Method Article

말초 신경 자극 및 제어 가능한 펄스 매개변수 경두개 자기 자극을 결합하여 감각 운동 제어 및 학습을 조사합니다.

DOI:

10.3791/65212

⸱

April 21st, 2023

 ,  , 
1Department of Kinesiology and Health Sciences, University of Waterloo

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

SAI(Short-latency Asserent Inbarition)는 감각 운동 통합을 조사하기 위한 경두개 자기 자극 프로토콜입니다. 이 기사에서는 감각 운동 행동 동안 운동 피질의 수렴 감각 운동 루프를 연구하기 위해 SAI를 사용하는 방법을 설명합니다.

Abstract

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

숙련된 운동 능력은 감각 구심성을 적절한 운동 명령에 효율적으로 통합하는 데 달려 있습니다. 구심성 억제는 숙련된 운동 활동 동안 감각 운동 통합에 대한 절차적 및 선언적 영향을 조사하는 귀중한 도구를 제공합니다. 이 원고는 감각 운동 통합을 이해하기 위한 짧은 잠복기 구심성 억제(SAI)의 방법론과 기여를 설명합니다. SAI는 경두개 자기 자극(TMS)에 의해 유발되는 피질 척수 운동 출력에 대한 수렴 구심성 발리의 효과를 정량화합니다. 구 심성 발리는 말초 신경의 전기 자극에 의해 유발됩니다. TMS 자극은 구심성 신경이 제공하는 근육에서 신뢰할 수 있는 운동 유발 반응을 이끌어내는 일차 운동 피질 위의 위치로 전달됩니다. 운동 유발 반응의 억제 정도는 운동 피질에 수렴하는 구심성 발리의 크기를 반영하며 중심 GABA 및 콜린성 기여를 포함합니다. SAI의 콜린성 관여는 SAI를 감각 운동 수행 및 학습에서 선언적-절차적 상호 작용의 가능한 마커로 만듭니다. 보다 최근에, 숙련된 운동 활동을 위한 일차 운동 피질에서 뚜렷한 감각 운동 회로의 기능적 중요성을 분리하기 위해 SAI에서 TMS 전류 방향을 조작하는 연구가 시작되었습니다. 최첨단 제어 가능한 펄스 파라미터 TMS(cTMS)를 사용하여 추가 펄스 파라미터(예: 펄스 폭)를 제어할 수 있는 기능은 TMS 자극에 의해 프로빙되는 감각 운동 회로의 선택성을 향상시키고 보다 정교한 감각 운동 제어 및 학습 모델을 만들 수 있는 기회를 제공했습니다. 따라서 현재 원고는 cTMS를 이용한 SAI 평가에 중점을 둡니다. 그러나 여기에 설명된 원칙은 기존의 고정 펄스 폭 TMS 자극기 및 장기 잠복기 구심성 억제(LAI)와 같은 다른 형태의 구심성 억제를 사용하여 평가된 SAI에도 적용됩니다.

Introduction

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여러 감각 운동 루프가 운동 피질에 수렴하여 척수 운동 뉴런과 중간 뉴런에 대한 피라미드 관 돌출부를 형성합니다1. 그러나 이러한 감각 운동 루프가 어떻게 상호 작용하여 피질 척수 돌출부와 운동 행동을 형성하는지는 여전히 미해결 문제로 남아 있습니다. 짧은 잠복기 구심성 억제(SAI)는 운동 피질 출력에서 수렴 감각 운동 루프의 기능적 특성을 조사하는 도구를 제공합니다. SAI는 운동 피질 경두개 자기 자극(TMS)과 해당 말초 구심성 신경의 전기 자극을 결합합니다.

TMS는 인간의 뇌에서 피라미드 운동 뉴런을 시냅스를 경질하여 안전하게 자극하는 비침습적 방법입니다 2,3. TMS는 두피에 배치된 코일 와이어를 통해 크고 일시적인 전류를 통과시키는 것을 포함합니다. 전류의 일시적인 특성은 뇌에 전류를 유도하는 빠르게 변화하는 자기장을 생성합니다4. 단일 TMS 자극의 경우, 유도 전류는 피라미드 운동 뉴런 5-7에 대한 일련의 흥분성 입력을 활성화시킨....

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Protocol

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다음 프로토콜은 다양한 실험에 적용될 수 있습니다. 제공된 정보는 유효하거나 유효하지 않은 큐가 있는 프로브에 대한 손가락 반응 동안 감각 운동 통합을 정량화하는 데 SAI를 사용하는 실험을 자세히 설명합니다. 이 프로토콜에서 SAI는 작업 없이 평가된 다음 신호된 감각 운동 작업 중에 동시에 평가된 다음 작업 없이 다시 평가됩니다. cTMS 자극기는 상업적으로 이용가능한 임의의 종래의 TMS 자극기로 대체될 수 있다. 그러나, 종래의 TMS 자극기의 펄스 폭은 특정 하드웨어59,60에 따라 70-82 μs 사이에서 고정될 것이다. 이 연구는 워털루 대학의 연구 윤리 사무소의 승인을 받았습니다. 모든 참가자는 서면 동의서를 제공했습니다.

