Method Article

Gecombineerde perifere zenuwstimulatie en controleerbare pulsparameter Transcraniële magnetische stimulatie om sensomotorische controle en leren te onderzoeken

DOI:

10.3791/65212

⸱

April 21st, 2023

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

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

Short-latency afferent inhibition (SAI) is een transcranieel magnetisch stimulatieprotocol om sensomotorische integratie te onderzoeken. Dit artikel beschrijft hoe SAI kan worden gebruikt om de convergente sensomotorische lussen in de motorische cortex tijdens sensomotorisch gedrag te bestuderen.

Abstract

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

Vaardige motoriek hangt af van het efficiënt integreren van sensorische afference in de juiste motorische commando's. Afferente remming biedt een waardevol hulpmiddel om de procedurele en declaratieve invloed op sensomotorische integratie tijdens geschoolde motorische acties te onderzoeken. Dit manuscript beschrijft de methodologie en bijdragen van korte-latentie afferente remming (SAI) voor het begrijpen van sensomotorische integratie. SAI kwantificeert het effect van een convergente afferente volley op de corticospinale motorische output die wordt opgeroepen door transcraniële magnetische stimulatie (TMS). De afferente volley wordt geactiveerd door de elektrische stimulatie van een perifere zenuw. De TMS-stimulus wordt afgeleverd op een locatie boven de primaire motorische cortex die een betrouwbare motorisch opgewekte reactie oproept in een spier die wordt bediend door die afferente zenuw. De mate van remming in de motorisch opgewekte respons weerspiegelt de omvang van de afferente volley die convergeert op de motorische cortex en omvat centrale GABAerge en cholinerge bijdragen. De cholinerge betrokkenheid bij SAI maakt SAI een mogelijke marker van declaratief-procedurele interacties in sensomotorische prestaties en leren. Meer recent zijn studies begonnen met het manipuleren van de TMS-huidige richting in SAI om de functionele betekenis van verschillende sensomotorische circuits in de primaire motorische cortex voor bekwame motorische acties uit elkaar te halen. De mogelijkheid om extra pulsparameters (bijv. de pulsbreedte) te regelen met state-of-the-art controleerbare pulsparameter TMS (cTMS) heeft de selectiviteit van de sensomotorische circuits die door de TMS-stimulus worden onderzocht verbeterd en een mogelijkheid geboden om meer verfijnde modellen van sensomotorische controle en leren te creëren. Daarom richt het huidige manuscript zich op SAI-beoordeling met behulp van cTMS. De hier beschreven principes zijn echter ook van toepassing op SAI die worden beoordeeld met behulp van conventionele TMS-stimulatoren met vaste pulsbreedte en andere vormen van afferente remming, zoals afferente remming met lange latentie (LAI).

Introduction

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

Meerdere sensomotorische lussen komen samen in de motorische cortex om piramidale tractusprojecties te vormen naar spinale motorneuronen en interneuronen1. Hoe deze sensomotorische lussen interageren om corticospinale projecties en motorisch gedrag te vormen, blijft echter een open vraag. Short-latency afferent inhibition (SAI) biedt een hulpmiddel om de functionele eigenschappen van convergente sensomotorische lussen in de output van de motorische cortex te onderzoeken. SAI combineert motorische corticale transcraniële magnetische stimulatie (TMS) met elektrische stimulatie van de overeenkomstige perifere afferente zenuw.

TMS is een niet-invasieve methode om piramidale motorneuronen trans-synaptisch in het menselijk brein veilig te stimuleren 2,3. TMS omvat het passeren van een grote, voorbijgaande elektrische stroom door een opgerolde draad die op de hoofdhuid wordt geplaatst. De voorbijgaande aard van de elektrische stroom creëert een snel veranderend magnetisch veld dat een elektrische stroom in de hersenen induceert4. In het geval van een enkele TMS-stimulus activeert de geïnduceerde stroom een reeks exciterende inputs naar de piramidale motorneuronen 5-7. Als de sterkte van de gegenereerde exciterende inputs voldoende is, lokt de dalende activiteit een contralaterale spierrespons uit die bekend staat als de motor-evoked potential (MEP). De latentie van de MEP weerspiegelt de corticomotorische geleidingstijd8. De amplitude van de MEP indexeert de prikkelbaarheid van de corticospinale neuronen9. De enkele TMS-stimulus die de MEP uitlokt, kan ook worden voorafgegaan door een conditioneringsprikkel10,11,12. Deze gepaarde pulsparadigma's kunnen worden gebruikt om de effecten van verschillende interneuronpools op de corticospinale output te indexeren. In het geval van SAI wordt de perifere elektrische conditioneringsprikkel gebruikt om de impact van de afferente volley op de motorische corticale prikkelbaarheidte onderzoeken 11,13,14,15. De relatieve timing van de TMS-stimulus en perifere elektrische stimulatie stemt de werking van de TMS-stimulus op de motorische cortex af op de komst van de afferente projecties naar de motorische cortex. Voor SAI in de distale bovenste ledematenspieren gaat de mediane zenuwstimulus meestal vooraf aan de TMS-stimulus met 18-24 ms11,13,15,16. Tegelijkertijd neemt de SAI toe naarmate de sterkte van de afferente volley geïnduceerd door de perifere stimulus toeneemtmet 13,17,18.

Ondanks de sterke associatie met de extrinsieke eigenschappen van de afferente projectie naar de motorische cortex, is SAI een kneedbaar fenomeen dat betrokken is bij veel motorische controleprocessen. SAI is bijvoorbeeld verminderd in taakrelevante spieren vóór een dreigende beweging 19,20,21, maar wordt gehandhaafd in aangrenzende taak-irrelevante motorische representaties 19,20,22. De gevoeligheid voor taakrelevantie wordt verondersteld een surround-remmingsmechanisme23 te weerspiegelen dat gericht is op het verminderen van ongewenste effectorrekrutering. Meer recent werd voorgesteld dat de vermindering van HCI in de taakrelevante effector een weerspiegeling kan zijn van een bewegingsgerelateerd gatingfenomeen dat is ontworpen om verwachte sensorische afference te onderdrukken21 en correcties tijdens sensomotorische planning en uitvoeringte vergemakkelijken 24. Ongeacht de specifieke functionele rol is SAI gecorreleerd met een vermindering van de handvaardigheid en de verwerkingsefficiëntie25. Veranderde SAI is ook geassocieerd met een verhoogd risico op vallen bij oudere volwassenen 26 en een gecompromitteerde sensomotorische functie bij de ziekte van Parkinson 26,27,28 en personen met focale handdystonie 29.

Klinisch en farmacologisch bewijs geeft aan dat de remmende routes die SAI bemiddelen gevoelig zijn voor centrale cholinerge modulatie30. Bijvoorbeeld, het toedienen van de muscarine acetylcholine receptor antagonist scopolamine vermindert SAI31. Daarentegen verhoogt het verhogen van de halfwaardetijd van acetylcholine via acetylcholinesteraseremmers SAI32,33. In overeenstemming met farmacologisch bewijs is SAI gevoelig voor verschillende cognitieve processen met centrale cholinerge betrokkenheid, waaronder opwinding34, beloning 35, de toewijzing van aandacht 21,36,37 en geheugen38,39,40. SAI is ook veranderd in klinische populaties met cognitieve tekorten geassocieerd met het verlies van cholinerge neuronen, zoals de ziekte van Alzheimer 41,42,43,44,45,46,47, de ziekte van Parkinson (met milde cognitieve stoornissen)48,49,50 en milde cognitieve stoornissen 47,51,52. De differentiële modulatie van SAI door verschillende benzodiazepinen met differentiële affiniteiten voor verschillende γ-aminoboterzuur type A (GABAA) receptor subunit types suggereert dat de SAI remmende routes verschillen van pathways die andere vormen van gepaarde pulsremmingbemiddelen 30. Lorazepam vermindert bijvoorbeeld de SAI, maar verbetert de corticale remming met korte interval (SICI)53. Zolpidem vermindert SAI, maar heeft weinig effect op SICI53. Diazepam verhoogt SICI, maar heeft weinig invloed op SAI53. De vermindering van SAI door deze positieve allosterische modulatoren van de GABAA-receptorfunctie, in combinatie met de observatie dat GABA de afgifte van acetylcholine in de hersenstam en cortex54 regelt, heeft geleid tot de hypothese dat GABA de cholinerge route moduleert die projecteert op de sensomotorische cortex om SAI55 te beïnvloeden.

