Artykuł metodologiczny

Hamowanie wewnątrzkorowe w obrębie pierwotnej kory ruchowej może być modulowane poprzez zmianę skupienia uwagi

9.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55771

⸱

11 września 2017

 ,  ,  , 
1Department of Medicine, Movement and Sport Sciences, University of Fribourg

W tym artykule

Podsumowanie

Korzystając z dwóch różnych protokołów przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS), ten manuskrypt opisuje, jak mierzyć i porównywać hamowanie kory mózgowej w obrębie pierwotnej kory ruchowej podczas przyjmowania różnych ognisk uwagi.

Streszczenie

Dobrze wiadomo, że zewnętrzne skupienie uwagi (EF) w porównaniu z wewnętrznym skupieniem (IF) poprawia motoryczne uczenie się i wydajność. Badania wykazały korzyści w zakresie dokładności, równowagi, produkcji siły, wydajności skakania, prędkości ruchu, zużycia tlenu i męczących zadań. Chociaż behawioralne wyniki stosowania strategii EF są dobrze zbadane, leżące u ich podstaw mechanizmy neuronalne pozostają nieznane. W niedawnym badaniu TMS porównano aktywność pierwszorzędowej kory ruchowej (M1) między EF i IF. Dokładniej, badanie to wykazało, że po przyjęciu EF zwiększa się aktywność wewnątrzkorowych obwodów hamujących.

Na poziomie behawioralnym, obecny protokół testuje wpływ ognisk uwagi na czas do niepowodzenia zadania (TTF) podczas wykonywania submaksymalnych skurczów pierwszego grzbietowego międzykostnego (FDI). Ponadto w niniejszej pracy opisano dwa protokoły TMS do oceny wpływu warunków uwagi na aktywność korowych obwodów hamujących w obrębie M1. W związku z tym w niniejszym artykule opisano, jak stosować TMS z pojedynczym impulsem przy intensywnościach poniżej progu motorycznego (subTMS) i TMS z parowanym impulsem, indukując krótkotrwałe hamowanie dokorowe (SICI) po zastosowaniu do M1. Ponieważ zakłada się, że metody te odzwierciedlają reaktywność neuronów hamujących GABA-ergiczne, bez wpływu obwodów odruchu rdzeniowego, dobrze nadają się do pomiaru aktywności wewnątrzkorowych obwodów hamujących w obrębie M1.

Wyniki pokazują, że skierowanie uwagi na zewnątrz poprawia sprawność motoryczną, ponieważ uczestnicy byli w stanie wydłużyć czas do niepowodzenia zadania. Co więcej, wynikom towarzyszyła większa supresja elektromiografii indukowana przez subTMS i SICI przy zastosowaniu EF w porównaniu z IF. Ponieważ wcześniej wykazano, że poziom hamowania korowego w obrębie M1 wpływa na wydajność motoryczną, zwiększone hamowanie za pomocą EF może przyczynić się do lepszej efektywności ruchowej obserwowanej w zadaniu behawioralnym, na co wskazuje przedłużony TTF z EF.

Wprowadzenie

Obecnie powszechnie przyjmuje się, że przyjęcie EF w porównaniu do IF lub neutralnego skupienia uwagi sprzyja sprawności motorycznej i nauce w wielu miejscach1. Wykazano na przykład, że przyjęcie EF prowadzi do korzyści w zakresie dokładności2,3, balance4,5,6, force production7,8, skokowa wydajność7,9,10,11, prędkość ruchu12, zużycie tlenu13,14, oraz zadania męczące15,16.

Z drugiej strony, ponieważ aktywacja mózgu jest podstawą wszystkich ruchów, zbadano kilka aspektów neuronalnej kontroli ruchu. Na przykład wykazano, że poziom i zdolność do modulowania hamowania wewnątrzkorowego w obrębie M1 mają silny wpływ na funkcje motoryczne, takie jak koordynacja międzykończynowa17, kontrola postawy18 i zręczność19. Co więcej, populacje o słabszych zdolnościach kontroli motorycznej niż młodzi dorośli, takie jak osoby starsze lub dzieci (urodzone przedwcześnie20), zwykle wykazują mniej wyraźną kontrolę hamującą. Tak więc, chociaż rola procesów hamujących nie jest jeszcze dobrze poznana, procesy hamujące wydają się być jednak ważne dla jakości wykonywania czynności motorycznych w ogóle.

Mozliwosc badania dokorowych obwodów hamowania polega na skorzystaniu z nieinwazyjnej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS). Najczęściej stosowany protokół stymulacji wykorzystuje TMS z parami impulsów (ppTMS) do indukcji SICI. Protokół ten wykorzystuje bodziec kondycjonujący poniżej progu motorycznego w celu zmniejszenia amplitudy ponadprogowej odpowiedzi bodźca kontrolnego wywołanej w odstępie między bodźcami 1-5 ms21,22,23,24. Następnie, podawane jako procent bodźca kontrolnego, amplitudy potencjałów wywołanych motorycznie (MEP) można porównać w różnych warunkach, dostarczając informacji o korowej aktywności hamującej i modulacji w obrębie M1.

