Оценка возбудимости кортикоспинала при целенаправленном достигающем поведении

Целеустремленное достижение — это фундаментальное двигательное поведение, которое позволяет людям взаимодействовать с внешней средой и манипулировать ею. Изучение достижения в области моторной физиологии, психологии и неврологии произвело богатую и обширную литературу, которая включает в себя различные методологии. Ранние исследования охвата использовали прямые нейронные записи у нечеловеческих приматов для исследования нейронной активности на уровне одиночных нейронов ^1,2. Более поздние исследования изучали достижение с использованием поведенческих парадигм, которые используют сенсомоторную адаптацию для изучения природы моторного обучения и контроля ^3,4,5. Такие поведенческие задачи в сочетании с функциональной магнитно-резонансной томографией и электроэнцефалографией позволяют измерять активность всего мозга при достижении у человека ^6,7. Другие исследования применяли онлайн-ТМС для изучения различных особенностей подготовки и выполнения^охвата 8,9,10,11,12,13,14. Тем не менее, остается потребность в гибком подходе с открытым исходным кодом, который сочетает в себе поведенческую оценку достижения с TMS. В то время как полезность объединения TMS с поведенческими протоколами очень хорошо^{известна15}, здесь мы специально рассмотрим применение TMS в контексте достижения с использованием подхода с открытым исходным кодом. Это является новым в том смысле, что другие группы, которые публиковались с использованием этой комбинации методов, не сделали свои инструменты легкодоступными, запрещая прямую репликацию. Такой подход с открытым исходным кодом облегчает репликацию, обмен данными и возможность проведения исследований на нескольких сайтах. Кроме того, если другие захотят заняться новыми исследовательскими вопросами с аналогичными инструментами, открытый исходный код может выступать в качестве стартовой площадки для инноваций, поскольку он легко адаптируется.

TMS предлагает неинвазивное средство зондирования двигательной системы в точно контролируемых точках^{времени 16}. При нанесении на первичную моторную кору (M1) ТМС может вызвать измеримое отклонение в электромиограмме целевой мышцы. Амплитуда этой волны напряжения, известная как двигательный вызванный потенциал (MEP), обеспечивает индекс мгновенного состояния возбудимости кортикоспинального (CS) пути - результирующего аналога всех возбуждающих и тормозных воздействий на путь^{CS 17}. В дополнение к обеспечению надежного внутрисубъектного измерения внутренней возбудимости CS, TMS может быть объединена с другими поведенческими или кинематическими метриками для исследования отношений между активностью CS и поведением во временной точности. Во многих исследованиях использовалась комбинация ТМС и электромиографии (ЭМГ) для решения различных вопросов о двигательной системе, особенно потому, что эта комбинация методов позволяет исследовать депутатов Европарламента в широком спектре поведенческих условий¹⁵. Одной из областей, где это оказалось особенно полезным, является изучение подготовки к действию, чаще всего путем изучения движений с одним суставом¹⁸. Тем не менее, существует сравнительно меньше исследований ТМС натуралистических движений с несколькими суставами, таких как достигание.

Текущая цель состояла в том, чтобы разработать задачу с задержкой ответа, которая включает в себя поведенческую кинематику, онлайн-введение одноимпульсной ТМС и одновременную запись ЭМГ из нескольких мышц. Задача включает в себя двумерную парадигму достижения точки к точке с онлайн-визуальной обратной связью с использованием горизонтально ориентированного монитора, так что визуальная обратная связь соответствует траекториям достижения (т. Е. Отношение 1: 1 во время достоверной обратной связи и отсутствие преобразования между визуальной обратной связью и движением). Текущая конструкция также включает в себя набор испытаний с висуомоторным возмущением. В приведенном примере это поворотное смещение на 20° обратной связи курсора. Предыдущие исследования использовали аналогичную парадигму охвата для решения вопросов о механизмах и вычислениях, связанных с сенсомоторной адаптацией 19,20,21,22,23,24,25. Кроме того, такой подход позволяет оценить динамику возбудимости двигательной системы в точные моменты времени во время онлайн-обучения моторике.