Onlangs is SAI gebruikt om interacties te onderzoeken tussen de sensomotorische lussen die procedurele motorische controleprocessen instellen en die welke procedurele processen afstemmen op expliciete top-down doelen en cognitieve controleprocessen 21,36,37,38. De centrale cholinerge betrokkenheid bij HCI31 suggereert dat HCI een uitvoerende invloed op procedurele sensomotorische controle en leren kan indexeren. Belangrijk is dat deze studies zijn begonnen met het identificeren van de unieke effecten van cognitie op specifieke sensomotorische circuits door SAI te beoordelen met behulp van verschillende TMS-stroomrichtingen. SAI-studies maken meestal gebruik van posterieure-anterieure (PA) geïnduceerde stroom, terwijl slechts een handvol SAI-studies anterieure-posterieure (AP) geïnduceerde stroom55 hebben gebruikt. Het gebruik van TMS om AP te induceren in vergelijking met PA-stroom tijdens SAI-beoordeling rekruteert echter verschillende sensomotorische circuits16,56. Ap-gevoelige, maar niet PA-gevoelige, sensomotorische circuits worden bijvoorbeeld veranderd door cerebellaire modulatie37,56. Bovendien worden AP-gevoelige, maar niet PA-gevoelige, sensomotorische circuits gemoduleerd door aandachtsbelasting36. Ten slotte kunnen aandacht en cerebellaire invloeden samenkomen op dezelfde AP-gevoelige sensomotorische circuits, wat leidt tot onaangepaste veranderingen in deze circuits37.

Vooruitgang in TMS-technologie biedt extra flexibiliteit om de configuratie van de TMS-stimulus te manipuleren die wordt gebruikt tijdens single-pulse, paired-pulse en repetitieve toepassingen57,58. Controleerbare pulsparameter TMS (cTMS) stimulatoren zijn nu wereldwijd commercieel beschikbaar voor onderzoeksgebruik en bieden flexibele controle over de pulsbreedte en vorm57. De verhoogde flexibiliteit komt voort uit het regelen van de ontladingsduur van twee onafhankelijke condensatoren, elk verantwoordelijk voor een afzonderlijke fase van de TMS-stimulus. De bifasische of monofasische aard van de stimulus wordt bepaald door de relatieve ontladingsamplitude van elke condensator, een parameter die de M-ratio wordt genoemd. cTMS-studies hebben pulsbreedtemanipulatie gecombineerd met verschillende stroomrichtingen om aan te tonen dat de vaste pulsbreedtes die worden gebruikt door conventionele TMS-stimulatoren (70-82 μs)59,60 waarschijnlijk een mix van functioneel verschillende sensomotorische circuits rekruteren tijdens SAI 56. Daarom is cTMS een opwindend hulpmiddel om de functionele betekenis van verschillende convergente sensomotorische lussen in sensomotorische prestaties en leren verder te ontwarren.

Dit manuscript beschrijft een unieke SAI-benadering voor het bestuderen van sensomotorische integratie die perifere elektrische stimulatie integreert met cTMS tijdens sensomotorisch gedrag. Deze benadering verbetert de typische SAI-benadering door het effect van afferente projecties op geselecteerde interneuronpopulaties in de motorische cortex te beoordelen die de corticospinale output regelen tijdens aanhoudend sensomotorisch gedrag. Hoewel relatief nieuw, biedt cTMS een duidelijk voordeel bij het bestuderen van sensomotorische integratie in typische en klinische populaties. Bovendien kan de huidige aanpak eenvoudig worden aangepast voor gebruik met conventionele TMS-stimulatoren en om andere vormen van afferente remming en facilitering te kwantificeren, zoals afferente remming met lange latentie (LAI)13 of afferente facilitering met korte latentie (SAF)15.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Het volgende protocol kan worden toegepast op verschillende experimenten. De verstrekte informatie beschrijft een experiment waarin SAI wordt gebruikt om sensomotorische integratie te kwantificeren tijdens een vingerrespons op een geldig of ongeldig gecuede sonde. In dit protocol wordt SAI beoordeeld zonder een taak, dan gelijktijdig tijdens de cued sensomotorische taak en dan weer zonder een taak. De cTMS-stimulator kan worden vervangen door elke in de handel verkrijgbare conventionele TMS-stimulator. De pulsbreedte van de conventionele TMS-stimulator zou echter worden vastgesteld tussen 70-82 μs, afhankelijk van de specifieke hardware59,60. Deze studie werd goedgekeurd door het Office of Research Ethics van de Universiteit van Waterloo. Alle deelnemers gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming.

1. Hardware-/softwarevereisten

OPMERKING: Figuur 1 toont een schema van de hardwarevereisten om de perifere elektrische en TMS-stimulatoren te integreren met een computergestuurde sensomotorische taak. Figuur 2A toont de opstelling voor SAI voor PA-geïnduceerde en AP-geïnduceerde stroom. Figuur 2B illustreert de volgorde van gebeurtenissen voor de cued sensomotorische taak en de relatieve timing van de HCI-beoordeling. Een stereotactisch geleidingssysteem om de TMS-spoeloriëntatie ten opzichte van de deelnemer te volgen, wordt sterk aanbevolen om de variabiliteit per proef te verminderen in de fysiologische respons geassocieerd met variatie in spoelpositie en traject61.