Inny protokół stymulacji do oceny aktywności intraktorycznych obwodów hamujących stosuje pojedyncze impulsy, gdzie wszystkie bodźce są dostarczane z intensywnością poniżej progu motorycznego (tj. subTMS). Protokół ten indukuje tłumienie trwającej aktywności EMG18,25,26. To tak zwane sutłumienie EMG wywołane subTMS można porównać pod względem ilości i czasu trwania. Chociaż protokół ten nie jest tak powszechnie używany, ma pewne zalety w porównaniu ze standardowym protokołem SICI. Protokół ten nie zaburza wykonywania czynności motorycznych, ponieważ nie wywołuje bodźców ponadprogowych. Obie metody testują responsywność wewnątrzkorowych interneuronów hamujących kwas gamma-aminomasłowy (GABA)23,27.

Pomimo dobrze znanych korzyści płynących z używania EF w porównaniu do IF na wydajność motoryczną1, podstawowe procesy neuronalne pozostają w dużej mierze nieznane. W poprzednim badaniu fMRI28, wykazano, że aktywacja zależna od poziomu tlenu we krwi (BOLD) była zwiększona w M1, pierwotnej korze somatosensorycznej i wyspowej, gdy badani wykonywali sekwencję palców i przyjmowali EF w porównaniu z IF. Ponieważ aktywność pobudzająca i hamująca nie może być rozróżniona za pomocą fMRI29, inne niedawne badanie16 stwierdziło, że zwiększona aktywność w M1 związana z EF może być w rzeczywistości spowodowana zwiększoną aktywnością wewnątrzkorowych obwodów hamujących. Dokładniej, badanie to wykazało, że pobudliwość hamujących neuronów GABA-ergicznych może być natychmiast modulowana przez rodzaj skupienia uwagi przyjętego u jednej i tej samej osoby.

Głównym celem obecnego protokołu jest pokazanie dwóch możliwych sposobów porównania bezpośrednich efektów manipulacji poznawczej (tj. instrukcji skupienia uwagi) na aktywność wewnątrzkorowych obwodów hamujących w obrębie M1. Stosowane są zarówno SubTMS, jak i ppTMS. Ponadto protokół ten pokazuje jeden z możliwych sposobów zbadania wpływu ognisk uwagi na zachowanie motoryczne w bardzo kontrolowany sposób poprzez badanie TTF submaksymalnego izometrycznego trwałego skurczu FDI.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Ten protokół został zatwierdzony przez lokalną komisję etyczną, a eksperymenty są zgodne z Deklaracją Helsińską (1964).

1. Etyczna aprobata i instrukcja przedmiotowa

  1. Przed rozpoczęciem pomiaru należy poinstruować wszystkich uczestników o potencjalnych czynnikach ryzyka i celu badania. Nie podawaj informacji o ogniskach uwagi, ponieważ może to mieć wpływ na wyniki. Upewnij się, że przestrzegane są wytyczne dotyczące bezpieczeństwa stosowania TMS w warunkach badawczych 30.
    UWAGA: Podczas stosowania TMS istnieją pewne medyczne czynniki ryzyka, w tym wszczepione elektrody czaszkowe i implanty ślimakowe, osobista historia omdleń lub napadów padaczkowych, padaczka, uszkodzenie mózgu, interakcje leki/leki, niedawne odstawienie leku, ciąża lub choroba. TMS nie powinien być stosowany u dzieci.
  2. W badaniu uwzględnij zdrowych uczestników (n = 14) w wieku od 18 do 35 lat. Wyklucz osoby z jakimikolwiek chorobami ortopedycznymi i/lub neurologicznymi/psychicznymi. Upewnij się, że wszyscy uczestnicy są praworęczni.

2. Eksperymentalny projekt i konfiguracja

  1. Podziel grupę na dwie części. Najpierw poinstruuj połowę grupy o instrukcjach IF, a następnie o instrukcjach EF w drugiej sesji doświadczalnej (instrukcje ustne znajdują się w sekcji 4.2.2). Poinstruuj drugą połowę w przeciwnej kolejności.
    UWAGA: Eksperyment składa się w sumie z czterech sesji laboratoryjnych (patrz Rysunek 1), które muszą być oddalone od siebie o minimum 72 godziny. Pierwsze dwie sesje polegają na pomiarze maksymalnej siły (Fmax) i TTF submaksymalnego trwałego odwodzenia palca wskazującego (patrz krok 4). Trzecia i czwarta sesja polegają na pomiarze aktywności obwodów hamujących w obrębie M1 podczas zadania za pomocą subTMS i ppTMS (patrz Rysunek 1).

