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Artigo de método

Protocolo de estimulação magnética transcraniana on-line para medir Cortical fisiologia associada com inibição de resposta

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DOI:

10.3791/56789

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8 de fevereiro de 2018

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1College of Medicine, University of Cincinnati, 2Division of Neurology, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 3Division of Psychiatry, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 4Center for Neurodevelopmental and Imaging Research, Kennedy Krieger Institute

Neste artigo

Resumo

Descrevemos um procedimento experimental para quantificar a excitabilidade e inibição do córtex motor primário durante uma tarefa de inibição de resposta motora usando a estimulação magnética transcraniana no decorrer de uma tarefa de sinal de parar.

Resumo

Descrevemos o desenvolvimento de uma tarefa de inibição de resposta motora reprodutíveis, criança-amigável apropriado para caracterização de estimulação magnética transcraniana (TMS) on-line da excitabilidade do córtex motor primário (M1) e inibição. Inibição de resposta motora impede ações indesejadas e é anormal em várias condições neuropsiquiátricas. TMS é uma tecnologia não-invasiva que pode quantificar M1 excitabilidade e inibição usando protocolos de single - e emparelhado-pulso e pode ser precisamente cronometrada para estudar fisiologia cortical com alta resolução temporal. Nós modificamos a tarefa de sinal de paragem Slater-Hammel (S-H) original para criar uma versão de "carro de corrida" com pulsos de TMS eventos tempo-bloqueado para intra experimental. Esta tarefa é individual, com cada julgamento iniciar após um botão para mover o carro de corrida em direção ao alvo 800 ms. IR a ensaios exigem um dedo-elevador para parar o carro de corrida antes este alvo. Intercaladas aleatoriamente são ensaios de paragem (25%) durante o qual o sinal de paragem ajustado dinamicamente solicita assuntos para evitar dedo-elevador. Para ensaios de GO, TMS pulsos foram entregues em 650 ms após o início do julgamento; Considerando que, para ensaios de STOP, os pulsos de TMS ocorreram 150 ms após o sinal de parada. Os timings dos pulsos TMS foram decididos com base em estudos de eletroencefalografia (EEG) mostrando alterações relacionadas com o evento nesses intervalos de tempo durante as tarefas de sinal de parada. Esta tarefa foi estudada em 3 blocos em dois locais de estudo (n = 38) e gravamos o desempenho comportamental e relacionados a eventos potenciais evocados de motor (MEP). Modelagem de regressão foi usado para analisar amplitudes MEP, usando a idade como uma covariável com múltiplas variáveis independentes (sexo, estudar o local, bloco, TMS pulso condição [single-vs emparelhado-pulso], condição experimental [GO, parada de sucesso, não conseguiu parar]). A análise mostrou que o TMS pulso condição (p < 0,0001) e sua interação com condição experimental (p = 0,009) foram significativos. Futuras aplicações para este paradigma S-H/TMS on-line incluem a adição de aquisição simultânea de EEG para medir potenciais evocados TMS EEG. Uma limitação potencial é que em crianças, o som do pulso TMS pode afetar o desempenho de tarefas comportamentais.

Introdução

Inibição de resposta é a capacidade de seletivamente impedir aquelas ações indesejadas que podem interferir com objetivos funcionais pretendidos. 1 a rede córtico-estriadas criticamente está envolvida na inibição da resposta, que progressivamente se torna mais eficiente como filhos maduros, mas é prejudicada em numerosas condições neuropsiquiátricas, tais como desordem de hiperatividade do déficit de atenção ( ADHD), esquizofrenia, transtorno obsessivo-compulsivo e transtornos de aprendizagem. 2 , 3 inibição de resposta do motor pode ser examinada com diferentes paradigmas comportamentais, tais como tarefas Go/NoGo (GNG) e sinal de parar (SST). 1 , 4 dados comportamentais sozinhos não fornece informações sobre os mecanismos biológicos potencialmente modificáveis e quantificáveis. O objectivo geral do presente estudo foi desenvolver um método de criança amigável para avaliar a fisiologia do córtex motor durante a execução de inibição de resposta, a fim de desenvolver um biomarcador quantitativo baseado no cérebro do substrato neural desta tarefa. Tais biomarcadores poderiam ter ampla aplicação em estudos preditivos do prognóstico ou tratamento de distúrbios Neurocomportamentais.

Para este efeito, os investigadores selecionado em modificado a tarefa de Slater-Hammel (S-H)5. Essa é uma tarefa de sinal de paragem que requer participantes inibir uma ação previamente programada gerada internamente. Esta tarefa individual consiste em ensaios de tanto ir e parar. Vamos ensaios são iniciados pelo sujeito pressionando e mantendo a pressão em um botão, com a instrução para levantar o dedo do botão (ou seja, ação de GO) tão perto de, mas antes o destino de 800 ms. No paradigma original, a hora é indicada em um relógio com uma mão rapidamente rotativa. Ensaios de parar aleatoriamente são intercalados entre ensaios de GO, durante o qual a pessoa deve inibir a ação de ir a pré-planejados (ou seja, evitar levantar do dedo). A tarefa de sinal de parada é mais difícil porque temas têm que inibir uma resposta no contexto de um sinal GO pré-programados, Considerando que a tarefa de GNG, a decisão é se iniciar ou não iniciar uma ação com comandos sem prévia. 6 além disso, podem ser mais precisa para investigar a inibição de resposta usando tarefas de sinal de pare, porque a tarefa de GNG, correlações consistentes entre o sinal e respostas podem resultar em inibição automática. 7 inibição automática é a teoria que consistente de mapeamento entre o sinal e resposta (ou seja, sinal de ir sempre resulta em uma resposta GO e vice versa) leva a um processamento automático durante todo o curso do experimento tal que os julgamentos de STOP são parcialmente processado através de recuperação de memória e ignora certos controles de executivos. 8 , 9

Estimulação magnética transcraniana (TMS) é uma tecnologia não-invasiva que pode ser usada para medir a fisiologia cortical. Usando paradigmas de single-emparelhado-pulso e estimulação, um pode quantificar a inibição e excitabilidade cortical. Embora mais estudos publicados de TMS investigam fisiologia cortical em repouso, alguns grupos têm examinado excitabilidade cortical/inibição durante a preparação mental para ação10 e durante diferentes Estados cognitivos que podem ser refletidos no motor Fisiologia do córtex. 11 , 12 , 13 , 14 esta abordagem funcional do TMS (MVH) exige medições on-line do TMS, enquanto os participantes estão realizando tarefas comportamentais, permitindo assim que a sonda cortical mudanças que são dependentes do estado com alta resolução temporal. Fornecendo informações em tempo real sobre alterações neurofisiológica de forma amplia a investigação fisiológica de controle motor15,16 e condições neuropsiquiátricas17,18, 19,20.

Estudos anteriores fTMS têm explorado corticais mecanismos de inibição de resposta em adultos saudáveis usando GNG14 e SST tarefas15,16,21. Além disso, um estudo mostrou que uma única dose de metilfenidato mudou motor cortical fisiologia dos adultos saudáveis durante um experimento MVH/GNG. 22 até à data, existem dois grupos que têm publicado estudos pediátricos MVH usando GNG tarefa para caracterizar cortical fisiologia do TDAH23 e síndrome de Tourette17. Não há atualmente nenhum estudo publicado MVH utilizando SST na população pediátrica.

Uma questão crítica no MVH estudos, a uma extensão muito maior do que os estudos TMS resto-sozinho, é artefato de músculo. Medidas padronizadas Eletromiografia de superfície (EMG) de amplitude e latência de potenciais evocados de motor (MEP) não devem ser contaminadas pelo artefato muscular. Então, por exemplo, para estudar as alterações corticais em preparação para um movimento em um estudo de tempo de reação, TMS pulsos devem ser precisamente cronometrados para ocorrer após um sinal de força, mas antes do tempo de reação do indivíduo. Assim, em qualquer tarefa, é fundamental para garantir que o TMS pulsos estão ocorrendo em um tempo quando a resposta motora ainda não começou, e que o participante é confortável e capaz de manter o músculo relevante no resto. Isso pode ser excepcionalmente problemático com crianças hipercinética que naturalmente podem ter movimentos estranhos e quem pode manter o seu braço e mão tensa durante todo o tempo de reação um jogo.