figure-protocol-1
Figuur 1: Een schema van de hardware die wordt gebruikt om SAI in rust en tijdens gelijktijdig sensomotorisch gedrag te beoordelen. PC1, dat wordt gebruikt om de sensomotorische taak en de timing van de cTMS-stimulus / perifere elektrische stimulatie te regelen, is aangesloten op een digitaal-naar-analoog converter die via een USB-kabel een 5 V TTL-uitgangstrigger kan genereren. Voor ongeconditioneerde proeven wordt de trigger van digitaal ingangs-uitgangskanaal 1 via een BNC-kabel naar de cTMS-stimulator gestuurd. Voor geconditioneerde proeven wordt de trigger van digitaal input-output kanaal 1, dat naar de cTMS-stimulator wordt gestuurd, voorafgegaan door een trigger van digitaal input-output kanaal 2 naar de perifere elektrische stimulator. Een BNC-kabel van het trigger-outkanaal op de cTMS-eenheid wordt naar het analoog-naar-digitaal bord van het EMG-systeem gestuurd om de EMG-versterkeropname en de weergave / opslag van de gegevens door de EMG-acquisitiesoftware op PC2 te activeren. Een optionele BNC-kabel van de cTMS-triggeruitgang wordt ook naar het stereotactische geleidingssysteem gestuurd om de spoelpositie en het traject op het moment van de cTMS-stimulus vast te leggen. Afkortingen: PC = personal computer; USB = universele seriële bus; TTL = transistor-transistor logische triggerkabel; BNC = Bajonet Neill-Concelman connector; cTMS = controleerbare pulsparameter transcraniële magnetische stimulator; TMS = transcraniële magnetische stimulatie; A/D = analoog-digitaal; EMG = elektromyografie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-2
Figuur 2: SAI-opstelling en de sensomotorische taak . (A) Een schema van de opstelling voor de beoordeling van HCI in de BDI-spier. Van belang is dat de geïnduceerde stroom in de hersenen tegengesteld is aan de richting van de stroom in de TMS-spoel. (B) Een afbeelding van een geldige wijsvingercue (boven) en ongeldige wijsvingercue (onder) trial. De cue wordt altijd afgebeeld als de bovenste stimulus (gemarkeerd door de onderbroken cirkel). De cue-kleur komt overeen met een specifieke vingerrespons. De deelnemers kregen de opdracht om zo snel en nauwkeurig mogelijk op de sondekleur te reageren. Signalen en sondes kunnen elke kleur hebben. De kans op een geldige cue was 70%. Ongeldige signalen traden op in 30% van de onderzoeken. Afkortingen: SAI = afferente remming met korte latentie; PA = posterieur-anterieur; AP = voorste-achterste; FDI = eerste dorsale interosse; EMG = elektromyografie; MNS = mediane zenuwprikkel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Rust één personal computer (PC1) uit met software om de sensomotorische taak te bedienen via een USB (of seriële poort) digitaal-analoog bord met twee digitale uitgangskanalen.
  2. Stel een no-task softwareroutine in om de volgorde van de ongeconditioneerde cTMS-stimuli en cTMS-stimuli te regelen die worden geconditioneerd door perifere elektrische stimulatie met een interstimulusinterval (ISI) van 21 ms. Randomiseer het interval tussen twee stimuli (bijvoorbeeld geconditioneerd of ongeconditioneerd) met behulp van een rechthoekige verdeling met een duur tussen 5-8 s.
    1. Zorg ervoor dat de routine één digitale uitgangstrigger naar de trigger in de poort van de cTMS-eenheid stuurt voor de ongeconditioneerde stimuli. Zorg ervoor dat de routine afzonderlijke digitale uitgangen naar de cTMS-eenheid en de perifere elektrische stimulator stuurt voor de geconditioneerde stimuli.
    2. Zorg ervoor dat de trigger voor de perifere stimulator 21 ms voorafgaat aan de cTMS-trigger. Zorg ervoor dat het aantal ongeconditioneerde en geconditioneerde prikkels tussen de 8 en 24 ligt. Idealiter zou de volgorde van de ongeconditioneerde en geconditioneerde onderzoeken gerandomiseerd moeten zijn.
  3. Stel een softwareroutine in om de sensomotorische taak te controleren. Zorg ervoor dat deze software ook de digitale uitgangstriggers die naar de cTMS en perifere elektrische stimulatoren worden gestuurd, tijdens het gedrag naar een specifiek punt of de specifieke punten vergrendelt.
    OPMERKING: Het geschetste experiment gebruikte een cued sensomotorische taak (figuur 2B). De triggers voor de perifere stimulator en cTMS-stimulator werden getimed om 225-275 ms na het begin van de responscue op te treden met behulp van een rechthoekige verdeling. Het doel van deze timing was om veranderingen in sensomotorische integratie te beoordelen op basis van de validiteit tussen de responscue en de eerdere voorbereidingscue, die geldig was in 70% van alle onderzoeken.
  4. Rust een tweede personal computer (PC2) uit met een tweekanaals elektromyografie (EMG) versterker aangesloten op een analoog-digitale converter. Zorg ervoor dat de digitaal-analoge converter een digitaal ingangskanaal heeft om het EMG te vergrendelen aan de TMS-stimulus. Zorg ervoor dat PC2 is uitgerust met EMG-data-acquisitiesoftware om de door TMS opgewekte spierresponsen vast te leggen.
    OPMERKING: PC1 kan worden gebruikt om de sensomotorische taak te regelen en het EMG op te nemen. Onderzoekers moeten echter onafhankelijk de timing van de triggers voor de TMS-stimulator, perifere stimulator en EMG-systeem verifiëren. Meerdere apparaten die op één pc zijn aangesloten, vergroten de kans op centrale processorconflicten, wat leidt tot instabiliteit in de relatieve timing van de gebeurtenismarkeringen.
  5. Stel de EMG-data-acquisitiesoftware in met de volgende instellingen: drie opnamekanalen, 2 EMG, één ingangstrigger, geactiveerde opnames met een tijdperk van −0,3 s tot 0,5 s rond de TTL-trigger, een EMG-versterkingsfactor van 1.000x, een bemonsteringsfrequentie van 4.000 Hz, een bandpass-filter van 3 Hz tot 1 kHz en een netfilter (optioneel).
    OPMERKING: Het huidige protocol maakt gebruik van een epoched opnamemethode. De EMG-acquisitiesoftware bewaakt continu het EMG-signaal. Alleen epoched data die is vergrendeld aan de TMS-stimulus worden echter weergegeven en geregistreerd.
  6. Sluit één digitaal uitgangskanaal van PC1 aan op de triggeringang op de cTMS-stimulator. Sluit het tweede digitale uitgangskanaal van PC1 aan op de triggeringang van de perifere elektrische stimulator. Wanneer u het besturingssysteem van de pc gebruikt, bevestigt u onafhankelijk de relatieve timing van de twee digitale uitgangen van PC1.
  7. Sluit de triggeruitgang aan op de digitale ingang van het EMG-systeem. Bij gebruik van een stereotactisch geleidingssysteem kan het mogelijk zijn om de triggeruitgang naar het geleidingssysteem te splitsen om de proef te registreren op basis van de proefpositie van de cTMS-spoel op het moment van de cTMS-stimulus.

2. Screening van deelnemers en geïnformeerde toestemming

  1. Screen de deelnemer op contra-indicaties voor TMS 9,62,63,64,65.
  2. Informeer de deelnemer over de onderzoeksdoelstellingen en -procedures. Bekijk de risico's die worden beschreven in het door de ethische beoordelingsraad goedgekeurde toestemmingsdocument van de instelling. Beantwoord eventuele vragen over de mogelijke risico's. Verkrijg schriftelijke geïnformeerde toestemming voordat u met een studieprocedure begint.

3. Elektromyografie (EMG) elektrode plaatsing

  1. Instrueer de deelnemer om in de experimentele stoel te gaan zitten met hun ellebogen rustend op de armen van de stoel en gebogen om de pols / hand comfortabel te laten rusten op de bureauwerkruimte. Pas de hoogte van de stoel en de bureauwerkruimte indien nodig aan.
  2. Reinig de huid over de eerste dorsale interossale (FDI), abductor pollicis brevis (APB) en het ulnaire styloïde proces met behulp van een mild schurende crème op een rond wattenschijfje. Veeg eventuele resten weg met een alcoholvoorbereidingspad.
  3. Plaats voor elke spier één wegwerp Ag-AgCl lijmelektrode over de spierbuik. Plaats een tweede elektrode op een nabijgelegen benig oriëntatiepunt als referentie. Plaats ten slotte een extra Ag-AgCl-lijmelektrode op het ulnaire styloïdeproces om als grond te dienen.
    OPMERKING: Een veel voorkomende FDI-referentieplaats is de benige prominentie aan de basis van het tweede proximale kootje aan de radiale kant van de hand. Een veel voorkomende APB-referentiesite is de benige prominentie van de proximale falanx aan de radiale kant van de duim.
  4. Sluit elk paar elektroden en de massa aan op de EMG-versterker en het data-acquisitiesysteem. Gebruik kanaal 1 voor de FDI en kanaal 2 voor de APB.