Поскольку охват оказался плодотворным поведением для исследования обучения / адаптации, оценка возбудимости CS в контексте этого поведения имеет огромный потенциал, чтобы пролить свет на нейронные субстраты, участвующие в этом поведении. Они могут включать в себя локальные ингибирующие влияния, изменения в свойствах настройки, время нейронных событий и т. Д., Как было установлено в исследованиях нечеловеческих приматов. Однако эти особенности было труднее количественно оценить у людей и клинических популяций. Нейронная динамика также может быть исследована при отсутствии явного движения у человека с использованием комбинированного подхода ТМС и ЭМГ (т.е. во время подготовки движения или в состоянии покоя).

Представленные инструменты имеют открытый исходный код, а код легко адаптируется. Эта новая парадигма даст важное представление о механизмах, участвующих в подготовке, выполнении, завершении и адаптации достигающих движений. Более того, эта комбинация методов может раскрыть связь между электрофизиологией и достигающим поведением у людей.

Все методы, описанные здесь, были выполнены в соответствии с протоколом IRB и одобрением (номер протокола IRB Орегонского университета 10182017.017). Информированное согласие было получено от всех субъектов.

1. Достижение аппарата

1. Поместите большой графический планшет на рабочий стол.
2. Используйте регулируемую алюминиевую рамку 80-20, чтобы расположить монитор задач на 6-8 над планшетом параллельно, с экраном, обращенным вверх (для чертежа см. здесь: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS и дополнительный рисунок 1).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эта настройка позволяет участникам протянуть руку через планшет и получить цели, представленные на мониторе задач, закрывая зрение их достигающей руки.
3. Используйте установку, описанную в Kim et ^al.3 , в качестве справочного материала.

2. Интерфейсы машин

1. Подключите планшет к компьютеру через USB-порт. Подключите монитор задач к компьютеру через порт HDMI. Подключите задний порт TMS к компьютеру с помощью кабеля DB-9.
2. Подключите систему EMG к компьютеру через карту PCI-6220 DAQ. Подключите фотодиод к системе EMG через кабель BNC.

3. Фотодиодный датчик

1. Подключите фотодиодный датчик к кабелю BNC. Закрепите фотодиодный датчик лентой в правом верхнем углу рабочего монитора, при этом датчик обращен к экрану на расстоянии ≤ 1 см.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это будет записывать время стимулов, представленных на мониторе задачи в виде аналоговых данных в независимом входном канале.

4. Программное обеспечение

1. Загрузите VETA Toolbox²⁶ (https://github.com/greenhouselab/Veta) для MATLAB 2018 для взаимодействия с оборудованием для сбора данных.
2. Скачайте код достигающей задачи (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS), разработанный для контроля экспериментальных параметров и сопряжения с планшетом.

5. Скрининг участников и информированное согласие

1. Скрининг предмета на наличие противопоказаний к ТМС. Критерии исключения включают личную или семейную историю судорог, головной боли, черепно-мозговой травмы, обморока, хронического стресса или тревоги, проблем со сном и любых нейроактивных лекарств. Дополнительные критерии исключения включают любые металлические имплантаты в мозге или черепе и любое рекреационное употребление наркотиков или алкоголя за 24 часа до тестирования. Критерии включения включали праворукость и возраст от 18 до 35 лет.
2. Предоставить письменное объяснение процедуры и связанных с ней рисков, уточнив любые дополнительные вопросы, которые могут возникнуть у участника.
3. Получить информированное согласие участников.

6. Настройка предмета

1. Поместите объект в удобное кресло лицом к планшету. Убедитесь, что колени согнуты до 90° ногами под столом.
2. Подготовьте кожу и поместите электроды ЭМГ.
   1. Используйте мелкозернистую наждачную бумагу, чтобы мягко истирать кожу в месте правой первой дорсальной интероссеи (FDI), разгибатель carpi radialis и передние дельтовидные мышцы, а также выступ C4 в основании шеи, чтобы обнаружить электрические артефакты, производимые импульсом TMS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сайты записи мышц могут быть адаптированы в зависимости от потребностей пользователя.
   2. Смажьте каждую истираемую область с помощью прокладки для подготовки спирта один раз на участок электрода для очистки.
   3. Поместите один электрод ЭМГ на каждый участок. Убедитесь, что электроды работают перпендикулярно мышечным волокнам. Поместите заземленный электрод на костный выступ правого локтя.
   4. Закрепите каждый электрод медицинской лентой.
3. Проверьте качество записи ЭМГ. Используйте набор инструментов VETA для визуализации всех следов ЭМГ и убедитесь, что они свободны от артефактов. Если следы ЭМГ шумные, убедитесь, что земля правильно размещена и что все электроды правильно контактируют с кожей.