1. 하드웨어/소프트웨어 요구 사항

알림: 그림 1 은 주변 전기 및 TMS 자극기를 컴퓨터 제어 감각 운동 작업과 통합하기 위한 하드웨어 요구 사항의 개략도를 보여줍니다. 그림 2A 는 PA 유도 및 AP 유도 전류에 대한....

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Results

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

그림 3 은 PA120- 및 AP30-(아래 첨자는 펄스 폭을 나타냄) 유도 전류를 사용하여 감각 운동 작업 동안 FDI 근육에서 유도된 단일 참가자의 무조건 및 컨디셔닝 MEP의 예를 보여줍니다. 중간 열의 막대 그래프는 무조건 및 조건 시험에 대한 원시 평균 피크 대 피크 MEP 진폭을 보여줍니다. 오른쪽의 막대 그래프는 동일한 참가자에 대한 PA120 및 AP30 유도 전류에 대한 SAI 및 MEP 시작 대기 시간을 보여줍니다.

말초 전기 컨디셔닝 자극의 평균 효과는 1 미만의 무조건 MEP 및 SAI 비율에 비해 컨디셔닝에 대한 더 작은 원시 평균 피크 대 피크 MEP 진폭에 의해 보여지는 바와 같이 TMS 자극에 의해 유도된 피질척수 출력을 억제하는 것입니다. AP30 SAI에 대한 더 긴 MEP 개시 잠복기는 피질척수 .......

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Discussion

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

여기에 설명된 SAI 방법은 감각 운동 수행 및 학습에 역할을 하는 신경 경로의 하위 집합을 조사합니다. 참가자가 제어된 감각 운동 작업을 수행하는 동안 SAI를 평가하는 것은 건강한 임상 인구에서 운동 출력을 형성하기 위해 운동 피질 척수 뉴런에 수렴하는 수많은 감각 운동 루프의 복잡한 기여를 푸는 데 중요합니다. 예를 들어, 유사한 방법론이 절차적 운동 제어 과정(37,56)에 대한 소뇌 영향과 선언적 기억 시스템이 건강한 21,36,37,38 및 이전에 뇌진탕을 겪은 인구(75)에서 절차적 운동 제어 및 학습에 영향을 미칠 수 있는 특정 목표를 식별하는 데 사용되었습니다.

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Disclosures

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

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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

저자는 자연 과학 및 공학 연구위원회 (NSERC), 캐나다 혁신 재단 (CFI) 및 온타리오 연구 기금 (ORF)이 SKM에 수여 한 자금 지원을 인정합니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
수집 소프트웨어 (EMG 용)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAPL3504 / PLabChart Pro 버전 8
알코올 준비 패드Medline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada211-MM-05507Alliance 멸균 매체, 살균 이소 프로필 알코올 패드 (상자 당 200 개)
증폭기 (EMG 용)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAFE234Quad Bio Amp
코튼 라운드Cliganic, 샌프란시스코, 캘리포니아, 미국‎ CL-BE-019-6PK프리미엄 코튼 라운드 (6팩, 패키지당 90개)
cTMS 코일Rogue Research, Montré al, QC, 캐나다COIL70F8030170mm 중간 인덕턴스 그림-8 코일
cTMS 코일Rogue Research, Montré al, QC, 캐나다COIL70F80301-IC70mm 중간 인덕턴스 그림-8 코일(역 전류)
cTMS 자극기Rogue Research, Montré al, QC, CanadaCTMSMU0101Elevate cTMS stimulator
데이터 수집 보드(EMG)AD Instruments, 콜로라도 스프링스, 콜로라도, 미국PL3504PowerLab 4/35
디지털-아날로그 보드National Instruments, Austin, TX, USA782251-01NI USB-6341, BNC 터미네이션이 있는 X 시리즈 DAQ 디바이스
분산 접착 전극(EMG)Covidien, Dublin, Ireland31112496Kendal 130 폼 전극
전기젤Electrodestore.comE9전기젤 전기-캡용 (16 oz jar)
NuprepWeaver and Company, Aurora, CO, USA10-30Nuprep 스킨 프렙 젤 (4 oz 튜브 3팩) 
주변 전기 자극기Digitimer, Hertfordshire, UKDS7R DS7R 고전압 정전류 자극기
재사용 가능한 바 전극Electrodestore.comDDA-30블랙 바 전극, 평면, 음극 말단
소프트웨어(동작 및 자극기 트리거링용)National Instruments, Austin, TX, USA784503-35Labview 2020
TMS 정위 코일 유도 시스템Rogue Research, Montré al, QC, CanadaKITBSF0404BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape3M, Saint Paul, MN, USA50707387794571Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bizzi, E., Ajemian, R. From motor planning to execution: a sensorimotor loop perspective. Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1815-1823 (2020).
  2. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerv....

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Afferent InhibitionSensorimotor IntegrationTranscranial Magnetic StimulationControllable Pulse ParameterPeripheral Nerve StimulationMotor CortexMotor Skill LearningElectromyography RecordingMotor Evoked PotentialSensorimotor Circuits

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