4. Plaatsing van perifere elektrische stimulatorelektroden

  1. Sluit de digitale uitgangstrigger van de perifere stimulator aan op het triggeringangskanaal op het EMG-systeem om EMG-opname te activeren wanneer de perifere stimulus wordt afgeleverd.
  2. Gebruik een licht schurende crème om de huid aan de binnenkant van de onderarm te reinigen. Begin bij de polsflexieplooi en strek uit tot ~ 6 cm proximaal. Breid de reiniging uit naar het gebied vanaf de middellijn van de pols tot de radiale kant van de onderarm. Veeg eventuele resten weg met een alcoholvoorbereidingspad.
  3. Breng geleidende gel aan op een herbruikbare stimulerende staafelektrode. Gebruik net genoeg gel om de metalen schijven van de anodale en kathodale contactpunten te bedekken. Plaats de stimulerende elektrode over de huid aan de handpalmzijde van de pols met de kathode proximaal ten opzichte van de anode. Plaats de kathode iets mediaal en proximaal ten opzichte van het radiale styloïde proces.
    1. Gebruik geen overmatige gel. Als de gel een brug vormt tussen de anode- en kathodeklemmen, reinigt u de elektrode om alle gel te verwijderen en brengt u deze opnieuw aan. Een gelbrug tussen de anode en de kathode zal aanzienlijke stromen langs de huid omleiden, waardoor het moeilijk wordt om de mediane zenuw te stimuleren.
  4. Stel op de perifere stimulator de stimulustypekiezer in op monofasisch, stel de stimulusduur in op 200 μs en selecteer een geschikte spanning en stroomsterkte, waarbij u eventuele vermenigvuldigingsfactoren dubbel controleert. De spanning (Vmax) werd ingesteld op 200 V voor de hier gebruikte hardware, met een initiële stroomsterkte van 0,05 x 10 mA.
  5. Terwijl u de stimulerende elektrode vasthoudt, geeft u een enkele elektrische stimulus door de triggerschakelaar op de constante stroomstimulator in te drukken. Inspecteer vervolgens visueel de APB-spier en het EMG-display (kanaal 2) op bewijs van een spiercontractie. De spiercontractie, bekend als de M-golf, wordt opgewekt door directe activering van het motorische axon door de elektrische stimulus en moet plaatsvinden tussen 6-9 ms na het perifere elektrische stimulusartefact.
  6. Als er geen bewijs is van een spiercontractie, vraag de deelnemer dan of ze een tintelend gevoel voelden dat uitstraalde naar de vingers of direct onder de elektrode. De optimale positie is de elektrodepositie die de meest significante APB-spiercontractie opwekt bij de huidige stimulusintensiteit.
    1. Als er geen gevoel wordt gemeld of als het gevoel beperkt is tot de huid direct onder de elektrode, verhoog dan de stroomsterkte in stappen van 0,05 (vermenigvuldigd met een factor 10) totdat de deelnemer een tintelend gevoel meldt dat uitstraalt naar de vingers / duim. Als een uitstralend gevoel wordt gemeld in een ander cijfer dan de duim, verplaatst u de elektrode door de elektrode radiaal te bewegen totdat het gevoel naar de duim straalt.
  7. Zodra de optimale positie van de stimulerende elektrode is bepaald, bevestigt u de elektrode aan de pols met behulp van drie stukjes tape. Plaats het eerste stuk over het midden van de elektrode en gebruik vervolgens het tweede en derde stuk om de boven- en onderkant van de elektrode vast te zetten.
    OPMERKING: Op basis van ervaring wordt voorgesteld om eerst de band van tape aan de achterkant van de elektrode te bevestigen en vervolgens de tape langs de zijkant van de elektrode naar de huid te laten lopen. Deze aanpak lijkt de elektrode vast te zetten en minimaliseert het potentieel voor laterale beweging tijdens het experiment.
  8. Nadat u de elektrode hebt vastgezet, vraagt u de deelnemer om de gewenste ledemaatoriëntatie aan te nemen die tijdens TMS-stimulatie moet worden gebruikt. Controleer of er nog steeds een duimtrekking wordt opgewekt.

5. Bepaling van de mediane zenuwstimulusintensiteit

  1. Bepaal de perifere stimulusdrempel door de stroomsterkte van de perifere stimulusintensiteit aan te passen totdat een M-golf van 0,2 mV37,56 wordt uitgelokt. Als de M-golf de gewenste 0,2 mV-doelamplitude overschrijdt op drie opeenvolgende stimuli, verlaag dan de stroomsterkte. Als de M-golf onder de gewenste 0,2 mV doelamplitude ligt op drie opeenvolgende stimuli, verhoog dan de stroomsterkte. De drempel is de eerste stroomsterkte waarbij de M-golf hoger is dan 0,2 mV.
    OPMERKING: Een veel voorkomend alternatief is om de intensiteit in te stellen op 3x de perceptuele sensorische drempel of 1x de motorische drempel 11,16,17,66,67,68. De sensorische drempel is de stimulusintensiteit waarbij deelnemers correct een sensatie rapporteren op 5 van de 10 elektrische stimuli. De motorische drempel is de prikkelintensiteit waarbij bij 5 van de 10 stimuli een zichtbare spiertrekking wordt opgewekt.

6. Bepaling van het optimale spoeltraject voor transcraniële magnetische stimulatie

  1. Gebruik een sjabloon MRI-bestand (magnetic resonance image) om een nieuw projectbestand voor stereotactisch geleidingssysteem te maken om de positie en spoeloriëntatie van de deelnemer te controleren. Sluit vervolgens de digitale uitgangstrigger van de TMS-stimulator aan op het triggeringangskanaal op het EMG-systeem om de EMG-opname te activeren wanneer de TMS-stimulus wordt afgeleverd.
    OPMERKING: Indien beschikbaar, kan een onderwerpspecifieke MRI worden gebruikt. De MEP is echter voldoende om de optimale spoelpositie te bepalen voor motorische cortexstimulatiestudies.
  2. Bevestig het spoelvolggereedschap van het geleidingssysteem op de PA TMS-spoel. Gebruik het spoelkalibratiegereedschap om de oriëntatie van het spoelvolggereedschap tot het middelpunt van de TMS-spoel te kalibreren. Herhaal deze stap met een tweede spoelvolggereedschap voor een AP-spoel met dezelfde geometrie als de PA-spoel.
  3. Bevestig het onderwerpvolginstrument van het geleidingssysteem op het voorhoofd van de deelnemer met behulp van twee EMG-elektroden. Gebruik een fine-tip dry-erase marker of eyeliner applicator om markeringen op het midden van de neuspunt, de nasion en de linker en rechter preauriculaire putten te plaatsen. Gebruik de kalibratietool van het geleidingssysteem om de positie van elke marker aan te raken en vast te leggen.
  4. Stel een initiële spoelpositie in door de spoel op het hoofd van de deelnemer te plaatsen en het spoeltraject vast te leggen. Zorg ervoor dat het middenoppervlak van de spoel raakt aan de hoofdhuid. Lijn de middellijn van de spoel op 45° uit op het midden-sagittale vlak van het hoofd van de deelnemer.
    1. Om een beginnende benadering van de motorische cortexhotspot te verkrijgen, stelt u zich een tangentiële lijn voor die een punt van 5 cm voor de vertex en 5 cm lateraal met de hoekpunt verbindt, en plaatst u een spoel van 70 mm op ongeveer 2 cm van het voorste punt langs de tangentiële lijn.
      OPMERKING: Een alternatieve benadering om de corticale motorische hotspot voor de distale spieren van de contralaterale hand te benaderen, is dat de experimentator zijn linkerwijsvinger (indien stimulerend over de linkermotorische cortex van de deelnemer) op de hoofdhoekpunt en de duim van de linkerhand op het preauriculaire punt van het linkeroor plaatst. De positie van het metacarpofalangeale gewricht van de wijsvinger kan worden gebruikt om een geschatte positie te visualiseren waarop het spoelcentrum moet worden geplaatst.
  5. Stel op de cTMS-stimulator de pulstypekiezer in op Monophasic-Positive om een PA-stroom in het onderliggende neurale weefsel te induceren. Stel vervolgens de M-ratio in op 0,2 en de stimulusintensiteit (ook bekend als het vermogen) op 30% van de maximale stimulatoroutput. Stel ten slotte de pulsbreedte (ook bekend als de positieve faseduur) in op 120 μs (de langste pulsbreedte die in het onderzoek is gebruikt).
    OPMERKING: De spoelpositie en het traject bepaald met behulp van de PA-geïnduceerde stroom zullen worden gebruikt voor de AP-geïnduceerde stroom 16,36,37,38,56,69.
  6. Lever drie tot vijf TMS-stimuli terwijl de deelnemer een lichte samentrekking van de FDI-spier behoudt (~ 5% -10% van de maximale vrijwillige contractie). Als er geen motorisch opgewekt potentiaal (MEP) wordt opgewekt, verhoogt u de intensiteit van de stimulator met 10% en levert u drie tot vijf extra TMS-stimuli.
  7. Herhaal de vorige stap totdat een MEP van ten minste 0,2 mV consequent wordt opgewekt bij elke stimulus, of totdat de intensiteit van de stimulator 60% -70% van de maximale stimulatoroutput bereikt. Als er geen betrouwbare MEP wordt uitgelokt, houd dan de stimulatieparameters constant en beweeg de TMS-stimulator in een cirkel met een diameter van ~ 2 cm rond de oorspronkelijke stimulatieplaats. Vergroot de diameter van de cirkel met 1 cm als er op geen enkel punt in de oorspronkelijke cirkel een betrouwbare MEP wordt uitgelokt.
  8. Zodra een betrouwbare MEP is uitgelokt, bevestigt u de FDI-motorhotspot door de stimulatieparameters constant te houden en de TMS-stimulator 2 cm ten noorden, oosten, zuiden en westen van de huidige spoellocatie te verplaatsen. Lever drie tot vijf TMS-stimuli op elke locatie70. Noteer de nieuwe spoelpositie en -baan als een consistent grotere MEP wordt uitgelokt bij een van de vier kwadranten. Gebruik de nieuwe spoelpositie en het nieuwe traject als corticale motorhotspot.