3. Przygotowanie do przedmiotu

  1. Posadź uczestnika na regulowanym i wygodnym krześle przez cały czas trwania eksperymentu. Umieść monitor 1 m przed uczestnikiem.
  2. Ułóż lewą rękę w wygodnej i zrelaksowanej pozycji pod stołem, opierając się na lewej nodze. W razie potrzeby wyreguluj pozycję ramienia za pomocą poduszki. Umieść prawą rękę badanego w specjalnie skonstruowanej szynie w pozycji pronującej (patrz Rysunek 2).
    UWAGA: W tym przypadku szyna jest wykonana z tworzywa termoplastycznego i pasuje do wszystkich uczestników (szczegóły zobacz16). Ponadto szyna została zaprojektowana w celu ograniczenia stopni swobody stawu nadgarstkowego (patrz Rysunek 2B). Jedynymi dozwolonymi ruchami było odwodzenie i przywodzenie stawu śródręczno-paliczkowego palca wskazującego prawej ręki.
  3. Dopasuj przegub palcowy do osi obrotu urządzenia wykonanego na zamówienie. Po znalezieniu optymalnej pozycji nagraj ręcznie i zrób zdjęcie przednio-tylnej i przyśrodkowej pozycji bocznej szyny, aby użyć porównywalnych pozycji w sesjach 2, 3 i 4.

4. Sesje 1 i 2: Testy behawioralne

  1. Maksymalne skurcze izometryczne (patrz Rysunek 1A).
    1. Wyrównaj osie obrotu goniometru i stawu śródręczno-paliczkowego i odpowiednio zamocuj goniometr za pomocą (patrz Rysunek 2). Umieść przetwornik siły w sposób, który pozwala na maksymalne dobrowolne skurcze (patrz Rysunek 2B).
    2. Podłącz EMG (mięsień FDI), przetwornik siły i goniometru do odpowiedniego amplifier i/lub przetwornik analogowo-cyfrowy (A-D).
    3. Poproś uczestnika, aby wykonał 3 maksymalne izometryczne odwodzenia palca wskazującego, z 30-sekundową przerwą między każdym skurczem, i określił Fmax.
      UWAGA: Fmax jest określany jako najwyższy pik w sygnale siły uzyskanym z przetwornika siły. Wyjaśnij uczestnikowi, że maksymalne skurcze polegają na stopniowym zwiększaniu siły od 0 N do indywidualnego maksimum. Co ważne, poinstruuj uczestników, aby wykonali skurcz izometryczny względem stacjonarnego przetwornika siły. Uczestnicy powinni odwodzić palec wskazujący w stawie śródręczno-paliczkowym i naciskać tak mocno, jak to możliwe, na przetwornik siły. Na skurcz należy podać 3-sekundowy przedział czasowy, a uczestnicy powinni zostać poinstruowani, aby utrzymać maksymalną siłę przez 2 s16,25,26. Pomiędzy każdym skurczem daj uczestnikom 30-sekundową przerwę.
    4. Niech badany dociśnie dźwignię do przetwornika siły, nie udzielając żadnych instrukcji dotyczących skupienia uwagi.
      UWAGA: To samo zadanie zostanie wykonane na początku sesji 2, aby upewnić się, że Fmax i pozycja w szynie nie zmieniły się między sesjami.
    5. Po maksymalnych skurczach należy zdjąć przetwornik siły, umożliwiając swobodny ruch palca wskazującego w płaszczyźnie poprzecznej (odwiedzenie/przywodzenie).
    6. Oblicz Fmax na podstawie maksymalnych odciągów izometrycznych (krok 4.1.3), korzystając z surowych danych na komputerze. Określ 30% (Fmax * 0,3; sesje 1 i 2) i 10% (Fmax * 0,1; sesje 3 i 4) Fmax.
      UWAGA: Rozważ Fmax jako najwyższy szczyt znaleziony w sygnale siły uzyskanym z przetwornika siły. W kolejnych sesjach różne intensywności skurczu (30% i 10%) zostaną obliczone na podstawie Fmax uzyskanego na tym etapie eksperymentu.
    7. Napełnij butelkę wodą do ilości odpowiadającej 30% Fmax uzyskanej w kroku 4.1.6. Przymocuj ciężar Fmax do liny urządzenia (patrz Rysunek 2A).
      UWAGA: Objętościowa gęstość masowa wody wynosi 1 kg/l. Tak więc, jeśli 30% Fmax jednego uczestnika odpowiada 0,4 kg, dostosuj wagę butelki do odpowiednika 0,4 kg.
  2. Utrzymujące się skurcze aż do TTF (patrz Rysunek 1A).
    1. Poinstruuj uczestników o zadaniu.
      UWAGA: Uczestnicy muszą utrzymać palec w pozycji docelowej, przeciwdziałając ciężarowi (patrz Rysunek 2), wykonując odwodzenie palca wskazującego. Zadanie musi być wykonywane do momentu niepowodzenia zadania. Niepowodzenie zadania określa się jako odchylenie większe niż 10 stopni od pozycji docelowej. Odchylenie jest mierzone przez goniometr i wyświetlane na monitorze (patrz Rysunek 2B).
    2. Losowo określ kolejność sesji (patrz krok 2.1; Warunek EF lub IF). Ustnie poinstruuj uczestników na temat odpowiedniego stanu (IF lub EF).
      1. W przypadku warunku EF poinstruuj w następujący sposób: "Skoncentruj się na położeniu goniometru. Utrzymaj tę pozycję tak długo, jak to możliwe. Gdy zmienia się położenie goniometru, zmienia się grubość czerwonej linii na ekranie. Popraw położenie goniometru, aż czerwona linia znów stanie się cienka." Poinstruuj uczestnika, aby "kontrolował i koncentrował się na pozycji goniometru" co 30 sekund.
      2. W przypadku warunku IF poinstruuj w następujący sposób: "Skoncentruj się na pozycji palca. Utrzymaj tę pozycję tak długo, jak to możliwe. Gdy zmienia się położenie palca, zmienia się grubość czerwonej linii na ekranie. Popraw pozycję palca, aż czerwona linia znów stanie się cienka". Poinstruuj uczestnika, aby "napinał się i koncentrował na mięśniach palców" co 30 sekund.
    3. Poproś uczestników, aby przytrzymali palec w pozycji docelowej, przeciwdziałając ciężarowi (patrz Rysunek 2), wykonując odwodzenie palca wskazującego. Niech będą wykonywać zadanie aż do niepowodzenia zadania.
    4. Naciśnij przycisk "nagrywaj" w oprogramowaniu do nagrywania, aby rozpocząć nagrywanie sygnału goniometru i poczekaj, aż zadanie się nie powiedzie. Po osiągnięciu niepowodzenia zadania naciśnij przycisk "zatrzymaj nagrywanie" w oprogramowaniu do nagrywania, aby zatrzymać nagrywanie i zapisać sygnał goniometru na komputerze. Usuń rękę uczestnika z szyny ortopedycznej; Pierwsza sesja dobiegła końca.
    5. Przestrzegając minimalnego okresu między sesjami (72 godziny), powtórz kroki 4.2.1–4.2.4. Ponadto należy pozostawić co najmniej 72-godzinną przerwę między sesjami 2 i 3 oraz sesjami 3 i 4.