7. Транскраниальная магнитная стимуляция

1. Включите устройство TMS.
2. Найдите горячую точку ТМС правой мышцы ПИИ с помощью стимуляции левой М1.
   1. Поместите катушку ~5 см сбоку и 2 см к передней вершине головы, ориентированную ~45° от средней линии.
   2. Вводите импульсы ТМС один раз в 4 с при перепозиционировании катушки с шагом примерно 5 мм в передне-задней и медиально-боковой плоскости.
   3. Начиная с 30% максимальной мощности стимулятора, постепенно увеличивайте интенсивность ТМС на 2% с шагом до тех пор, пока не будут наблюдаться депутаты Европарламента.
   4. Как только будет определено оптимальное местоположение, при котором MEP могут быть надежно вызваны на большинство (~ 75%) импульсов с минимально возможной интенсивностью стимулятора, определите порог двигателя покоя (RMT), найдя уровень интенсивности, который производит MEP с амплитудой от пика до пика >50 мкВ на пяти из 10 импульсов.
   5. Отметьте положение, аккуратно положив тонкие полоски светоотражающей ленты на голову участника по периметру катушки. Поддерживайте позиционирование катушки либо вручную, удерживая катушку, либо используя подставку для ее поддержки.

8. Настройка задачи

1. Наденьте Velcro перчатку на правую руку участника, чтобы облегчить расслабленную позу силового захвата.
2. Прикрепите стилус к перчатке и посоветуйте субъекту держать руку расслабленной между достигающими движениями.
3. Сообщите инструкции по выполнению задач, которые выглядят следующим образом: Направьте курсор в исходное положение в нижней части экрана. Вы увидите подсказку в одном из двух целевых мест. Когда цель заполняется цветом, доберитесь до цели как можно быстрее и точнее. Затем вернитесь в исходное положение. Укажите местоположение домашних позиций, сигналов и целей (рисунок 1A).
4. Научите участника прорезать мишени стилусом как можно быстрее и точнее. Выключите свет в комнате задач, чтобы скрыть видение участником движений рук и улучшить видимость монитора задач.

9. Проектирование задач

1. Контрольная презентация визуальных стимулов с помощью Psychtoolbox 3.0 в Matlab 2018 (Файл дополнительного кодирования 1).
2. Используйте следующие параметры для сопоставления текущих данных: 20 практических испытаний; 270 тестовых испытаний; ТМС на 4/5 тестовых испытаний; ТМС либо совпадает с началом подготовительного сигнала (базовая ТМС), либо за 100 мс до императивного сигнала (задержка ТМС) с равной частотой; 1/10 от общего числа испытаний являются уловочными испытаниями, в которых императивный сигнал не появляется; домашнее положение представляет собой круг радиусом 2 см, расположенный в нижнем центре рабочего пространства; две круговые цели радиусом 1 см расположены на расстоянии 15 см от домашнего положения на расстоянии +45° и -45° от средней линии.
3. Задайте порядок и продолжительность событий следующим образом: подготовительный сигнал в 900 мс и императивный сигнал в 900 мс.

10. Администрирование TMS

1. Набор инструментов VETA одновременно администрирует TMS и записывает EMG https://github.com/greenhouselab/Veta.
2. Контролируйте синхронизацию импульсов ТМС с помощью набора инструментов VETA, чтобы она совпадала с выбранными поведенческими событиями (т.е. началом подготовительного сигнала или 100 мс, предшествующим началу цели).
3. Доставляйте TMS с достаточной частотой, чтобы обеспечить достаточное количество депутатов Европарламента для анализа.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Как написано, код задачи будет доставлять импульс ТМС на 4/5 от общего числа испытаний либо в начале подготовительного сигнала для получения исходных значений для депутатов Европарламента, либо за 100 мс до того, как императивный сигнал вызовет задержку депутатов Европарламента. Параметры могут быть скорректированы в коде в соответствии с потребностями пользователя. Испытания без ТМС могут быть использованы для оценки поведенческих показателей при отсутствии ТМС. Это полезно для определения любого возможного влияния TMS на производительность.