O objetivo do presente estudo é desenvolver uma versão do Slater-Hammel SST que é criança-amigável e adequado para estudar a fisiologia do córtex motor primário (M1). Esta tarefa deve ser 1) facilmente compreensível para crianças, 2) é relativamente fácil para completar para crianças e 3) compatível com TMS on-line.

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Protocolo

Este protocolo foi aprovado pelo Hospital Medical Center infantil de Cincinnati e Johns Hopkins placas de revisão institucional como um risco mínimo de estudo em crianças e adultos. Single-emparelhado-pulso e TMS é considerado como seguro em crianças de 2 anos e mais velhos por consenso de especialista internacional. 24 depois de explicar os riscos potenciais da TMS para pais/encarregados de educação e participante, consente e de formulários de consentimento são assinados se eles concordam em prosseguir com o estudo.

1. triagem e introdução

  1. Temas de tela para TMS contraindication(s) usando um questionário padronizado. 25
  2. Demonstre como TMS trabalha entregando um pulso magnético sobre o antebraço do operador.
  3. Entrega um pulso TMS ao longo do antebraço do participante para que ele/ela pode sentir o pulso.
  4. Colocar tampões nos ouvidos do participante para proteção auditiva.

2. instalação de chumbo de EMG de superfície e mão posicionamento

  1. Com o assunto raptar o dedo indicador dominante para identificar o primeiro músculo interósseo dorsal (FDI). Coloque o elétrodo negativo sobre a barriga do IDE e, em seguida, coloque o eletrodo positivo entre 2nd e 3 articulações metacarpofalangeanas (MCP) deárea de trabalho remota e o eléctrodo de terra sobre o 5th MCP comum.
  2. Posicione as mãos do participante com ulnar aspectos de ambos os braços e mãos repousando inteiramente sobre um travesseiro, sem nenhum esforço de antigravidade necessário (Figura 1).
  3. Tenho o participante estender o dedo indicador dominante, enquanto os terceiro-quinto dedos flexionados. Em seguida, coloque uma almofada de controlador de jogo no travesseiro para que o dedo indicador baseia-se no botão usado para a tarefa de S-H de carro de corrida. A justificativa para esta posição da mão é que a ação de GO requer a ativação do IDE para levantar o dedo do botão. Portanto, rastreamento de EMG do IDE dominante de gravação será M1 excitabilidade e inibição para ir da sonda e parar julgamentos respectivamente.

3. aquisição de dados TMS de base

  1. Definir os parâmetros de gravação para gravação de MEP - filtros de 100 e 1000 Hz, taxa de amostragem de 2 kHz passam-alto e baixo.
  2. Obter medições de TMS de linha de base usando uma bobina TMS 90mm circular posicionada tangencialmente o crânio sobre o vértice com o cabo apontando para o occipital na posição ideal e orientação para a produção de Eurodeputado no IDE certo pela seguinte norma protocolo. 26 esta bobina posição e orientação devem produzir uma corrente induzida de posterior para anterior sobre M1.
    1. Use um lápis de cera para marcar o local do couro cabeludo, uma vez que o hotspot foi localizado para assegurar que a entrega de pulso TMS ocorre na mesma região cortical.
  3. Vinte realizar ensaios27 de linha de base única-pulso (sp) TMS induzido os deputados FDI com ambas as mãos em repouso usando uma intensidade de 120% do RMT.
  4. Realizar vinte ensaios medidas de TMS emparelhado-pulso da linha de base da M1 inibição intracortical do curto intervalo (JCL) em repouso usando inter estímulo intervalo de 3 ms, 60% da * RMT como o condicionamento de pulso intensidade e 120% RMT como a intensidade do pulso de teste para quantificar M1 inibitório GABAA-atividade interneuronal ergic. 28 , 29 , 30 defina o intervalo inter experimental para medições de base 6 ± 0,3 segundos.