5. Sesje 3 i 4: Stymulacja mózgu

  1. Zapisy elektromiografii powierzchniowej (sEMG).
    1. W razie potrzeby ogol włosy na skórze nad prawym mięśniem FDI, a następnie lekko zetrzyj skórę za pomocą żelu ścierającego. Zdezynfekuj ścierany obszar roztworem zawierającym 80% etanolu i 1% gliceryny. Pozwól, aby etanol odparował.
    2. Umieść bipolarne elektrody powierzchniowe Ag/AgCl w montażu ścięgna brzusznego na FDI, zachowując odległość między elektrodami 1 cm. Umieść elektrodę odniesienia na paliczku palca średniego.
    3. Podłącz EMG (mięsień FDI) i goniometru do wzmacniacza EMG i do konwertera A-D.
    4. Użyj bipolarnych elektrod powierzchniowych Ag/AgCl do rejestrowania i pomiaru aktywności mięśniowej i reakcji elektrofizjologicznych wywołanych stymulacją mózgu przez mięsień FDI.
      UWAGA: Do końcowej analizy (tłumienie EMG indukowane przez subTMS i amplituda MEP między szczytami) sygnał EMG (z FDI) należy dostosować w następujący sposób: wzmocnienie x1000, filtrowanie pasmowo-przepustowe Butterwortha 10-1000 Hz i próbkowanie 4 kHz. Przechowuj wszystkie dane EMG na komputerze do analizy w trybie offline.
  2. Powtórz kroki 3.1 i 3.2.
  3. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna
    1. Przymocuj odblaskowe znaczniki na czole uczestnika za pomocą dwustronnej taśmy klejącej.
      UWAGA: Znaczniki odblaskowe pozwalają na ciągłe dostarczanie TMS do obszaru docelowego powyżej M1 za pomocą systemu neuronawigacji (patrz Rysunek 2). Zaletą systemu neuronawigacji jest to, że pozycja cewki może być rejestrowana w stosunku do pozycji czaszki w przestrzeni i sprawdzana w dowolnym momencie przez cały czas trwania eksperymentu.
    2. Użyj 95-milimetrowej figury ogniskowej z ośmioma cewkami przymocowanymi do stymulatora TMS, aby dostarczyć bodźce do przeciwległego obszaru kory ruchowej ręki.
      UWAGA: Sprawdź, czy stymulator pozwala na paradygmaty stymulacji sparowanymi impulsami (sesja 4). Ponadto indukowany prąd musi być skierowany z tyłu do przodu i musi być dostarczany w trybie odwrotnym. Kształt fali powinien być jednofazowy.
    3. Znajdź optymalną pozycję (gorący punkt) cewki względem czaszki w celu wywołania motorycznych potencjałów wywołanych (MEP) w mięśniu BIZ, wykonując klasyczną procedurę mapowania.
      1. Zacznij od umieszczenia cewki około 0,5 cm przed wierzchołkiem i nad linią środkową, z uchwytem cewki skierowanym pod kątem 45° w kierunku przeciwległego czoła.
        UWAGA: Zapewni to, że indukowany przepływ prądu będzie w przybliżeniu prostopadły do bruzdy środkowej31.
      2. Aby przyzwyczaić uczestników do bodźców TMS, zacznij od intensywności poniżej 25% maksymalnej mocy stymulatora (MSO). Następnie zacznij zwiększać intensywność stymulacji i przesuwaj cewkę w kierunku środkowo-bocznym i rostro-czołowym, aby odkryć gorący punkt.
    4. Po znalezieniu gorącego punktu zapisz optymalną pozycję za pomocą systemu neuronawigacji. Określ próg aktywnej motoryki (aMT), dostosowując intensywność wyjścia stymulatora. Zdefiniuj aMT jako minimalne natężenie wymagane do wywołania amplitudy międzyszczytowej MEP w EMG FDI większych niż 0,1 mV w trzech z pięciu kolejnych prób21.
  4. Sesja 3: Supresja EMG wywołana przez SubTMS (patrz Rysunek 1B).
    1. Przygotować masę odpowiadającą 10% Fmax, napełniając butelkę wodą (patrz krok 4.1.7).
      UWAGA: 10% Fmax jest wybierane na podstawie Fmax (najlepsza z 3 prób) przeprowadzonej w kroku 4.1.3. W podprogowym protokole TMS należy wybrać tylko 10% Fmax, ponieważ wcześniej wykazano, że zmęczenie ma wpływ na tłumienie EMG wywołane przez subTMS32,33. Z tego samego powodu sesja subTMS musi być przeprowadzona na osobnej sesji. Objętość zużywanej wody wynosi tutaj od 0,3 l (najmniejsze 30% Fmax) do 1,2 l (największe 30% Fmax).
    2. Poinstruuj uczestników o zadaniu; zadanie motoryczne polega na trzymaniu palca wskazującego w pozycji docelowej poprzez przeciwdziałanie niewielkiemu ciężarowi 10% (odwodzenie palca wskazującego; to samo zadanie co w sesjach 1 i 2, ale z mniejszym obciążeniem).