Успешное выполнение описанных методов включает в себя запись данных планшетов, следов ЭМГ и надежное выявление депутатов Европарламента. Был завершен эксперимент, который включал 270 тестовых испытаний с ТМС, проведенных в 4/5 испытаний (216 испытаний).

Данные были собраны у 16 участников (восемь женщин; восемь мужчин) в возрасте от 25 ± 10 лет, все из которых сообщили о себе как о правшах. Мы оценили эффективность визуального возмущения на поведенческие показатели, выведя функцию обучения для одного репрезентативного участника. Эти данные представлены на рисунке 1B и показывают, что ошибка цели руки участника скорректирована на условия возмущения и вымывания, как и ожидалось. Мы также оценили стандартное отклонение целевой погрешности во время базовых достижений, которое приблизилось к 4,5° (рисунок 1B). Это согласуется с предыдущими исследованиями24.

Один пульс ТМС был доставлен в каждом испытании. Половина импульсов была доставлена на исходном уровне, а половина была доставлена в течение подготовительного периода задержки (рисунок 2А). В среднем 91 ± 23 базовых и 88 ± 20 задержек депутатов Европарламента были успешно зарегистрированы на одного участника, что соответствует 84% и 81% успеха соответственно. Депутаты Европарламента подсчитывались только тогда, когда амплитуды превышали 0,05 мВ. Траектории охвата были успешно получены с графического планшета во всех испытаниях, за исключением испытаний улова (т.е. испытаний, в которых сигнал «идти» не был представлен, и испытаний, в которых участники либо не смогли инициировать охват, либо инициировали до императивного сигнала).

Средний период задержки (продолжительность между подготовительным и императивным сигналом) составил 915 ± 0,5 мс (среднее ± стандартного отклонения). Базовая ТМС вводилась через 26 ± 8 мс после начала подготовительного сигнала, а задержка ТМС составляла 126 ± 3 мс до начала императивного сигнала (рисунок 2B). Последовательное отклонение от предполагаемого времени администрирования TMS в каждом случае указывает на то, что необходима дальнейшая оптимизация для учета нежелательных задержек, вносимых аппаратными или программными компонентами. Тем не менее, относительно низкая пропорциональная дисперсия в этих задержках предполагает, что это в основном фиксированные задержки, которые можно контролировать с помощью дополнительного пилотного тестирования, и указывает на то, что время событий, как правило, надежно во всех испытаниях.

Рисунок 1: Поведенческие данные, собранные с планшета. (A) Рабочее пространство включает в себя домашнее положение (темно-синий), две цели (голубой) и репрезентативный набор траекторий охвата из блока предварительного воздействия одного участника. (B) Погрешность цели рассчитывалась как расстояние в градусах от конечной точки досягаемости до центра цели. Пробные бункеры представляют собой среднее значение двух последовательных испытаний на контейнер, и данные разделены экспериментальными блоками: предварительное воздействие (незатененное), воздействие (красное), вымывание в отсутствие обратной связи (зеленый) и вымывание с правдивой обратной связью (незатененное). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Пример следов MEP. (A) Репрезентативные MEP и соответствующие фотодиодные следы для обеих экспериментальных эпох (базовая линия и задержка). (B) Отрицательная базовая задержка MEP (-26 ± 8 мс) указывает на то, что стимул TMS прибыл после подготовительного сигнала, в то время как положительная задержка задержки MEP задержки (126 ± 3 мс) указывает на то, что стимул TMS прибыл до желаемой точки времени (за 100 мс до императивного сигнала). Задержки усредняются по всем участникам (n = 16). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок 1: Чертеж достигающего аппарата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный кодовый файл 1: Код для визуальной стимуляции. Файл delayed_reach_TMS.m содержит код задачи для управления планшетом, представления стимула, транскраниальной магнитной стимуляции и записи электромиографии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Все авторы заявляют, что конфликта интересов нет