7. Bepaling van de stimulusintensiteit voor transcraniële magnetische stimulatie

  1. Start de vrij beschikbare TMS motor threshold assessment tool (MTAT 2.1)71,72,73 om de stimulusintensiteit te bepalen die nodig is om een MEP van 1 mV (1 mV drempel)16,67,74 uit te lokken. Stel de schattingsmethode in op Zonder a priori informatie en klik op Start.
    OPMERKING: Het huidige protocol gebruikt een TMS-intensiteit van 1 mV16. Sommige studies geven er echter de voorkeur aan om de intensiteit in te stellen op 120% van de motorische drempel in rust van het individu. Voor AP-stroom is een MEP van 1 mV mogelijk niet beschikbaar. Bepaal in dergelijke gevallen de stimulatoruitgang die de maximale MEP opwekt die wordt opgewekt door de AP-stimulusconfiguratie, op voorwaarde dat de maximale MEP ten minste 0,5 mV is.
  2. Bepaal de maximale stimulatoruitgang die beschikbaar is voor de pulsbreedte van 120 μs. Gebruik vervolgens een conversiegrafiek om het bereik van de stimulatoruitgang te schalen van 0 naar 100, zodat de stimulatoruitgang overeenkomt met de schaal van de MTAT 2.1-software.
    OPMERKING: Voor het model dat in de huidige studie wordt gebruikt, is de maximale stimulatoroutput voor een pulsbreedte van 120 μs 50%. Daarom worden de waarden van de MTAT 2.1-software gedeeld door 2 om de waarde te bepalen die op de stimulator is ingesteld. Voor een pulsbreedte van 70 μs is de maximale stimulatoruitgang 66%, dus alle waarden van de MTAT 2.1-software worden vermenigvuldigd met 0,66 (en afgerond op de dichtstbijzijnde 0,5%). Voor een pulsbreedte van 30 μs is de maximale stimulatoroutput 100%. Daarom is er geen schaalaanpassing nodig.
  3. Stel de intensiteit van de TMS-stimulator in op het initiële percentage van de maximale stimulatoroutput dat wordt aangegeven door de MTAT 2.1-software en lever een enkele TMS-stimulus. Als de opgenomen MEP in het tijdsbereik van 20-50 ms na de TMS-stimulus groter is dan 1 mV, geeft u "ja" aan door op de Y-toets te drukken. Als de opgenomen MEP minder dan 1 mV is, geeft u "nee" aan door op de N-toets te drukken. Herhaal deze stap totdat de stimulusintensiteit die door de MTAT-software wordt weergegeven, verandert van zwart in groen.
    OPMERKING: De beginwaarde die wordt aangegeven door de MTAT 2.1-software is altijd 37%. Voor een pulsbreedte van 120 μs is de werkelijke stimulatorwaarde 18,5%. Voor een pulsbreedte van 70 μs is de werkelijke stimulatorwaarde 24%. Bij een pulsbreedte van 30 μs is de stimulatorwaarde 37%.
  4. Herhaal dit voor elke combinatie van de huidige richting en de stimulusduur. Voor AP-stroom roteert u de stroomrichting tot 180 ° door de spoel fysiek te roteren om de PA-stroom met 180 ° te induceren, of gebruikt u een aangepaste spoel die is vervaardigd om AP-stroom te induceren.
    OPMERKING: Bij gebruik van meerdere TMS-stroomrichtingen en pulsbreedtes kunnen alle drempelwaarden worden bepaald vóór de gegevensverzameling of net voordat die specifieke combinatie van stroomrichting en pulsbreedte in het protocol wordt gebruikt.

8. Afferente remming met korte latentie (geen taakbasislijn)

  1. Bevestig de spoel die de PA-stroom in de hersenen induceert aan de cTMS-stimulator. Stel het pulstype in op Monofasisch-Positief en de M-verhouding op 0,2. Stel de pulsbreedte in op 120 μs. Stel ten slotte de stimulusintensiteit in op de drempel van 1 mV die in stap 7 is bepaald.
    OPMERKING: Als u zowel PA- als AP-stroomrichtingen gebruikt, moet de volgorde waarin stap 8 wordt uitgevoerd, worden gerandomiseerd over de deelnemers. Als u meerdere pulsbreedtes gebruikt, moet de volgorde waarin stap 8 wordt uitgevoerd, worden gecompenseerd door de deelnemers. PA120 en AP30 waren de enige huidige configuraties die in het beschreven experiment werden gebruikt.
  2. Stel de intensiteit van de perifere elektrische stimulus in op de intensiteit die in stap 5 is bepaald. Start vervolgens de no-task softwareroutine op PC1. Stel vervolgens het interstimulusinterval tussen de perifere elektrische en TMS-stimuli in op 21 ms.
  3. Plaats de TMS-spoel boven de FDI-motorhotspot die in stap 6 is bepaald. Vraag de deelnemer om een lichte samentrekking van de FDI-spier vast te houden (~ 5% -10% van de maximale vrijwillige contractie). Voer vervolgens de no-task software uit op PC1 om zowel de randapparatuur als cTMS-stimulatoren te activeren.
  4. Herhaal de stappen voor de AP30-stroomconfiguratie met behulp van de spoel die AP-stroom in de hersenen induceert.
    OPMERKING: Het wordt aanbevolen om de basislijn zonder taak te herhalen aan het einde van het experiment, als de tijd het toelaat. De HCI-beoordelingen vóór en na geen taak worden ten zeerste aanbevolen om een HCI-basislijn te verkrijgen en eventuele reeds bestaande verschillen tussen groepen vast te stellen (indien van toepassing).