    3. Gdy uczestnicy pozostają zrelaksowani w wygodnej pozycji, znajdź optymalną intensywność do wywołania tłumienia subTMS-EMG, bez udzielania żadnych instrukcji dotyczących skupienia uwagi. W tym celu należy sukcesywnie zmniejszać w krokach co 2% MSO od wcześniej wyznaczonej wartości aMT.
    4. Podczas gdy nadal siedzą w zrelaksowanej i wygodnej pozycji, poproś uczestników, aby wykonali dwa oddzielne izometryczne odwodzenie palca wskazującego przy 10% Fmax i zarejestrowali sygnał EMG FDI. Podczas tego izometrycznego odwodzenia palca wskazującego nagraj (naciskając przycisk "record" w oprogramowaniu rejestrującym) 20 prób z TMS i 20 prób bez TMS, z randomizowanym interwałem międzybodźcowym (ISI) w zakresie od 0,8 do 1,1 s16,25,26,33,34 w oknie czasowym 100 ms.
      UWAGA: Ten interwał zapewnia, że uczestnicy nie muszą wykonywać zadania motorycznego zbyt długo, a tym samym minimalizują efekty męczące. Po każdej serii sprawdź supresję EMG wywołaną przez subTMS.
      1. Zastosuj rektyfikację pełnookresową, przekształcając wszystkie amplitudy ujemne na amplitudy dodatnie w sygnałach EMG. Uśrednij sygnały EMG za pomocą znormalizowanego czasowo uśredniania35.
        UWAGA: Początek supresji subTMS-EMG definiuje się jako moment, w którym różnica między próbami z TMS i bez TMS jest ujemna przez co najmniej 4 ms w oknie czasowym od 20 do 50 ms po TMS:EMG Diff = EMGWithout- EMGWith.
    5. Powtarzaj krok 5.4.3 aż do znalezienia optymalnej intensywności stymulacji, na co wskazuje największe tłumienie EMG.
      UWAGA: Optymalna intensywność znajduje się przy około 80% aMT16.
    6. Przekaż uczestnikowi odpowiednie instrukcje (patrz krok 4.2.2) dotyczące stanu (IF lub EF). Powtórz instrukcje przed każdą serią (krok 4.2.2).
    7. Pozostając w pozycji siedzącej w zrelaksowanej i wygodnej pozycji, poproś uczestników, aby wykonali cztery oddzielne izometryczne odwodzenia palca wskazującego (2 razy z każdym skupieniem: EF i IF) przy 10% Fmax i zapisali sygnał EMG FDI.
      1. Podczas tego izometrycznego odwodzenia palca wskazującego zapisz (naciskając przycisk "nagrywaj" w oprogramowaniu rejestrującym) 40 prób z TMS i 40 prób bez TMS, z randomizowanymi ISI dla każdego stanu (tj. IF i EF) w przeciwnej kolejności. Stosować tę samą intensywność dla każdego warunku (określoną w pkt 5.4.5).
    8. Pomiędzy każdą serią należy pozostawić przerwę trwającą co najmniej 5 minut, aby zminimalizować wszelkie odchylenia, które mogą być wywołane zmęczeniem.
  5. Sesja 4: ppTMS (patrz Rysunek 1B).
    UWAGA: Paradygmat sparowanego impulsu składa się z bodźca kondycjonującego o wartości 0,8 aMT, po którym następuje bodźca kontrolnego suprathreshold o wartości 1,2 aMT.
    1. Powtórz kroki 5.1-5.4. Krótko mówiąc, umieść elektrody EMG na mięśniu FDI, posadź uczestnika na regulowanym i wygodnym krześle, a lewą rękę ułóż w wygodnej i zrelaksowanej pozycji pod stołem (tj. na lewej nodze). Znajdź hotspot dla TMS przez M1.
    2. Ustaw intensywność na stymulatorze, ISI na 2,5 ms36, a interwał między sparowanym a jednoimpulsowym TMS na 0,25 Hz.
    3. Przekaż uczestnikowi odpowiednie instrukcje (zob. krok 4.2.2) dotyczące stanu (tj. IF lub EF). Powtórz instrukcje przed każdą serią.
    4. Poproś uczestników, aby wykonali cztery oddzielne izometryczne odwodzenia palca wskazującego (2 razy z każdym ogniskiem: EF i IF) przy 10% Fmax i zapisali sygnał EMG FDI. Podczas skurczu izometrycznego zapisz 20 bodźców TMS dla każdego stanu (tj. IF i EF) w przeciwrównoważonej kolejności.
      UWAGA: Jeden zestaw 20 bodźców musi składać się z 10 warunkowych MEP (sparowany impuls na 0,8-1,2 aMT) i 10 kontrolnych MEP (pojedynczy impuls na 1,2 aMT). Użyj tej samej intensywności dla każdego warunku (określonej w kroku 5.5.2).
    5. Pomiędzy każdą serią należy pozostawić przerwę trwającą co najmniej 5 minut, aby zminimalizować wszelkie odchylenia, które mogą być wywołane zmęczeniem.

6. Przetwarzanie i analiza danych

  1. SubTMS.
    1. Jak wyjaśniono powyżej (krok 5.1.1.3), sprostować i uśrednić EMG do analizy.
    2. Wykryj początek tłumienia subTMS-EMG (patrz Rysunek 4).
      UWAGA: Definiuje się go jako moment, w którym różnica między średnią wszystkich prób z TMS i tych bez TMS jest ujemna przez co najmniej 4 ms w oknie czasowym od 20-50 ms po TMS.
    3. Aby wykryć koniec supresji subTMS-EMG, zdefiniuj moment po rozpoczęciu supresji (krok 6.1.2), kiedy różnica między średnią wszystkich prób z TMS i tych bez TMS jest ponownie dodatnia przez co najmniej 4 ms (patrz Rysunek 4a).
    4. Oblicz EMG wywołane subTMS w następujący sposób:
      EMG Diff = EMGbez –EMG z.
      1. Oblicz skumulowaną trapezoidalną całkowanie numeryczną od początku do końca tłumienia, aby określić ilościowo stopień tłumienia EMG wywołanego przez subTMS.
  2. ppTMS.
    1. Aby wyrazić wielkość SICI jako wartość procentową w odniesieniu do kontrolnego MEP, należy użyć następującego wzoru:
      100 – (kondycjonowany MEP/kontrolny MEP × 100).
      1. Wyniki należy wykorzystać jako wartości procentowe do końcowej analizy.
    2. Obliczyć amplitudy MEP między szczytami (w mV; w warunkach EF i IF) i porównać te dwa warunki w analizie końcowej.
  3. EMG.
    1. Ponieważ tło EMG ma wpływ na wielkość MEPs37, określ aktywność EMG, obliczając wartość średniej kwadratowej w oknie 100 ms przed TMS.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wpływ punktów skupienia uwagi na sprawność motoryczną:

Testy behawioralne w niniejszym badaniu zostały wykorzystane w celu potwierdzenia wykonalności zadania motorycznego oraz zidentyfikowania osób badanych, które zareagowały pozytywnie na zastosowanie EF. Zgodnie z poprzednimi badaniami (patrz 1 w ramach przeglądu), nasze wyniki wykazują wydłużony TTF w przypadku, gdy uczestnicy stosowali EF w porównaniu do...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Protokół ten pokazuje dwie możliwe metody badania aktywności obwodów hamujących w obrębie M1 za pomocą TMS. Dokładniej, te dwa protokoły zostały wykorzystane w tym badaniu do zbadania wpływu ognisk uwagi na aktywność obwodów hamujących w obrębie M1.

Jednym z ograniczeń przedstawionej metody jest to, że nie zawsze jest możliwe spowodowanie supresji EMG wywołanej przez subTMS bez poprzedzającego go ułatwienia. Na przykład w tym badaniu czterech pacjentów musiało zostać usuniętych z końcowej anal...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MC3A-100Advanced Mechanical Technologies Inc., Watertown, MA, USA-Przetworniksiły
BlueSensor PAmbu A/S, Bellerup, DaniaElektrody powierzchniowe Ag/AgCl do EMG
Polaris SpectraNorthern Digital, Waterloo, ON, Kanada-systemneuronawigacji, aktywny lub pasywny tracker markerów
Localite TMS Navigator Wersja 2.0.5LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Niemcy-systemnawigacyjny do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS)
MagVenture MagPro X100MagVenture A/S, Farum, Dania9016E0711Przezczaszkowy stymulator magnetyczny
MagVenture D-B80MagVenture A/S, Farum, Dania9016E0431Cewka TMS (ósemka)
GoniometrN/A-Goniometrwykonany na zamówienie
Szyna othopedycznaNie dotyczy- szyna wykonana na zamówienie
Oprogramowanie do nagrywaniaLabView oparte naniestandardowym skrypcie

Bibliografia

  1. Wulf, G. Attentional focus and motor learning: a review of 15 years. Int Rev Sport Exerc Psychol. 6 (1), 77-104 (2012).
  2. Perkins-Ceccato, N., Passmore, S. R., Lee, T. D. Effects of focus of attention depend on golfers' skill. J Sports Sci. 21 (8), 593-600 (2003).
  3. Marchant, D. C., Clough, J. C., Crawshaw, M. The effects of attentional focusing strategies on novice dart throwing performance and their task experiences. Int Rev Sport Exerc Psychol. 5 (3), 291-303 (2007).
  4. Oliveira, R. M., Gurd, J. M., Nixon, P., Marshall, J. C., Passingham, R. E. Micrographia in Parkinson's disease: the effect of providing external cues. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 63 (4), 429-433 (1997).
  5. Landers, M., Wulf, G., Wallmann, H., Guadagnoli, M. An external focus of attention attenuates balance impairment in patients with Parkinson's disease who have a fall history. Physiotherapy. 91 (3), 152-158 (2005).
  6. Wulf, G., Landers, M., Lewthwaite, R., Töllner, T. External focus instructions reduce postural instability in individuals with Parkinson disease. Phys Ther. 89 (2), 162-168 (2009).
  7. Wulf, G., Dufek, J. S. Increased jump height with an external focus due to enhanced lower extremity joint kinetics. J Mot Behav. 41 (5), 401-409 (2009).
  8. Marchant, D. C. Attentional Focusing Instructions and Force Production. Front Psychol. 1, 1-9 (2011).
  9. Wälchli, M., Ruffieux, J., Bourquin, Y., Keller, M., Taube, W. Maximizing Performance: Augmented Feedback, Focus of Attention, and/or Reward? Med Sci Sports Exerc. 48 (4), 714-719 (2015).
  10. Keller, M., Lauber, B., Gottschalk, M., Taube, W. Enhanced jump performance when providing augmented feedback compared to an external or internal focus of attention. J Sports Sci. 33 (10), 1067-1075 (2015).
  11. Wulf, G., Dufek, J. S., Lozano, L., Pettigrew, C. Increased jump height and reduced EMG activity with an external focus. Hum Mov Sci. 29 (3), 440-448 (2010).
  12. Fasoli, S. E., Trombly, C. A., Tickle-Degnen, L., Verfaellie, M. H. Effect of instructions on functional reach in persons with and without cerebrovascular accident. Am J Occup Ther. 56 (4), 380-390 (2002).
  13. Schücker, L., Anheier, W., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. On the optimal focus of attention for efficient running at high intensity. Sport Exerc Perform Psychol. 2 (3), 207-219 (2013).
  14. Schücker, L., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. The effect of attentional focus on running economy. J Sports Sci. 27 (12), 1241-1248 (2009).
  15. Lohse, K. R., Sherwood, D. E. Defining the focus of attention: effects of attention on perceived exertion and fatigue. Front Psychol. 2, 332(2011).
  16. Kuhn, Y. A., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Adopting an external focus of attention alters intracortical inhibition within the primary motor cortex. Acta Physiol (Oxf). , (2016).
  17. Fujiyama, H., Hinder, M. R., Schmidt, M. W., Garry, M. I., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability and inhibition during coordination of upper and lower limbs. Neurobiol Aging. 33 (7), (2012).
  18. Papegaaij, S., et al. Postural challenge affects motor cortical activity in young and old adults. Exp Gerontol. 73, 78-85 (2016).
  19. Heise, K. -F., et al. The Aging Motor System as a Model for Plastic Changes of GABA-Mediated Intracortical Inhibition and Their Behavioral Relevance. J Neurosci. 33 (21), 9039-9049 (2013).
  20. Flamand, V. H., Nadeau, L., Schneider, C. Brain motor excitability and visuomotor coordination in 8-year-old children born very preterm. Clin Neurophysiol. 123 (6), 1191-1199 (2012).
  21. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
  22. Wassermann, E. M., et al. Responses to paired transcranial magnetic stimuli in resting, active, and recently activated muscles. Exp Brain Res. 109 (1), 158-163 (1996).
  23. Di Lazzaro, V., et al. Magnetic transcranial stimulation at intensities below active motor threshold activates intracortical inhibitory circuits. Exp Brain Res. 119 (2), 265-268 (1998).
  24. Chen, R. Interactions between inhibitory and excitatory circuits in the human motor cortex. Exp Brain Res. 154 (1), 1-10 (2004).
  25. Lauber, B., Keller, M., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Specific interpretation of augmented feedback changes motor performance and cortical processing. Exp Brain Res. 227 (1), 31-41 (2013).
  26. Lauber, B., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Time to task failure and motor cortical activity depend on the type of feedback in visuomotor tasks. PLoS One. 7 (3), e32433(2012).
  27. Davey, N. J., Romaiguère, P., Maskill, D. W., Ellaway, P. H. Suppression of voluntary motor activity revealed using transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in man. J Physiol. 477 (2), 223-235 (1994).
  28. Zentgraf, K., et al. Neural correlates of attentional focusing during finger movements: A fMRI study. J Mot Behav. 41 (6), 535-541 (2009).
  29. Arthurs, O. J., Boniface, S. How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal? Trends Neurosci. 25 (1), 27-31 (2002).
  30. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  31. 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. Clin Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  32. Seifert, T., Petersen, N. C. Changes in presumed motor cortical activity during fatiguing muscle contraction in humans. Acta Physiol (Oxf). 199, 317-325 (2010).
  33. Sidhu, S. K., Cresswell, A. G., Carroll, T. J. Short-interval intracortical inhibition in knee extensors during locomotor cycling. Acta Physiol (Oxf). 207 (1), 194-201 (2013).
  34. Zuur, A. T., et al. Contribution of afferent feedback and descending drive to human hopping. J Physiol. 588 (Pt 5), 799-807 (2010).
  35. Konrad, P. The ABC of EMG: A practical introduction to kinesiological electromyography. , Noraxon, Inc. Scottsdale, AZ. Version 1 (2005).
  36. Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
  37. Kojima, S., et al. Modulation of the cortical silent period elicited by single- and paired-pulse transcranial magnetic stimulation. BMC Neurosci. 14, 43(2013).
  38. McNevin, N., Shea, C. H., Wulf, G. Increasing the distance of an external focus of attention enhances learning. Psychol Res. 67 (1), 22-29 (2003).
  39. Hummel, F. C., et al. Deficient intracortical inhibition (SICI) during movement preparation after chronic stroke. Neurology. 72 (20), 1766-1772 (2009).
  40. Mall, V., et al. Low level of intracortical inhibition in children shown by transcranial magnetic stimulation. Neuropediatrics. 35 (2), 120-125 (2004).
  41. Walther, M., et al. Maturation of inhibitory and excitatory motor cortex pathways in children. Brain Dev. 31 (7), 562-567 (2009).
  42. van de Laar, M. C., van den Wildenberg, W. P., van Boxtel, G. J., Huizenga, H. M., van der Molen, M. W. Lifespan changes in motor activation and inhibition during choice reactions: a Laplacian ERP study. Biol Psychol. 89 (2), 323-334 (2012).
  43. Papegaaij, S., Taube, W., Baudry, S., Otten, E., Hortobagyi, T. Aging causes a reorganization of cortical and spinal control of posture. Front Aging Neurosci. 6 (28), (2014).
  44. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  45. Ziemann, U., Rothwell, J. C., Ridding, M. C. Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex. J Physiol. 496 (Pt 3), 873-881 (1996).
  46. Petersen, N. T., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. J Physiol. 537 (Pt 2), 651-656 (2001).
  47. Butler, J. E., Larsen, T. S., Gandevia, S. C., Petersen, N. T. The nature of corticospinal paths driving human motoneurones during voluntary contractions. J Physiol. 584 (Pt 2), 651-659 (2007).
  48. Ortu, E., Deriu, F., Suppa, A., Tolu, E., Rothwell, J. C. Effects of volitional contraction on intracortical inhibition and facilitation in the human motor cortex. J Physiol. 586 (21), 5147-5159 (2008).
  49. Roy, F. D. Suppression of EMG activity by subthreshold paired-pulse transcranial magnetic stimulation to the leg motor cortex. Exp Brain Res. 193 (3), 477-482 (2009).
  50. Di Lazzaro, V., et al. Direct demonstration of the effect of lorazepam on the excitability of the human motor cortex. Clin Neurophysiol. 111 (5), 794-799 (2000).
  51. Classen, J., Benecke, R. Inhibitory phenomena in individual motor units induced by transcranial magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 97 (5), 264-274 (1995).
  52. Binkofski, F., et al. Neural activity in human primary motor cortex areas 4a and 4p is modulated differentially by attention to action. J Neurophysiol. 88 (1), 514-519 (2002).
  53. Strafella, A. P., Paus, T. Cerebral blood-flow changes induced by paired-pulse transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. J Neurophysiol. 85 (6), 2624-2629 (2001).
  54. Hunter, S. K., McNeil, C. J., Butler, J. E., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Short-interval cortical inhibition and intracortical facilitation during submaximal voluntary contractions changes with fatigue. Exp Brain Res. 234 (9), 2541-2551 (2016).
  55. Zimmermann, K., et al. Neural Correlates of Switching Attentional Focus during Finger Movements: An fMRI Study. Front Psychol. 3 (555), (2012).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Przezczaszkowa stymulacja magnetycznaskupienie uwagiskupienie zewn trzneskupienie wewn trznekr tkookresowe hamowanie wewn trzkorowepodprogowa stymulacja TMSsprawno ruchowaneurony GABAergiczne

Powiązane artykuły