 35 عاما.
- قدم شرحا مكتوبا للإجراء والمخاطر المرتبطة به ، مع توضيح أي أسئلة أخرى قد تكون لدى المشارك.
- الحصول على موافقة مستنيرة من المشاركين.
6. إعداد الموضوع
- ضع الهدف على كرسي مريح مواجه للجهاز اللوحي. تأكد من ثني الركبتين إلى 90 درجة مع وضع الساقين أسفل المكتب.
- تحضير الجلد ووضع أقطاب EMG.
- استخدم ورق صنفرة ناعم الحبيبات لكشط الجلد برفق في موقع العضلة الظهرية البينية اليمنى الأولى (FDI) ، والعضلات الباسطة الكاربية الكعبرية ، والعضلات الدالية الأمامية ، بالإضافة إلى بروز C4 عند قاعدة الرقبة ، للكشف عن القطع الأثرية الكهربائية الناتجة عن نبض TMS.
ملاحظة: يمكن تكييف مواقع تسجيل العضلات بناء على احتياجات المستخدم. - امسحي كل منطقة متآكلة باستخدام وسادة تحضير كحولية مرة واحدة لكل موقع قطب كهربائي لتنظيفها.
- ضع قطبا كهربائيا واحدا لتخطيط كهربية العضل على كل موقع. تأكد من أن الأقطاب الكهربائية تعمل بشكل عمودي على ألياف العضلات. ضع القطب الأرضي على البروز العظمي للكوع الأيمن.
- تأمين كل قطب كهربائي مع الشريط الطبي.
- استخدم ورق صنفرة ناعم الحبيبات لكشط الجلد برفق في موقع العضلة الظهرية البينية اليمنى الأولى (FDI) ، والعضلات الباسطة الكاربية الكعبرية ، والعضلات الدالية الأمامية ، بالإضافة إلى بروز C4 عند قاعدة الرقبة ، للكشف عن القطع الأثرية الكهربائية الناتجة عن نبض TMS.
- تحقق من جودة تسجيل EMG. استخدم صندوق أدوات VETA لتصور جميع آثار EMG والتأكد من خلوها من القطع الأثرية. إذا كانت آثار EMG صاخبة ، فتأكد من وضع الأرض بشكل صحيح وأن جميع الأقطاب الكهربائية تلامس الجلد بشكل صحيح.
7. التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة
- قم بتشغيل جهاز TMS.
- ابحث عن النقطة الساخنة TMS لعضلة FDI اليمنى عن طريق تحفيز M1 الأيسر.
- ضع الملف ~ 5 سم الجانبي و 2 سم الأمامي لقمة الرأس ، موجها ~ 45 درجة من خط الوسط.
- قم بإدارة نبضات TMS مرة كل 4 ثوان أثناء إعادة وضع الملف بزيادات تبلغ حوالي 5 مم في المستوى الأمامي الخلفي والإنسي الجانبي.
- بدءا من 30٪ كحد أقصى لإخراج المحفز ، قم بزيادة كثافة TMS تدريجيا بزيادات 2٪ حتى يتم ملاحظة MEPs.
- بمجرد تحديد الموقع الأمثل ، حيث يمكن استنباط MEPs بشكل موثوق على غالبية (~ 75٪) من النبضات بأقل شدة محفز ممكنة ، حدد عتبة محرك الراحة (RMT) من خلال إيجاد مستوى الشدة الذي ينتج MEPs بسعة من الذروة إلى الذروة تبلغ >50 μV على خمسة من أصل 10 نبضات.
- حدد الموضع عن طريق وضع شرائح رقيقة من الشريط العاكس برفق على رأس المشارك على طول محيط الملف. حافظ على موضع الملف إما عن طريق إمساك الملف يدويا أو باستخدام حامل لدعمه.
8. الوصول إلى إعداد المهمة
- ضع قفاز فيلكرو على اليد اليمنى للمشارك لتسهيل وضع قبضة القوة المريح.
- قم بتوصيل القلم بالقفاز ونصح الشخص بإبقاء اليد مسترخية بين حركات الوصول.