9. Afferente remming met korte latentie (sensomotorische taak)

  1. Bevestig de PA-spoel aan de cTMS-stimulator. Stel het pulstype in op Monofasisch-Positief en de M-verhouding op 0,2. Stel de pulsbreedte in op 120 μs. Stel ten slotte de stimulusintensiteit in op de drempel van 1 mV die in stap 7 is bepaald.
    OPMERKING: Bij gebruik van meerdere TMS-huidige configuraties (bijv. PA120, AP30), moet de huidige configuratie die tijdens de sensomotorische taak wordt gebruikt, worden gecompenseerd door de deelnemers. Het wordt aanbevolen hetzelfde tegenwicht te gebruiken dat wordt gebruikt om de volgorde voor de nultaakbasislijnbeoordeling te bepalen.
  2. Stel de intensiteit van de perifere elektrische stimulus in op de intensiteit die in stap 5 is bepaald. Start vervolgens de sensomotorische taaksoftwareroutine op pc1. Stel het interstimulusinterval tussen de perifere elektrische en TMS-stimuli in op 21 ms.
  3. Plaats de TMS-spoel boven de FDI-motorhotspot die in stap 6 is bepaald. Vraag de deelnemer om een lichte samentrekking van de FDI-spier vast te houden (~ 5% -10% van de maximale vrijwillige contractie).
  4. Voer de sensomotorische taaksoftwareroutine uit om de sensomotorische taak te controleren en stuur de gedragsvergrendelde digitale triggers naar de perifere en cTMS-stimulatoren. Houd het gewenste aantal ongeconditioneerde en geconditioneerde proeven tussen de 8 en 24 stimuli per aandoening.
  5. Herhaal de stappen voor de AP30-stroomconfiguratie met behulp van de spoel om AP-stroom in de hersenen te induceren.

10. Gegevensverwerking en -analyse

  1. Inspecteer de EMG-gegevens visueel offline en verwijder alle sporen waarin het wortelgemiddelde kwadraat van het prestimulus-EMG (−50 tot het begin van de stimulus) een criteriumamplitude overschrijdt. Bereken de hoofdgemiddelde kwadratische fout voor elke proef als volgt:
    figure-protocol-3
    waarbij N het aantal datapunten is tussen −50 en het begin van de stimulus, en het EMG de spanning op punt n. Gebruik voor SAI uitgevoerd met de spier in rust een criteriumamplitude van 10-15 μV. Gebruik voor SAI beoordeeld met een lichte tonische contractie een criteriumamplitude die de gemiddelde RMSE is over alle onderzoeken plus twee standaarddeviaties, ervan uitgaande dat contractieniveaus tijdens het onderzoek werden gecontroleerd.
  2. Bereken voor elke studie de piek-tot-piek MEP-amplitude voor de FDI als het verschil tussen de minimum- en maximumwaarden in het tijdvenster tussen 20 ms tot 50 ms post-TMS-stimulusartefact in kanaal 170.
  3. Bereken voor de geconditioneerde onderzoeken de piek-tot-piek M-golfamplitude voor de APB als de piek-tot-piekamplitude 5 ms tot 15 ms post-perifeer stimulusartefact in kanaal 2.
    OPMERKING: Het berekenen van de piek-tot-piek M-golf amplitude is een methode om te bevestigen dat de stimulusintensiteit niet varieerde tussen de omstandigheden gedurende het experiment.
  4. Bereken de gemiddelde MEP-amplitude voor de ongeconditioneerde en geconditioneerde onderzoeken en de gemiddelde M-golf voor geconditioneerde onderzoeken voor elke combinatie van TMS-stroomrichting, pulsbreedte en gedragsconditie.
  5. Druk de geconditioneerde MEP-amplitude uit als een verhouding van de ongeconditioneerde MEP-amplitude voor elke deelnemer met behulp van de onderstaande vergelijking11:
    figure-protocol-4
    OPMERKING: Lagere verhoudingen weerspiegelen een krachtigere remming. Het vermenigvuldigen van de ratio met 100% is gebruikelijk om de geconditioneerde MEP-amplitude uit te drukken als een percentage van de ongeconditioneerde MEP-amplitude.
  6. Bereken het gemiddelde over alle deelnemers voor elke TMS-stroomrichting, pulsbreedte en gedragsconditiecombinatie. Rapporteer deze waarden. Hoewel gemiddelde waarden over het algemeen worden gerapporteerd, moet u individuele gegevens waar mogelijk in cijfers weergeven.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Figuur 3 illustreert voorbeelden van ongeconditioneerde en geconditioneerde EP-leden van een enkele deelnemer die tijdens de sensomotorische taak in de FDI-spier werden opgewekt met behulp van PA120- en AP30- (subscript geeft pulsbreedte aan) geïnduceerde stroom. De staafdiagrammen in de middelste kolom illustreren de ruwe gemiddelde piek-tot-piek MEP-amplitudes voor de ongeconditioneerde en geconditioneerde proeven. De staafdiagrammen rechts tonen de SAI- en MEP-beginl...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

De hier beschreven SAI-methode onderzoekt een subset van neurale paden die een rol spelen bij sensomotorische prestaties en leren. Het beoordelen van SAI terwijl deelnemers gecontroleerde sensomotorische taken uitvoeren, is van cruciaal belang voor het ontwarren van de complexe bijdragen van de talrijke sensomotorische lussen die samenkomen op de motorische corticospinale neuronen om de motorische output in gezonde en klinische populaties vorm te geven. Een vergelijkbare methodologie is bijvoorbeeld gebruikt om de cerebe...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