4. S-H tarefa comportamental

  1. Exiba a tarefa de inibição de resposta Racecar S-H em um monitor diretamente em frente ao assunto. Inicie o experimento pelos primeiros temas de treinamento na tarefa comportamental. Dizer o tema que o carro do lado esquerdo do monitor começará a mover-se depois que o botão é pressionado pela adução do dedo índice dominante (Figura 2A).
  2. Diga aos participantes que o objetivo para ensaios de GO é levantar o dedo tão perto, mas antes as 800 ms target, representado por uma linha vertical na tela. A tela exibirá "Bom trabalho" se dedo elevadores ocorre entre 700 e 800 ms, caso contrário ele irá exibir "Muito cedo" ou "Tarde demais". Tenho o participante praticar 10 ensaios de GO.
  3. Fornece treinamento para a tarefa de parar por participantes a dizer que o segundo conjunto de ensaios envolve o carro parando aleatoriamente antes o destino de 800 ms.
    1. Diga à criança para manter o dedo no botão sem levantar o dedo quando o carro para aleatoriamente. Para ter sucesso nestes ensaios de paragem, o dedo deve permanecer no botão até uma bandeira do verificador é vista que é programado para aparecer 1000 ms após o início de cada julgamento. Informe o participante que se apresenta-se sinal de paragem e dedo é levantado antes o sinalizador do verificador, "Muito cedo" aparecerá uma mensagem. Diga a criança que uma mensagem de "Grande" será exibida após julgamentos de parada bem sucedidos.
    2. Ter a criança praticar 10 ensaios da paragem.
      Nota: O programa tem um algoritmo de rastreamento dinâmico. Na experiência real após o treinamento, o primeiro sinal de parada ocorre em 500 ms. se o participante não uma parada de julgamento e, em seguida, o julgamento de paragem a próxima será mais fácil (ou seja, o sinal STOP passará 50 ms longe o alvo 800 ms). No entanto, se o julgamento de paragem foi bem sucedido, então o próximo julgamento de paragem será mais difícil (ou seja, o sinal STOP passará 50 ms em direção ao alvo). Este processo de rastreamento dinâmico garante que no final de todo o experimento, aproximadamente 50% dos julgamentos de paragem será bem sucedido enquanto a outra metade seria falha de ensaios. O sinal STOP é programado para ajustar-se entre 300 e 700 ms após o início do julgamento.
  4. Depois que os participantes praticam ensaios somente ir e somente parar, diga-lhes que o próximo bloco de prática contém uma mistura de ensaios ir e parar. Ter a criança executar 20 ensaios de GO misto e parada como uma prática final.

5. online experimento S-H/TMS

  1. Antes de iniciar a experiência on-line do TMS/S-H, lembrar o participante a aduto (empurre para baixo) do dedo indicador dominante para iniciar o julgamento, para raptar (levantar) dedo para ensaios de GO e mantenha o dedo no botão para parar os ensaios. A adução do dedo indicador foi escolhida para iniciar e manter o movimento do carro durante cada julgamento porque na época dos pulsos TMS (Figura 2A e 2B), o antagonista primeiro dorsal interósseo (FDI) músculo, onde a liderança de EMG é colocada, seria descansando, reduzindo assim a probabilidade de artefato de movimento no rastreamento do IED.
  2. Diga-o participante que TMS pulsos serão entregues durante a tarefa de S-H. Instruir o assunto que vai haver 3 blocos de testes on-line do TMS S-H (3 ir: 1 relação de julgamento de STOP).
    Nota: Durante os ensaios de GO, TMS pulso está programado para ser entregue em 650 ms após o início de cada julgamento. Este calendário é inicialmente escolhido com base no estudo prévio do TMS mostrando que aumento da excitabilidade M1 associado com preparação de movimento pode ser capturado nesta faixa. 10 testes para parar, pulso TMS é entregue 150 ms após o sinal de parada. Em ensaios de parada bem sucedidos, o dedo indicador não decolar o botão, portanto, o M1 capturados excitabilidade reflete a atividade cortical relacionada a resposta inibição ao invés de motor preparação ou execução.
  3. Coloque a bobina circular 90 mm sobre o vértice usando a marca de lápis de cera anterior preferencialmente estimular M1 dominante e definir o condicionamento intensidade a 60% de pulso * RMT e teste o pulso a 120% * RMT. Começa o experimento S-H/TMS on-line. As crianças do tempo necessário para concluir 120 testes geralmente é 30-40 minutos.

6. racecar Slater-Hammel dados comportamentais

  1. Para ensaios de GO, determine o tempo de reação como o dedo-elevador tempo relativo para o início de cada julgamento. Média de cada bloco. Para ensaios de parada, o tempo de dedo-elevador determina o sucesso, Considerando que o carro de parar o tempo do sinal (ou seja, parar o sinal demora; SSD) é o intervalo de tempo desde o início do julgamento para o ponto onde o carro aleatoriamente para. Devido ao processo de rastreamento dinâmico, o tempo de sinal parar converge para uma média de sucesso/falha de ~ 50%.
  2. Calcular o tempo de reação de sinal de parar (SSRT) subtraindo-se o tempo médio de carro-parada a partir o dedo médio elevador GO ensaios (SSRT = tempo médio de reação GO – média de tempo de sinal de paragem [ou seja, SSD]). Média de todos o SSD pelo bloco e calcular um SSRT para cada bloco.

7. TMS processamento de dados

  1. Quantificar o TMS durante cada julgamento produziu um MEP usando a amplitude de pico-pico medido em milivolts. Exclua ensaios para artefatos de movimento (áreas de EMG abaixo da curva maior que 70 microvolts mais de 100 ms) antes do pulso TMS.

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Resultados

Análise de regressão é executada usando um pacote de software comercial de estatística para analisar dados comportamentais e neurofisiológico separadamente. Os dados representativos são de 23 desenvolvendo normalmente crianças de Cincinnati e 15 de Baltimore (25 macho, fêmea 13). Idade não diferiu entre local (10,3 ± 1,3 anos de Cincinnati e 10,4 ± 1,2 anos para Baltimore; t teste p = 0,74)

Usamos um modelo de regressão para ana...

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Discussão

Este protocolo é um novo método de criança-amigável da combinação de uma tarefa de sinal de parada e TMS para examinar a inibição cortical relacionadas ao evento. Observação clínica dos défices inibitórios motor e mau desempenho em tarefas de sinal de parada foram demonstrados em numerosas condições neuropsiquiátricas. 3 relativamente poucos investigadores utilizaram MVH on-line para examinar cortical excitabilidade e inibição durante tarefas de inibição de resposta. Alguns grupos têm utilizado co...

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Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Este estudo foi financiado pelo Instituto Nacional de Saúde Mental (R01MH095014).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Gamepad de precisãoLogitechG-UG15
Interface de aquisição Modelo ACQ-16Gould Instrument Systems IncACQ-16
Micro1401-3 Unidade de aquisição de dadosCambridge Electronic Design LtdNão aplicável
Software de sinal versão 6 (Windows)Cambridge Electronic Design LtdNão aplicável
Base de alimentaçãoCoulbourn InstrumentsV15-17
Bioamplificador com filtrosCoulbourn InstrumentsV75-04
Cabos de eletrodo condutor (para EMG de superfície)Coulbourn InstrumentsV91-33
2002 Dispositivo TMSThe Magstim Company LtdNão aplicável
Módulo BiStim2The Magstim Company LtdNão aplicável
Bobina TMS circular de 90 mmThe Magstim Company LtdNão aplicável
Software de apresentação (Windows)Neurobehavioral Systems IncNão aplicável
ComputadorNão aplicável
Windows

Referências

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Reimpressões e permissões

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Inibição da Resposta MotoraCórtex Motor PrimárioTarefa de Sinal de ParadaPotenciais Relacionados a EventosProtocolo de Pulso PareadoTMS de Pulso ÚnicoModelagem de RegressãoPotenciais Evocados Motores
Protocolo de estimulação magnética transcraniana on-line para medir Cortical fisiologia associada com inibição de resposta
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