- قم بتوصيل تعليمات المهمة ، وهي كما يلي: قم بتوجيه المؤشر إلى موضع الصفحة الرئيسية في أسفل الشاشة. سترى إشارة في أحد الموقعين المستهدفين. عندما يمتلئ الهدف بالألوان ، قم بالوصول إلى الهدف بأسرع ما يمكن وبأكبر قدر ممكن من الدقة. ثم العودة إلى وضع المنزل. حدد مواقع مواقع المنزل والإشارات والأهداف (الشكل 1 أ).
- درب المشارك على تقسيم الأهداف باستخدام القلم بأسرع ما يمكن وبأكبر قدر ممكن من الدقة. أطفئ الأنوار في غرفة المهام لحجب رؤية المشارك لحركات الذراع وتحسين رؤية مراقب المهام.
9. تصميم المهام
- التحكم في عرض التحفيز البصري باستخدام Psychtoolbox 3.0 في Matlab 2018 (ملف الترميز التكميلي 1).
- استخدام المعلمات التالية لمطابقة البيانات الحالية: 20 تجربة تدريبية؛ 270 تجربة اختبار ؛ TMS على 4/5 من تجارب الاختبار ؛ يتزامن TMS إما مع بداية الإشارة التحضيرية (TMS الأساسية) أو 100 مللي ثانية قبل الإشارة الحتمية (تأخير TMS) بتردد متساو ؛ 1/10 من إجمالي التجارب هي تجارب صيد ، لا تظهر فيها الإشارة الحتمية ؛ موضع المنزل عبارة عن دائرة نصف قطرها 2 سم موضوعة في أسفل وسط مساحة العمل ؛ يتم وضع هدفين دائريين بنصف قطر 1 سم على بعد 15 سم من موضع المنزل عند +45 درجة و -45 درجة بعيدا عن خط الوسط.
- قم بتعيين ترتيب الحدث ومدده على النحو التالي: جديلة تحضيرية عند 900 مللي ثانية وإشارة حتمية عند 900 مللي ثانية.
10. إدارة TMS
- يدير صندوق أدوات VETA في نفس الوقت TMS ويسجل EMG https://github.com/greenhouselab/Veta.
- تحكم في توقيت نبضات TMS باستخدام صندوق أدوات VETA ليتزامن مع الأحداث السلوكية المختارة (أي بداية الإشارة التحضيرية أو 100 مللي ثانية قبل بداية الهدف).
- تقديم TMS بتردد كاف لضمان وجود عدد كاف من MEPs للتحليل.
ملاحظة: كما هو مكتوب ، سيقدم رمز المهمة نبضة TMS على 4/5 من إجمالي التجارب إما في بداية الإشارة التحضيرية - لاستنباط MEPs الأساسيين - أو 100 مللي ثانية قبل الإشارة الحتمية - لاستنباط أعضاء البرلمان الأوروبي المتأخرين. يمكن تعديل المعلمات في الكود وفقا لاحتياجات المستخدم. يمكن استخدام التجارب بدون TMS لتقييم الأداء السلوكي في غياب TMS. هذا مفيد لتحديد أي تأثير محتمل ل TMS على الأداء.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يتضمن التنفيذ الناجح للطرق الموصوفة تسجيل بيانات الجهاز اللوحي ، وآثار EMG ، والاستنباط الموثوق به ل MEPs. تم الانتهاء من تجربة تضمنت 270 تجربة اختبار مع TMS تم تسليمها في 4/5 من التجارب (216 تجربة).
تم جمع البيانات من 16 مشاركا (ثماني إناث وثمانية ذكور) تتراوح أعمارهم بين 25 ± 10 سنوات ، وجميعهم أفادوا بأنفسهم على أنهم يستخدمون اليد اليمنى. قمنا بتقييم فعالية الاضطراب البصري على الأداء السلوكي من خلال اشتقاق وظيفة التعلم لمشارك تمثيلي واحد. يتم عرض هذه البيانات في الشكل 1B وتوضح أن خطأ هدف يد المشارك تم تعديله وفقا لظروف الاضطراب والغسيل كما هو متوقع. قمنا أيضا بتقييم الانحراف المعياري للخطأ المستهدف أثناء الوصول إلى خط الأساس ، والذي يقارب 4.5 درجة (الشكل 1 ب). وهذا يتفق مع الدراسات السابقة24.
تم تسليم نبضة TMS واحدة في كل تجربة. تم تسليم نصف النبضات عند خط الأساس ، وتم تسليم النصف الآخر خلال فترة تأخير تحضيرية (الشكل 2 أ). تم تسجيل ما معدله 91 ± 23 خط أساس و 88 ± 20 تأخير MEPs بنجاح لكل مشارك ، أي ما يعادل معدلات نجاح 84٪ و 81٪ ، على التوالي. تم حساب أعضاء البرلمان الأوروبي فقط عندما تجاوزت السعة .05 مللي فولت. تم التقاط مسارات الوصول بنجاح من لوحة الرسومات في جميع التجارب ، باستثناء تجارب الصيد (أي التجارب التي لم يتم فيها تقديم إشارة "go" والتجارب التي فشل فيها المشاركون في بدء الوصول أو بدأوا قبل إشارة الأمر).
كان متوسط فترة التأخير (المدة بين الإشارة التحضيرية والحتمية) 915 ± 0.5 مللي ثانية (متوسط ± الانحراف المعياري). تم إعطاء TMS الأساسي 26 ± 8 مللي ثانية بعد بداية الإشارة التحضيرية ، وكان تأخير TMS 126 ± 3 مللي ثانية قبل بداية الإشارة الحتمية (الشكل 2 ب). يشير الانحراف المستمر عن وقت إدارة TMS المقصود في كل حالة إلى أن هناك حاجة إلى مزيد من التحسين لحساب زمن الانتقال غير المرغوب فيه الذي تقدمه مكونات الأجهزة أو البرامج. ومع ذلك ، فإن التباين النسبي المنخفض نسبيا في زمن الانتقال هذا يشير إلى أن هذه تأخيرات ثابتة في الغالب يمكن التحكم فيها من خلال اختبار تجريبي إضافي وتشير إلى أن توقيت الأحداث موثوق به بشكل عام عبر التجارب.
الشكل 1: البيانات السلوكية التي تم جمعها من الجهاز اللوحي . (أ) تتضمن مساحة العمل موضع المنزل (أزرق غامق) ، وهدفين (سماوي) ، ومجموعة تمثيلية من مسارات الوصول من كتلة ما قبل التعرض لمشارك واحد. (ب) تم حساب خطأ الهدف على أنه المسافة بالدرجات من نقطة نهاية الوصول إلى مركز الهدف. حاويات التجربة هي متوسط تجربتين متتاليتين لكل حاوية ، ويتم فصل البيانات بواسطة كتل تجريبية: ما قبل التعرض (غير مظلل) ، والتعرض (أحمر) ، والغسيل في حالة عدم وجود تغذية مرتدة (أخضر) ، وغسل مع ردود فعل حقيقية (غير مظلل). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: مثال على آثار MEP. (أ) أعضاء البرلمان الأوروبي التمثيليون وتتبع الصمام الثنائي الضوئي المقابل لكل من الحقبتين التجريبيتين (خط الأساس والتأخير). (ب) يشير زمن انتقال MEP الأساسي السلبي (-26 ± 8 مللي ثانية) إلى أن تحفيز TMS وصل بعد الإشارة التحضيرية ، بينما يشير زمن انتقال MEP للتأخير الإيجابي (126 ± 3 مللي ثانية) إلى أن تحفيز TMS وصل قبل النقطة الزمنية المطلوبة (100 مللي ثانية قبل إشارة الأمر). يتم حساب متوسط زمن الانتقال عبر جميع المشاركين (ن = 16). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل التكميلي 1: مخطط جهاز الوصول. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 1: رمز التحفيز البصري. و delayed_reach_TMS.m ملف يحتوي على رمز مهمة للسيطرة على قرص، عرض التحفيز، والتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة، وتسجيل تخطيط كهربية العضل. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تقدم الطرق الموضحة أعلاه نهجا جديدا لدراسة التحضير الحركي في سياق الوصول إلى السلوكيات. على الرغم من أن الوصول يمثل مهمة نموذجية شائعة في دراسة التحكم الحركي والتعلم ، إلا أن هناك حاجة إلى إجراء تقييم دقيق لديناميكيات CS المرتبطة بسلوك الوصول. يوفر TMS طريقة غير جراحية ودقيقة زمنيا لالتقاط نشاط CS في نقاط زمنية منفصلة أثناء الوصول. يجمع النهج الموصوف هنا بين حقلين فرعيين مستقلين - TMS والوصول إلى نموذج واحد يتضمن التسجيل المتزامن للمقاييس الحركية والكهربية.
في حين أن الأساليب الموصوفة لديها القدرة على الكشف عن رؤى مهمة في التحكم في العمل في سياق الوصول ، إلا أن هناك بعض القيود والاعتبارات. الأهم من ذلك ، تعتمد موثوقية قياسات MEP على استقرار نشاط EMG قبل إدارة TMS ، بالإضافة إلى عدد أعضاء البرلمان الأوروبي الذين تم التقاطهم27. من الأهمية بمكان تقييم جودة بيانات EMG قبل جمع البيانات. للحصول على قوة إحصائية كافية ، يوصى بحد أدنى 20 قياسا MEP لكل حالة مهمة. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن التغييرات في MEP تمثل تغييرا كميا في استثارة CS ، فإن طبيعة TMS و MEP الناتجة تنتج مقياسا موجزا إلى حد ما لنشاط CS ، ويجب تفسير علاقتها السببية بالسلوك بحذر15. علاوة على ذلك ، يتطلب الجهاز اللوحي الرسومي أن يحافظ القلم على اتصال بسطح الجهاز اللوحي ، مما يحد من نطاق مهام الوصول وفتحات القبضة التي يمكن استخدامها.
على الرغم من قيود هذا البروتوكول المحدد ، فإن الجمع بين TMS و EMG لفهرسة استثارة النظام الحركي أثناء المهام السلوكية بخلاف الوصول راسخ15. تشمل مزايا هذا النهج المشترك القدرة على قياس ديناميكيات استثارة CS حتى في حالة عدم وجود حركة علنية ، وكذلك في العضلات غير ذات الصلة بالمهمة. يوفر هذا النهج أيضا دقة زمنية عالية ، في حدود أجزاء من الثانية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكييف البروتوكول الموصوف هنا للعمل مع أي عدد من أجهزة EMG التي تتفاعل مباشرة مع كمبيوتر عرض التحفيز عبر أجهزة الإدخال / الإخراج المدرجة.
بالنظر إلى هذه المزايا ، يمكن أن يساعد البروتوكول في سد الفجوة بين الدراسات البشرية والحيوانية. درست مجموعة كبيرة من الأبحاث في الرئيسيات غير البشرية الآليات الفيزيولوجية الكهربية المرتبطة بالوصول والتعلم الحركي في سياق الوصول. يمكن أن تساعد المزيد من التحقيقات في البشر باستخدام نهج TMS و EMG المشترك في سد الفيزيولوجيا الكهربية غير البشرية والنتائج السلوكية البشرية. أظهرت الدراسات السابقة ل MEPs في سياق الوصول تأثيرا ميسرا ل TMS أثناء الوصول وتحضير الفهم عندما تم تحفيز القشرة الجدارية والقشرة قبل الحركية والدوائر الجدارية M1 قبل الحركة 8,14. ومع ذلك ، تم تقليل سعة الإمكانات المستثارة للراحة المقاسة باستخدام تخطيط كهربية الدماغ من 75 إلى 150 مللي ثانية بعد TMS على M1 بعد انتشار مجال القوة13. العلاقة الدقيقة بين الوصول إلى الإعداد والتكيف والتغييرات في CS تستدعي مزيدا من التحقيق. علاوة على ذلك ، باستخدام نفس مجموعة الأدوات والأساليب عبر المختبرات ، سيكون النسخ المتماثل أكثر قابلية للتحقيق ، وهذا سيساعد في تفسير نتائج الدراسة.
بينما ينصب التركيز هنا على TMS ل M1 ، فقد استخدمت العديد من الدراسات TMS ثنائي الموقع للتحقيق في التفاعلات بين المناطق القشرية (على سبيل المثال ، القشرة الجدارية و M1). في حين أن العديد من هذه الدراسات أجريت أثناء الراحة ، فحصت حفنة من الدراسات التفاعلات القشرية القشرية في سياق تخطيط الوصول والتنفيذ. أظهر TMS ثنائي الموقع تحفيز القشرة الجدارية الخلفية سهل استثارة M1 عند 50 مللي ثانية و ~ 100 مللي ثانية بعد إشارة "go" السمعية لبدء وصول مقابلمعد 28. تم إنشاء طرق إضافية لنهج TMS ذات الملف المزدوج التي تتضمن تطبيقات أثناء سلوكيات الوصول إلى الفهم الموجهة نحو الهدف29. يكمل البروتوكول الموصوف هنا هذه الدراسات والأساليب السابقة ويمكن تكييفه بسهولة لدراسات TMS ذات الموقع المزدوج أيضا.
يتكون مثال رمز المهمة من مهمة استجابة متأخرة مع هدفين محتملين. يمكن تعديل المعلمات مثل أرقام التجارب وخصائص الهدف والمؤشر والتعليقات المرئية وتسليم TMS لمعالجة مجموعة متنوعة من الأسئلة البحثية. تشمل البيانات المسجلة باستخدام هذا النهج الحركية السلوكية من الجهاز اللوحي والقياسات الفيزيولوجية الكهربية من EMG. كشفت النتائج الأولية أن TMS والقياسات السلوكية تظهر توقيتا موثوقا به وحساسية كافية للتباين في اتجاهات الوصول عبر التجارب. تقف هذه الأساليب والنتائج كدليل على مفهوم التحقيقات المستقبلية في الآليات العصبية للوصول عبر TMS باستخدام هذا النهج.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
يعلن جميع المؤلفين أنه لا يوجد تضارب في المصالح
Acknowledgments
أصبح هذا البحث ممكنا جزئيا بفضل التمويل السخي لبرنامج Knight Campus Undergraduate Scholars ومؤسسة Phil and Penny Knight
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-Port Native PCI Express | StarTech.com | RS232 Card with 16950 UART | Must be compatible with desktop computer |
| Adjustable 80-20 aluminum frame | any | ||
| Alcohol prep pads | any | EMG preparation | |
| Bagnoli Bipolar Electrodes | Delsys | DE 2.1 | |
| Bagnoli Reference Electrode | Delsys | USX2000 | 2” (5cm) Round |
| Bagnoli-8 EMG System | Delsys | ||
| Chair | any | ||
| Computer monitor for EMG/TMS | n/a | ||
| Desk | any | ||
| Desktop Computer | Dell | xps 8930 | RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB |
| EMG electrodes | Delsys | Sensor Adhesive Interface | |
| Fine grain sandpaper | any | EMG preparation | |
| Graphics tablet | Wacom | Intuos-4 XL | |
| Handle of paint roller | any | to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside | |
| Medical tape | any | To secure EMG electrodes | |
| PCI-6220 card DAQ | National Instruments | To interface EMG system | |
| Photodiode Sensor | Vishay | BPW21R | To record timing of task events into EMG trace. |
| Rear TMS port | Magstim | Included with TMS machine | |
| Right-handed polyethylene glove | any | Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle | |
| Sensory Adhesive Interface, 2-slot | Delsys | SC-F01 | |
| Stylus | Wacom | Intuos-4 grip pen | |
| Tablet-to-Computer USB cable | any | Included in Tablet purchase | |
| Task Monitor | Asus | VG248 | |
| TMS coil | Magstim | D70 Remote Coil | 7cm diameter, figure-of-eight coil |
| TMS machine | Magstim | 200-2 | |
| TMS-to-Computer DB9 cable | any | Connects to PCIe Serial Card | |
| Velcro | any | To be placed on glove and stylus handle |
References
- Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T. On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex. The Journal of Neuroscience. 2 (11), 1527-1537 (1982).
- Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).
- Kim, H. E., Morehead, J. R., Parvin, D. E., Moazzezi, R., Ivry, R. B. Invariant errors reveal limitations in motor correction rather than constraints on error sensitivity. Communications Biology. 1, 19 (2018).
- Huberdeau, D. M., Krakauer, J. W., Haith, A. M. Dual-process decomposition in human sensorimotor adaptation. Current Opinion in Neurobiology. 33, 71-77 (2015).
- Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control. Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 89-108 (2010).
- Filimon, F., Nelson, J. D., Hagler, D. J., Sereno, M. I. Human cortical representations for reaching: Mirror neurons for execution, observation, and imagery. NeuroImage. 37 (4), 1315-1328 (2007).
- Hammon, P. S., Makeig, S., Poizner, H., Todorov, E., de Sa, V. R. Predicting reaching targets from human EEG. IEEE Signal Processing Magazine. 25 (1), 69-77 (2008).
- Busan, P., et al. Effect of transcranial magnetic stimulation (TMS) on parietal and premotor cortex during planning of reaching movements. PloS One. 4 (2), 4621 (2009).
- Busan, P., et al. Transcranial magnetic stimulation and preparation of visually-guided reaching movements. Frontiers in Neuroengineering. 5, 18 (2012).
- Lega, C., et al. The topography of visually guided grasping in the premotor cortex: a dense-transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping study. The Journal of Neuroscience. 40 (35), 6790-6800 (2020).
- Marigold, D. S., Lajoie, K., Heed, T. No effect of triple-pulse TMS medial to intraparietal sulcus on online correction for target perturbations during goal-directed hand and foot reaches. PloS One. 14 (10), 0223986 (2019).
- Savoie, F. -A., Dallaire-Jean, L., Thenault, F., Whittingstall, K., Bernier, P. -M. Single-pulse TMS over the parietal cortex does not impair sensorimotor perturbation-induced changes in motor commands. eNeuro. 7 (2), (2020).
- Taga, M., et al. Motor adaptation and internal model formation in a robot-mediated forcefield. Psychoradiology. 1 (2), 73-87 (2021).
- Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
- 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. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1110 (2015).
- Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Boyd, S., Marsden, C. D. Stimulation of the human motor cortex through the scalp. Experimental Physiology. 76 (2), 159-200 (1991).
- Bestmann, S., Duque, J. Transcranial magnetic stimulation: decomposing the processes underlying action preparation. The Neuroscientist. 22 (4), 392-405 (2016).
- Kim, H. E., Avraham, G., Ivry, R. B. The psychology of reaching: action selection, movement implementation, and sensorimotor learning. Annual Review of Psychology. 72 (1), 61-95 (2021).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Explicit and implicit processes constitute the fast and slow processes of sensorimotor learning. The Journal of Neuroscience. 35 (26), 9568-9579 (2015).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Implications of plan-based generalization in sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 383-393 (2017).
- McDougle, S. D., Ivry, R. B., Taylor, J. A. Taking aim at the cognitive side of learning in sensorimotor adaptation tasks. Trends in Cognitive Sciences. 20 (7), 535-544 (2016).
- Morehead, J. R., Qasim, S. E., Crossley, M. J., Ivry, R. Savings upon re-aiming in visuomotor adaptation. The Journal of Neuroscience. 35 (42), 14386-14396 (2015).
- Taylor, J. A., Krakauer, J. W., Ivry, R. B. Explicit and implicit contributions to learning in a sensorimotor adaptation task. The Journal of Neuroscience. 34 (8), 3023-3032 (2014).
- Tsay, J. S., Kim, H. E., Parvin, D. E., Stover, A. R., Ivry, R. B. Individual differences in proprioception predict the extent of implicit sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 125 (4), 1307-1321 (2021).
- Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
- Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability. Neuroscience. 320, 205-209 (2016).
- Koch, G., et al. Functional interplay between posterior parietal and ipsilateral motor cortex revealed by twin-coil transcranial magnetic stimulation during reach planning toward contralateral space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
- Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments. (156), e60706 (2020).