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

De auteurs erkennen financiering van de Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC), de Canada Foundation for Innovation (CFI) en het Ontario Research Fund (ORF) toegekend aan S.K.M.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Acquisition software (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAPL3504/PLabChart Pro version 8
Alcohol prep padsMedline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada211-MM-05507Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAFE234Quad Bio Amp
Cotton roundCliganic, San Francisco, CA, USA‎CL-BE-019-6PKPremium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coilsRogue Research, Montréal, QC, CanadaCOIL70F8030170 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coilsRogue Research, Montréal, QC, CanadaCOIL70F80301-IC70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulatorRogue Research, Montréal, QC, CanadaCTMSMU0101Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAPL3504PowerLab 4/35
Digital to analog boardNational Instruments, Austin, TX, USA782251-01NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG)Covidien, Dublin, Ireland31112496Kendal 130 Foam Electrodes
ElectrogelElectrodestore.comE9Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
NuprepWeaver and Company, Aurora, CO, USA10-30Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes) 
Peripheral electrical stimulatorDigitimer, Hertfordshire, UKDS7R DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrodeElectrodestore.comDDA-30Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering)National Instruments, Austin, TX, USA784503-35Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance systemRogue Research, Montréal, 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 & Nerve Supplement. 9, S26-S32 (2000).
  3. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: A primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
  4. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  5. Day, B. L., et al. Electric and magnetic stimulation of human motor cortex - Surface EMG and single motor unit responses. Journal of Physiology. 412, 449-473 (1989).
  6. Di Lazzaro, V., et al. Comparison of descending volleys evoked by transcranial magnetic and electric stimulation in conscious humans. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Electromyography and Motor Control. 109 (5), 397-401 (1998).
  7. Di Lazzaro, V., Rothwell, J. C. Corticospinal activity evoked and modulated by non-invasive stimulation of the intact human motor cortex. Journal of Physiology. 592 (19), 4115-4128 (2014).
  8. Chen, R., et al. The clinical diagnostic utility of transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 119 (3), 504-532 (2008).
  9. Rossini, P. M. 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), 1071-1107 (2015).
  10. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. The Journal of Physiology. 471, 501-519 (1993).
  11. Tokimura, H., et al. Short latency inhibition of human hand motor cortex by somatosensory input from the hand. The Journal of Physiology. 523, 503-513 (2000).
  12. Nakamura, H., Kitagawa, H., Kawaguchi, Y., Tsuji, H. Intracortical facilitation and inhibition after transcranial magnetic stimulation in conscious humans. The Journal of Physiology. 498, 817-823 (1997).
  13. Chen, R., Corwell, B., Hallett, M. Modulation of motor cortex excitability by median nerve and digit stimulation. Experimental Brain Research. 129 (1), 77-86 (1999).
  14. Asmussen, M. J., Jacobs, M. F., Lee, K. G., Zapallow, C. M., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition modulation during finger movement. PLoS One. 8 (4), e60496(2013).
  15. Devanne, H. Afferent-induced facilitation of primary motor cortex excitability in the region controlling hand muscles in humans. European Journal of Neuroscience. 30 (3), 439-448 (2009).
  16. Ni, Z., et al. Transcranial magnetic stimulation in different current directions activates separate cortical circuits. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 749-756 (2011).
  17. Bailey, A. Z., Asmussen, M. J., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition determined by the sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 116 (2), 637-644 (2016).
  18. Fischer, M., Orth, M. Short-latency sensory afferent inhibition: conditioning stimulus intensity, recording site, and effects of 1 Hz repetitive TMS. Brain Stimulation. 4 (4), 202-209 (2011).
  19. Voller, B., et al. Short-latency afferent inhibition during selective finger movement. Experimental Brain Research. 169 (2), 226-231 (2006).
  20. Asmussen, M. J., et al. Modulation of short-latency afferent inhibition depends on digit and task-relevance. PLoS One. 9 (8), e104807(2014).
  21. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention focus modulates afferent input to motor cortex during skilled action. Human Movement Science. 74, 102716(2020).
  22. Bonassi, G., et al. Selective sensorimotor modulation operates during cognitive representation of movement. Neuroscience. 409, 16-25 (2019).
  23. Beck, S., Hallett, M. Surround inhibition in the motor system. Experimental Brain Research. 210 (2), 165-172 (2011).
  24. Seki, K., Fetz, E. E. Gating of sensory input at spinal and cortical levels during preparation and execution of voluntary movement. Journal of Neuroscience. 32 (3), 890-902 (2012).
  25. Young-Bernier, M., Davidson, P. S., Tremblay, F. Paired-pulse afferent modulation of TMS responses reveals a selective decrease in short latency afferent inhibition with age. Neurobiology of Aging. 33 (4), 1-11 (2012).
  26. Pelosin, E., et al. Attentional control of gait and falls: Is cholinergic dysfunction a common substrate in the elderly and Parkinson's disease. Frontiers in Aging Neuroscience. 8, 104(2016).
  27. Dubbioso, R., Manganelli, F., Siebner, H. R., Di Lazzaro, V. Fast intracortical sensory-motor integration: A window into the pathophysiology of Parkinson's disease. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 111(2019).
  28. Oh, E., et al. Olfactory dysfunction in early Parkinson's disease is associated with short latency afferent inhibition reflecting central cholinergic dysfunction. Clinical Neurophysiology. 128 (6), 1061-1068 (2017).
  29. Richardson, S. P., et al. Changes in short afferent inhibition during phasic movement in focal dystonia. Muscle & Nerve. 37 (3), 358-363 (2008).
  30. Ziemann, U., et al. TMS and drugs revisited 2014. Clinical Neurophysiology. 126 (10), 1847-1868 (2015).
  31. Di Lazzaro, V. Muscarinic receptor blockade has differential effects on the excitability of intracortical circuits in the human motor cortex. Experimental Brain Research. 135 (4), 455-461 (2000).
  32. Di Lazzaro, V., et al. Neurophysiological predictors of long term response to AChE inhibitors in AD patients. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 76 (8), 1064-1069 (2005).
  33. Fujiki, M., Hikawa, T., Abe, T., Ishii, K., Kobayashi, H. Reduced short latency afferent inhibition in diffuse axonal injury patients with memory impairment. Neuroscience Letters. 405 (3), 226-230 (2006).
  34. Koizume, Y., Hirano, M., Kubota, S., Tanaka, S., Funase, K. Relationship between the changes in M1 excitability after motor learning and arousal state as assessed by short-latency afferent inhibition. Behavioral Brain Research. 330, 56-62 (2017).
  35. Thabit, M. N., et al. Momentary reward induce changes in excitability of primary motor cortex. Clinical Neurophysiology. 122 (9), 1764-1770 (2011).
  36. Mirdamadi, J. L., Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention modulates specific motor cortical circuits recruited by transcranial magnetic stimulation. Neuroscience. 359, 151-158 (2017).
  37. Mirdamadi, J. L., Meehan, S. K. Specific sensorimotor interneuron circuits are sensitive to cerebellar-attention interactions. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 920526(2022).
  38. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Verbal working memory modulates afferent circuits in motor cortex. European Journal of Neuroscience. 48 (10), 3117-3125 (2018).
  39. Mineo, L., et al. Modulation of sensorimotor circuits during retrieval of negative autobiographical memories: Exploring the impact of personality dimensions. Neuropsychologia. 110, 190-196 (2018).
  40. Bonnì, S., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Koch, G. Real-time activation of central cholinergic circuits during recognition memory. European Journal of Neuroscience. 45 (11), 1485-1489 (2017).
  41. Nardone, R., et al. Abnormal short latency afferent inhibition in early Alzheimer's disease: A transcranial magnetic demonstration. Journal of Neural Transmission. 115 (11), 1557-1562 (2008).
  42. Nardone, R., Bratti, A., Tezzon, F. Motor cortex inhibitory circuits in dementia with Lewy bodies and in Alzheimer's disease. Journal of Neural Transmission. 113 (11), 1679-1684 (2006).
  43. Di Lazzaro, V., et al. In vivo cholinergic circuit evaluation in frontotemporal and Alzheimer dementias. Neurology. 66 (7), 1111-1113 (2006).
  44. Di Lazzaro, V., et al. Functional evaluation of cerebral cortex in dementia with Lewy bodies. NeuroImage. 37 (2), 422-429 (2007).
  45. Di Lazzaro, V., et al. In vivo functional evaluation of central cholinergic circuits in vascular dementia. Clinical Neurophysiology. 119 (11), 2494-2500 (2008).
  46. Marra, C., et al. Central cholinergic dysfunction measured "in vivo" correlates with different behavioral disorders in Alzheimer's disease and dementia with Lewy body. Brain Stimulation. 5 (4), 533-538 (2012).
  47. Mimura, Y., et al. Neurophysiological biomarkers using transcranial magnetic stimulation in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment: A systematic review and meta-analysis. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 121, 47-59 (2021).
  48. Yarnall, A. J., et al. Short latency afferent inhibition: a biomarker for mild cognitive impairment in Parkinson's disease. Movement Disorders. 28 (9), 1285-1288 (2013).
  49. Celebi, O., Temuçin, C. M., Elibol, B., Saka, E. Short latency afferent inhibition in Parkinson's disease patients with dementia. Movement Disorders. 27 (8), 1052-1055 (2012).
  50. Martin-Rodriguez, J. F., Mir, P. Short-afferent inhibition and cognitive impairment in Parkinson's disease: A quantitative review and challenges. Neuroscience Letters. 719, 133679(2020).
  51. Nardone, R., et al. Short latency afferent inhibition differs among the subtypes of mild cognitive impairment. Journal of Neural Transmission. 119 (4), 463-471 (2012).
  52. Tsutsumi, R., et al. Reduced interhemispheric inhibition in mild cognitive impairment. Experimental Brain Research. 218 (1), 21-26 (2012).
  53. Di Lazzaro, V., et al. Segregating two inhibitory circuits in human motor cortex at the level of GABAA receptor subtypes: A TMS study. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2207-2214 (2007).
  54. Giorgetti, M., et al. Local GABAergic modulation of acetylcholine release from the cortex of freely moving rats. European Journal of Neuroscience. 12 (6), 1941-1948 (2000).
  55. Turco, C. V., Toepp, S. L., Foglia, S. D., Dans, P. W., Nelson, A. J. Association of short- and long-latency afferent inhibition with human behavior. Clinical Neurophysiology. 132 (7), 1462-1480 (2021).
  56. Hannah, R., Rothwell, J. C. Pulse duration as well as current direction determines the specificity of transcranial magnetic stimulation of motor cortex during contraction. Brain Stimulation. 10 (1), 106-115 (2017).
  57. Peterchev, A. V., D'Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023(2014).
  58. Peterchev, A. V., Murphy, D. L., Lisanby, S. H. Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters (cTMS). Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2010, 2922-2926 (2010).
  59. Rothkegel, H., Sommer, M., Paulus, W., Lang, N. Impact of pulse duration in single pulse TMS. Clinical Neurophysiology. 121 (11), 1915-1921 (2010).
  60. MagPro Family User Guide. MagVenture A/S. , Available from: https://tsgdoc.socsci.ru.nl/images/a/ac/Magpro_family.pdf (2022).
  61. Bashir, S., Edwards, D., Pascual-Leone, A. Neuronavigation increases the physiologic and behavioral effects of low-frequency rTMS of primary motor cortex in healthy subjects. Brain Topography. 24 (1), 54-64 (2011).
  62. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686(2011).
  63. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112 (4), 720(2001).
  64. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108 (1), 1-16 (1998).
  65. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  66. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Effects of short latency afferent inhibition on short interval intracortical inhibition. Journal of Neurophysiology. 111 (6), 1350-1361 (2013).
  67. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Interactions between short latency afferent inhibition and long interval intracortical inhibition. Experimental Brain Research. 199 (2), 177-183 (2009).
  68. Turco, C. V., El-Sayes, J., Fassett, H. J., Chen, R., Nelson, A. J. Modulation of long-latency afferent inhibition by the amplitude of sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 610-618 (2017).
  69. Sakai, K., et al. Preferential activation of different I waves by transcranial magnetic stimulation with a figure-of-eight-shaped coil. Experimental Brain Research. 113 (1), 24-32 (1997).
  70. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  71. ClinicalResearcher.org. , Available from: https://www.clinicalresearcher.org/software.htm (2022).
  72. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  73. Silbert, B. I., Patterson, H. I., Pevcic, D. D., Windnagel, K. A., Thickbroom, G. W. A comparison of relative-frequency and threshold-hunting methods to determine stimulus intensity in transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 124 (4), 708-712 (2013).
  74. Cash, R. F., Isayama, R., Gunraj, C. A., Ni, Z., Chen, R. The influence of sensory afferent input on local motor cortical excitatory circuitry in humans. Journal of Physiology. 593 (7), 1667-1684 (2015).
  75. Hayes, K. D., Khan, M. E. R., Barclay, N. E., Meehan, S. K. The persistent effects of sports-related concussion during adolescence on sensorimotor integration. Canadian Association for Neuroscience Meeting. , Canadian Association for Neuroscience. Victoria, Canada. (2022).
  76. Turco, C. V., et al. Short- and long-latency afferent inhibition; Uses, mechanisms and influencing factors. Brain Stimulation. 11 (1), 59-74 (2018).
  77. Casula, E. P., Rocchi, L., Hannah, R., Rothwell, J. C. Effects of pulse width, waveform and current direction in the cortex: A combined cTMS-EEG study. Brain Stimulation. 11 (5), 1063-1070 (2018).
  78. D'Ostilio, K., et al. Effect of coil orientation on strength-duration time constant and I-wave activation with controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 675-683 (2016).
  79. Barclay, N. E., Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, S. K. Program No. 474.08.The contribution of oscillatory activity to the modulation of different sensorimotor circuits under varying working memory load. Society for Neuroscience Annual Meeting. , Society for Neuroscience. Washington, D.C. (2022).
  80. Dubbioso, R., Raffin, E., Karabanov, A., Thielscher, A., Siebner, H. R. Centre-surround organization of fast sensorimotor integration in human motor hand area. NeuroImage. 158, 37-47 (2017).
  81. Adams, F. C., et al. Tactile sensorimotor training does not alter short- and long-latency afferent inhibition. Neuroreport. 34 (3), 123-127 (2023).
  82. Paparella, G., Rocchi, L., Bologna, M., Berardelli, A., Rothwell, J. Differential effects of motor skill acquisition on the primary motor and sensory cortices in healthy humans. Journal of Physiology. 598 (18), 4031-4045 (2020).
  83. Deveci, S., et al. Effect of the brain-derived neurotrophic factor gene Val66Met polymorphism on sensory-motor integration during a complex motor learning exercise. Brain Research. 1732, 146652(2020).
  84. Turco, C. V., Locke, M. B., El-Sayes, J., Tommerdahl, M., Nelson, A. J. Exploring behavioral correlates of afferent inhibition. Brain Sciences. 8 (4), 64(2018).
  85. Mang, C. S., Bergquist, A. J., Roshko, S. M., Collins, D. F. Loss of short-latency afferent inhibition and emergence of afferent facilitation following neuromuscular electrical stimulation. Neuroscience Letters. 529 (1), 80-85 (2012).
  86. Mirdamadi, J. L., Block, H. J. Somatosensory changes associated with motor skill learning. Journal of Neurophysiology. 123 (3), 1052-1062 (2020).
  87. Bologna, M., et al. Bradykinesia in Alzheimer's disease and its neurophysiological substrates. Clinical Neurophysiology. 131 (4), 850-858 (2020).
  88. Schirinzi, T. Amyloid-mediated cholinergic dysfunction in motor impairment related to Alzheimer's disease. Journal of Alzheimer's Disease. 64 (2), 525-532 (2018).
  89. Cohen, L. G., Starr, A. Localization, timing and specificity of gating of somatosensory evoked potentials during active movement in man. Brain. 110 (2), 451-467 (1987).
  90. Brown, K. E., et al. The reliability of commonly used electrophysiology measures Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. Brain Stimulation. 10 (6), 1102-1111 (2017).
  91. Turco, C. V., Pesevski, A., McNicholas, P. D., Beaulieu, L. D., Nelson, A. J. Reliability of transcranial magnetic stimulation measures of afferent inhibition. Brain Research. 1723, 146394(2019).
  92. Rehsi, R. S., et al. Investigating the intra-session reliability of short and long latency afferent inhibition. Clinical Neurophysiology Practice. 8, 16-23 (2023).
  93. Toepp, S. L., Turco, C. V., Rehsi, R. S., Nelson, A. J. The distribution and reliability of TMS-evoked short- and long-latency afferent interactions. PLoS One. 16 (12), e0260663(2021).
  94. Alle, H., Heidegger, T., Krivanekova, L., Ziemann, U. Interactions between short-interval intracortical inhibition and short-latency afferent inhibition in human motor cortex. Journal of Physiology-London. 587 (21), 5163-5176 (2009).
  95. Noda, Y., et al. A combined TMS-EEG study of short-latency afferent inhibition in the motor and dorsolateral prefrontal cortex. Journal of Neurophysiology. 116 (3), 938-948 (2016).
  96. Noda, Y. Reduced prefrontal short-latency afferent inhibition in older adults and its relation to executive function: A TMS-EEG study. Frontiers in Aging Neuroscience. 9, 119(2017).
  97. Noda, Y., et al. Reduced short-latency afferent inhibition in prefrontal but not motor cortex and its association with executive function in schizophrenia: A combined TMS-EEG study. Schizophrenia Bulletin. 44 (1), 193-202 (2018).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles