Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

פרוטוקול גירוי מגנטי טראנס מקוון למדידת פיזיולוגיה בקליפת המוח הקשורים עם עיכוב התגובה

Published: February 8, 2018 doi: 10.3791/56789
Automatic Translation
1, 2, 2, 2,3, 2, 4, 2
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

Summary

אנו מתארים תהליך ניסוי לכמת דעתנית וניגוד של קליפת מנוע העיקרית במהלך משימה עיכוב תגובה מוטורית באמצעות גירוי מגנטי טראנס לאורך כל הקורס של פעילות אות לעצור.

Abstract

אנו מתארים את התפתחות פעילות עיכוב תגובה מוטורית לשחזור ידידותיים מתאים באינטרנט גירוי מגנטי טראנס (אלקטרואנספלוגרם) אפיון של קליפת מנוע העיקרית (M1) דעתנית וניגוד. עיכוב התגובה המוטורית מונעת פעולות לא רצויות, והוא לא נורמלי בתנאים מנוטלי מספר. TMS היא טכנולוגיה לא פולשנית אשר יכולים לכמת M1 דעתנית וניגוד באמצעות פרוטוקולי יחיד - ו לזווג-הדופק יכול להיות מתוזמן בדיוק ללמוד פיזיולוגיה קורטיקלית עם רזולוציה טמפורלית גבוהה. לשנות את הפעילות אות עצירה סלייטר-Hammel (S-H) המקורית כדי ליצור גרסה "מירוצים" עם פולסים TMS נעול זמן כדי אינטרה-הניסיון אירועים. משימה זו היא מקורסי, עם כל הניסיון בייזום לאחר לדחוף כפתור כדי להזיז המרוץ לקראת המטרה 800 ms. ללכת ניסויים דרוש טרמפ-אצבע כדי לעצור את המרוץ. בדיוק לפני יעד זה. וביניהם באקראי הם ניסויים עצירה (25%) שבמהלכו האות עצירה שהותאמו באופן דינמי יבקש נושאים למניעת הרמת אצבע. לניסויים קדימה, TMS פולסים נמסרו ב 650 ms לאחר תחילת המשפט; בעוד לניסויים עצירה, הפולסים TMS אירעה 150 מילישניות לאחר האות עצירה. התזמונים של הפולסים TMS היו החליטה מבוססת על אלקטרואנצפלוגרם (EEG) מחקרים המראים שינויים הקשורים לאירוע בטווחי זמן אלה במהלך משימות אות התחנה. משימה זו נחקרה 3 רחובות בשני אתרים המחקר (n = 38) והקלטנו את התנהגות וביצועי הקשור לאירוע פוטנציאל עורר מנוע (חבר הפרלמנט האירופי). רגרסיה דגמי שימש כדי לנתח amplitudes חבר הפרלמנט האירופי באמצעות גיל כמו covariate עם מספר משתנים עצמאיים (מין, ללמוד באתר, בלוק, TMS דופק תנאי [יחיד לעומת לזווג...-דופק], ניסיון במצב [קדימה, די מוצלח, נכשל להפסיק]). ניתוח הנתונים הראה TMS. דופק תנאי (p < 0.0001) והאינטראקציה שלו עם תנאי הניסיון (p = 0.009) היו משמעותיים. יישומים עתידיים עבור זו הפרדיגמה S-H/TMS באינטרנט כוללים התוספת של רכישת EEG בו זמנית כדי למדוד את פוטנציאל EEG עורר-TMS. מגבלה פוטנציאליים נמצא כי אצל ילדים, הצליל הדופק TMS יכול להשפיע על ביצועי המשימות התנהגותית.

Introduction

עיכוב התגובה היא היכולת למניעת פעולות לא רצויות האלה יכולים להפריע מטרות פונקציונלי המיועד באופן סלקטיבי. 1 הרשת cortico-striatal אנושות מעורב עיכוב תגובה, אשר בהדרגה הופך יעיל יותר בתור ילדים בוגרים אבל הוא לקוי בתנאים מנוטלי רבים כגון קשב היפראקטיביות ההפרעה ( ADHD), לקויות למידה, בהפרעה טורדנית-כפייתית, והפרעת סכיזופרניה. 2 , 3 עיכוב התגובה המנוע תוכל להיבדק עם תפיסות התנהגותיות שונות כגון פעילויות גו/NoGo (GNG) ושידור להפסיק (SST). 1 , 4 נתונים התנהגותיים לבד אינו מספק מידע אודות פוטנציאל לשינוי, הניתנות לכימות, מנגנונים ביולוגיים. המטרה הכללית במחקר הנוכחי היה לפתח שיטה ידידותית לילד כדי להעריך את הפיזיולוגיה motor cortex במהלך הביצוע של עיכוב תגובה, כדי לפתח סמן כמותי המבוסס על המוח של המצע עצבית של פעילות זו. סמנים ביולוגיים כזה יכול להיות רחב יישום מחקרים חזוי של האבחנה או הטיפול בהפרעות neurobehavioral.

למטרה זו, החוקרים שנבחרו ולשנות את הפעילות של סלייטר-Hammel (S-H)5. זהו אות עצירה שלפעילות המצריכה למשתתפים לעכב פעולה מחיישנים שנוצר באופן פנימי. משימה זו מקורסי מורכב גם ללכת וגם לעצור ניסויים. לכי ניסויים מבוצעים על ידי הנושא הקשה ושמירה על לחץ על לחצן, עם הדרכה כדי להרים את האצבע הכפתור (כלומר פעולה קדימה) ייערך בו, אבל לפני המטרה 800 ms. ב התבנית המקורית, מציינים זמן על שעון עם יד מסתובב במהירות. תחנת ניסויים הם וביניהם באופן אקראי בין קדימה ניסויים במהלכם האדם חייב לעכב את הפעולה קדימה מתוכנן מראש (כלומר למנוע הרמת אצבע). הפעילות אות התחנה קשה יותר כי נושאים יש לעכב תגובה בהקשר של אות ללכת מתוכנתים מראש, ואילו בפעילות GNG, ההחלטה היא אם ליזום או לא ליזום פעולה עם אין פקודות מוקדמת. 6 בנוסף על כך, זה עשוי להיות מדויק יותר לחקור עיכוב תגובת באמצעות משימות אות התחנה כי בפעילות GNG, עקבי מתאמים בין אותות ותגובות עלול לגרום עיכוב אוטומטית. 7 הוא עיכוב אוטומטית התיאוריה כך עקבי מיפוי בין האות לבין התגובה (דהיינו אות ללכת תמיד תוצאות בתגובה ללכת ולהיפך) מוביל בעיבוד אוטומטי במהלך הניסוי כך, המבחנים עצירה בחלקו דרך בשליפת זיכרון מעובדים עוקף פקדים מסוימים מנהלים. 8 , 9

גירוי מגנטי טראנס (אלקטרואנספלוגרם) היא טכנולוגיה לא פולשנית יכול לשמש כדי למדוד פיזיולוגיה קורטיקלית. משתמש יחיד, לזווג-דופק גירויים פרדיגמות, אחד יכול לכמת דעתנית קורטיקלית וניגוד. למרות מחקרים שפורסמו TMS ביותר לחקור פיזיולוגיה קורטיקלית במנוחה, כמה קבוצות בחנו דעתנית בקליפת המוח/עיכוב במהלך הכנה נפשית לקראת פעולה10 ובמהלך מצבים קוגניטיביים שונים אשר עשוי לבוא לידי ביטוי מנוע פיזיולוגיה של קליפת המוח. 11 , 12 , 13 , 14 גישה תפקודית זו TMS (fTMS) דורש מדידות TMS מקוון בעוד המשתתפים הם מטלות התנהגותיות, ובכך מאפשר את אחד בדיקה בקליפת המוח משתנה זה הם תלויי מדינה עם רזולוציה טמפורלית גבוהה. מתן מידע בזמן אמת על שינויים neurophysiologic באופן כזה מרחיבה החקירה הפיזיולוגיות של השליטה המוטורית15,16 ו17,התנאים מנוטלי18, 19,20.

FTMS מוקדמת מחקרים בחנו קורטיקלית מנגנוני עיכוב התגובה במבוגרים בריאים באמצעות GNG14 ו- SST משימות15,16,21. יתר על כן, מחקר אחד הראה כי מנה אחת של מתילפנידאט שונה המוטוריים בקליפת המוח הפיזיולוגיה של מבוגרים בריאים במהלך ניסוי fTMS/GNG. 22 עד כה, ישנן שתי קבוצות שפרסמו מחקרים fTMS בילדים באמצעות פעילות GNG לאפיין קורטיקלית הפיזיולוגיה של ADHD23 ו תסמונת טורט17. אין כרגע אף מחקר שפורסם fTMS ניצול SST באוכלוסיית ילדים.

נושא קריטי במחקרים fTMS, במידה רבה הרבה יותר מאשר מחקרים TMS מנוחה-לבד, הוא חפץ שריר. מדדים מתוקננים משטח אלקטרומיוגרפיה (EMG) של משרעת וזמן ההשהיה של פוטנציאל עורר מנוע (חבר הפרלמנט האירופי) בטח לא תימנעו שריר החפץ. אז, לדוגמה, ללמוד קורטיקלית שינויים לקראת תנועה במחקר זמן התגובה, TMS פולסים חייב להיות בדיוק בעיתוי להתרחש לאחר אות ללכת, אך לפני זמן התגובה של הפרט. וכך בפעילויות, חיוני להבטיח כי TMS פולסים מתרחשות באותו זמן כאשר התגובה מנוע טרם החלה, כי המשתתף הוא נוח ולא מסוגלים לשמור על השרירים הרלוונטיים במנוחה. זה יכול להיות בעייתי במיוחד עם ילדים hyperkinetic ייתכן בעלי תנועות שאינם שייכים באופן טבעי, מי יכול לשמור שלהם זרוע וכף יד מתח לאורך זמן תגובה משחק...

מטרת המחקר הנוכחי היא לפתח גרסה של SST סלייטר-Hammel ידידותיים, מתאים ללמוד פיזיולוגיה קליפת מנוע העיקרית (M1). משימה זו צריכה להיות מובנת בקלות 1) לילדים, קל יחסית 2) להשלמת לילדים, 3) תואם TMS באינטרנט.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

פרוטוקול זה אושרה על ידי המרכז הרפואי של בית החולים לילדים בסינסינטי וללמוד ג'ונס הופקינס מוסדיים לוחות סקירה כמו סיכון מינימלי אצל ילדים ומבוגרים. TMS יחיד, לזווג-דופק נחשב בטוח אצל ילדים שנתיים ומעלה לכל הסכמה מומחה בינלאומי. 24 הסביר את הסיכונים הפוטנציאליים של TMS ההורה/אפוטרופוס, משתתף, הסכמה, סילוק טפסים חתומים אם הם מסכימים להמשיך עם המחקר.

1. הקרנה ומבוא

  1. מסך מקצועות contraindication(s) TMS באמצעות שאלונים סטנדרטיים. 25
  2. מדגימים איך TMS עובד על-ידי אספקת דופק מגנטי על האמה של המפעיל.
  3. לספק דופק TMS על הזרוע של המשתתף כדי שהיא תרגיש את הדופק.
  4. הצב אטמי אוזניים באוזניים של המשתתף להגנת שמיעה.

2. משטח ההתקנה הפניה EMG, יד מיצוב

  1. יש את הנושא לחטוף את האצבע המורה דומיננטית כדי לזהות את הראשון השריר interosseous הגבי (FDI). הצב את האלקטרודה השלילית על בטנו של FDI ולאחר מכן מקם את האלקטרודה החיובית בין 2nd ו 3rd metacarpophalangeal (MCP) המפרקים האלקטרודה הקרקע מעל 5ה MCP משותף.
  2. מקם את הידיים של המשתתף עם היבטים הגומד של שתי הידיים ובידיים נח באופן מלא על כרית, עם. לא אנטי-גרוויטציה המאמץ הנדרש (איור 1).
  3. יש את המשתתף להאריך לאצבע הדומיננטי בעוד האצבעות ה-שלישי הם מכופפות. המקום ואז כרית בקר המשחק על הכרית, כך האצבע המורה מונחת על הלחצן המשמש עבור הפעילות מירוצים S-H. הרציונל למשרה זו היד היא כי הפעולה ללכת דורש את ההפעלה של FDI כדי להרים את האצבע מחוץ לאזור הלחצן. לכן, הקלטה EMG העקיבה של FDI הדומיננטית בדיקה M1 דעתנית וניגוד לפעולה ולהפסיק ניסויים בהתאמה.

3. הבסיס TMS קירור והקפאה

  1. קבע את הפרמטרים הקלטה להקלטה חבר הפרלמנט האירופי - נמוך וגבוה לעבור מסננים של 100 ו- 1000 הרץ, קצב הדגימה של 2 קילו-הרץ.
  2. להשיג למדידות TMS בסיסית באמצעות 90 מ מ מעגלית TMS סליל יונח tangentially בגולגולת מעל הקודקוד עם ידית והצביע לעבר occiput המיקום האופטימלי, כיוון לייצור של חבר הפרלמנט האירופי ב FDI הנכון על ידי תקן הבאים פרוטוקול. 26 סליל המיקום והכיוון הזה צריך לייצר זרם מושרה אחוריים-כדי-הקדמי מעל M1.
    1. השתמשי בעיפרון שעווה כדי לסמן את המיקום הקרקפת לאחר נקודת ההתחברות הייתה ממוקמת על מנת להבטיח כי המשלוח הדופק TMS מתרחשת באותו אזור בקליפת המוח.
  3. לבצע עשרים ניסויים27 של בסיס יחיד-הדופק (sp) TMS המושרה FDI פיגל בשתי הידיים במנוחה באמצעות עוצמה של 120% RMT.
  4. לבצע ניסויים עשרים של TMS בסיסית בזוגות...-הדופק מדדי M1 קצר-מרווח intracortical עיכוב (SICI)-rest באמצעות הבין-גירוי מרווח של 3 ms, 60% * RMT כמו מיזוג דופק בעוצמה של 120% RMT כמו עוצמת הדופק מבחן לכמת M1 גאבא מעכבותA-פעילות interneuronal ergic. 28 , 29 , 30 להגדיר את מרווח הזמן בין הניסיון למדידות בסיסית 6 ± 0.3 שניות.

4. S-H משימה התנהגותית

  1. הצגת הפעילות מירוצים S-H עיכוב התגובה על צג ישירות מול הנושא. להתחיל את הניסוי לפי נושאים הכשרה הראשונה בפעילות התנהגותית. תגיד הנושא כי המכונית בצד שמאל של הצג יתחיל לזוז אחרי הלחצן על-ידי ההסתמכות של האצבע המורה דומיננטי (איור 2 א).
  2. תגיד המשתתפים כי המטרה לניסויים ללכת להרים את האצבע הכי קרוב אך לפני 800 ms מטרה כמו שתוארו על-ידי קו אנכי על המסך. המסך יציג "עבודה טובה" אם האצבע מעליות מתרחשת בין 700 ל-800 ms, אחרת הוא יציג "מוקדם מדי" או "מאוחר מדי". יש המשתתף לתרגל 10 ניסויים קדימה.
  3. מספקים הדרכה עבור הפעילות העצירה לפי מספר המשתתפים כי הסט השני של ניסויים כרוך למכונית לעצור באקראי לפני המטרה 800 ms.
    1. תגיד לילד כדי לשמור את אצבעו על הכפתור בלי להרים את האצבע כל פעם שהרכבת תעצור באופן אקראי. כדי להצליח בניסויים אלה לעצור, האצבע חייב להשאר על הכפתור עד דגל בודק נתפסת אשר מתוכנת יופיעו 1000 ms לאחר תחילת בכל ניסוי. ליידע המשתתף כי אם לעצור אות מוצג האצבע יבוטל לפני הדגל בודק, הודעה "מוקדם מדי" יופיע. תגיד לילד מסר "נהדר" יוצג לאחר ניסויים עצירה מוצלחת.
    2. יש את הילד להתאמן 10 ניסויים עצירה.
      הערה: התוכנית כוללת באלגוריתם מעקב דינמי. לניסוי בפועל אחרי האימונים, אות התחנה הראשונה מתרחשת גב' 500 המשתתף נכשל ניסיון עצירה אחת, אם המשפט העצירה הבאה יהיה קל יותר (כלומר אות התחנה יעבור 50 מילישניות מן המטרה 800 ms). עם זאת, אם המשפט לעצור הצליח, אז המשפט העצירה הבאה יהיה קשה יותר (כלומר אות התחנה יעבור 50 מילישניות לכיוון המטרה). תהליך מעקב דינמי זה מבטיח כי בסוף הניסוי כולו, כ- 50% של הניסויים עצירה תהיה מוצלחת בעוד החצי השני יהיה משפטי כושל. אות התחנה מתוכנת כדי להתאים בין ms 300 ו- 700 לאחר תחילת המשפט.
  4. אחרי המשתתפים לתרגל את המבחנים קדימה בלבד, עצירה בלבד, תגיד להם כי הבלוק התרגול הבא מכיל תערובת של ניסויים קדימה, עצור. יש את הילד לבצע ניסויים 20 של מעורבות הולכים לעצור כשיטה הסופי.

5. באינטרנט ניסוי S-H/TMS

  1. לפני תחילת הניסוי S-H/TMS באינטרנט, להזכיר את המשתתף כדי adduct (לדחוף למטה) האצבע דומיננטית כדי להפעיל את המשפט, כדי לחטוף (להרים את) אצבע לניסויים ללכת ולשמור האצבע על הכפתור לניסויים עצירה. ההסתמכות האצבע המורה נבחר כדי ליזום ולקיים המכונית התנועה במהלך כל המשפט כי בזמנו הפולסים TMS(איור 2A ו- 2B), יהיה אויבת הראשון הגבי interosseous (FDI) השריר, שבו מניחים את ההובלה EMG, נח, ובכך להקטין את הסבירות של תנועה החפץ העקיבה FDI.
  2. תגיד המשתתף TMS פולסים תימסר במהלך הפעילות S-H. להנחות הנושא כי יהיו במרחק של 3 רחובות הנסיונות S-ה TMS באינטרנט (ללכת 3: 1 יחס במשפט STOP).
    הערה: במהלך ניסויים קדימה, TMS הדופק מתוכנת מועברת-650 ms לאחר תחילת בכל ניסוי. תזמון זה בתחילה נבחרה בהתבסס על המחקר TMS מוקדמת מראה כי ניתן ללכוד עלייה דעתנית M1 המשויך הכנה תנועה בטווח זה. 10 בשביל לעצור את הניסויים, TMS הדופק מועבר 150 מילישניות לאחר האות עצירה. בניסויים עצירה מוצלחת, האצבע המורה לא תמריא הלחצן לכן את M1 שנתפסו דעתנית משקף פעילות קורטיקלית הקשורים תגובת עיכוב ולא מנוע הכנה או הוצאה להורג.
  3. הצב את הגליל מעגלית של 90 מ מ מעל הקודקוד באמצעות סימן בעיפרון שעווה הקודם כדי לעורר M1 דומיננטי ולהגדיר את מיזוג מעדיפים דופק בעוצמה ל- 60% * דופק RMT ובדיקה על 120% * RMT. להתחיל את הניסוי S-H/TMS באינטרנט. הילדים משך הזמן הנדרש כדי לסיים מבחנים 120 בדרך כלל 30-40 דקות.

6. מירוץ סלייטר-Hammel נתונים התנהגותיים

  1. לניסויים קדימה, לקבוע את זמן תגובת הזמן הרמת אצבע יחסית בתחילת כל משפט. ממוצע כל בלוק. תחנת ניסויים, הזמן הרמת אצבע קובע להצלחה, ואילו למכונית לעצור את אות הזמן (כלומר לעצור אות עיכוב; SSD) הוא מרווח הזמן מתחילת הניסוי עד לנקודה שבה המכונית עוצרת באופן אקראי. בשל תהליך מעקב דינמי, הפעם אות עצירה מתכנסת לכיוון ממוצע ההצלחה או נכשל ~ 50%.
  2. לחשב את זמן התגובה האות להפסיק (SSRT) על-ידי חיסור הזמן הממוצע-תחנה מן הזמן להרים אצבע ממוצעת על ניסויים קדימה (SSRT = זמן התגובה הממוצע של קדימה – הממוצע לעצור אות הזמן [קרי SSD]). ממוצע כל SSD מאת בלוק וחישוב של SSRT עבור כל בלוק.

7. TMS עיבוד נתונים

  1. לכמת TMS במהלך כל המשפט הפיק של חבר הפרלמנט האירופי באמצעות משרעת השיא-לשיא נמדד במילי-ואטים. הכללת ניסויים על תנועת חפצים (EMG אזורים מתחת העקומה גדול מ- 70 מיקרוולטים למעלה מ-100 מילישניות) לפני הדופק TMS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ניתוח רגרסיה מתבצעת באמצעות חבילת תוכנה מסחרית סטטיסטיים לניתוח נתונים התנהגותיים, neurophysiologic בנפרד. נציג הנתונים נמצא במרחק של 23 כלל פיתוח ילדים מסינסנטי ו-15 מבולטימור (25 זכר, נקבה 13). גיל לא להיות שונה בין האתר (10.3 ± 1.3 שנים סינסינטי ו- 10.4 ± 1.2 שנים בולטימור; p מבחן t = 0.74)

השתמשנו מודל רגרסיה לנתח SSRT עם הגיל. covariate יחד עם סקס, האתר (סינסינטי נ' בולטימור) ואת הניסיון בלוק כמשתנים עצמאיים. האינטראקציות בין משתנים אלה היו גם חקר. ניתוח זה חשף כי גיל היה המשתנה היחיד עם אפקט משמעותי על SSRT (p = 0.005).

הנתונים neurophysiologic TMS התאפיינה שימוש שיא אל שיא חבר הפרלמנט האירופי משרעת המשתנה התלוי עבור ניתוח רגרסיה. במהלך התנועה הכנה, דעתנית M1 מגביר לפני לתנועתו האמיתית מתרחשת. TMS מחקרים הראו כי עלייה זו דעתנית מתרחשת ms 100-140 לפני התכווצות שרירים. 10 , 11 , 31 , 32 במשימה זו S-H, הזמן בין TMS הדופק הרמת אצבע לניסויים עצירה מוצלח הוא תמיד גדול מ- 150 מילישניות (כלומר האחרונים הדופק TMS אפשרי מתרחשת ב- 850 ms ו להרים את האצבע מתרחש > 1000 ms לאחר החניכה של המשפט). בניתוח שלנו, אנו מעוניינים השוואת דעתנית קורטיקלית וניגוד הקשורים עיכוב תגובה מוטורית. מאז אנו מעונינים השוואת שונים בכל שלושת המשימות תנאים (GO מוצלחת, שנכשל לא), ניתחנו נתונים מניסויים כאשר הזמן בין TMS מעלית הדופק ואת האצבע הוא לפחות 150 מילישניות כי חבר הפרלמנט האירופי משרעת מעבר מסגרת זמן זו אינה מושפעת הכנה התנועה. 10 , 11 , 31 , 32 לכן השהיית זמן זו לא נכללה במודל הרגרסיה כמו covariate. עבור שלנו מודל רגרסיה, כללנו בגילו covariate כי זה משפיע על חבר הפרלמנט האירופי משרעת בילדות. 33 משתני מחלקה עצמאית עבור המודל כללו סקס, אתר, בלוק למשפט, TMS הדופק (יחיד-בתנאי לעומת לזווג...-דופק) תנאי הניסיון (להפסיק ללכת ומצליח, עצירה כושל). האינטראקציה הראשי עניין הוא בין TMS הדופק תנאי תנאי הניסיון כי אנו מעוניינים כיצד דעתנית M1 (יחיד-הדופק TMS) וניגוד (דופק לזווג TMS) שונה בין תנאי פעילות שונים.

עבור חבר הפרלמנט האירופי amplitudes, המשתנים תלויים סקס, האתר ואת הניסיון בלוק לא היו משמעותיים במודל הרגרסיה. גיל לא היה משמעותי כמו covariate במודל הרגרסיה (p = 0.28). שהג. דופק תנאי (p < 0.0001) והאינטראקציה שלו עם תנאי הניסיון (p = 0.009) היו משמעותיים. איור 3 מראה נציג neurophysiologic הנתונים בתנאי ניסוי שונים, באמצעות שיטת הריבועים הפחותים מתכוון הערכות שחושבו ממודל הרגרסיה עם קווי שגיאה המייצגים תקן שגיאות. כל pair-wise השוואות של יחיד-הדופק amplitudes חבר הפרלמנט האירופי בין פעילות שלושת התנאים היו לא משמעותיים (שווא גילוי קצב [פד] מותאם p > 0.05). עם זאת, לקבלת פיגל מעכבות הדופק לזווג, ההבדלים בין עבור לעומת נכשל להפסיק (פד מותאם p = 0.009) מוצלח נגד העצירה נכשל (פד מותאם p = 0.03) היו משמעותיות. ההשוואה של amplitudes חבר הפרלמנט האירופי דופק לזווג בין קדימה וניסויים עצירה מוצלחת לא היה משמעותי (פד ר מותאם p = 0.56).

Figure 1
איור 1: תנוחת היד והאצבע במהלך הפעילות מירוצים S-H. שתי הידיים כדבעי על הכרית. האצבע המורה דומיננטי מורחב, נשענת על כפתור בקר המשחק. ההסתמכות של האצבע המורה הדומיננטי מדכא את הלחצן ומפעילה בכל ניסוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: משפט שרטוטים.
(א) ללכת למשפט מפרטים טכניים. האצבע המורה דומיננטי ההסתמכות על-גבי לחצן הפעלת המכונית לנוע על פני המסך. משתתפים צפויים להרים את האצבע בין 700-800 ms לאחר תחילת המשפט לעצור את המכונית קרוב אך לפני המטרה 800 ms. TMS הדופק ניתנת ב 650 ms לאחר תחילת המשפט.
(ב) וביניהם בין ניסויים ללכת לעצור ניסויים במהלכם המשתתפים הונחו למניעת הרמת אצבע בתגובה אות עצירה (קרי המכונית לפתע עוצרת בנקודה מסוימת לפני הסימן 800 ms). TMS פולסים נמסרו 150 מילישניות לאחר האות עצירה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3. חבר הפרלמנט האירופי amplitudes במהלך הפעילות מירוצים S-H. Amplitudes חבר הפרלמנט האירופי (במילי-ואטים) למדידות TMS יחיד, לזווג-דופק M1 מותוות עבור מצבים שונים של פעילות זו-S-H/TMS מקוון (קדימה, די מוצלח, נכשל להפסיק). שיטת הריבועים הפחותים מתכוון הערכות שחושבו מניתוח הרגרסיה שימשו דמות זו. קווי שגיאה מייצגים לשגיאות תקן מחושב ממודל הרגרסיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

פרוטוקול זה היא שיטה ידידותיים הרומן של שילוב של TMS לבחון עיכוב קורטיקלית הקשור לאירוע של פעילות אות התחנה. תצפיות קליניות של גירעונות מעכבות מנוע וביצועים המסכן במשימות אות עצירה הוכחו בתנאים מנוטלי רבים. 3 חוקרים מעטים יחסית השתמשו fTMS מקוון כדי לבחון דעתנית קורטיקלית וניגוד במהלך משימות עיכוב התגובה. כמה קבוצות משתמשים בהצלחה TMS במהלך פעילות GNG להראות הבדלים פיזיולוגיה קורטיקלית אצל ילדים ומבוגרים. 14 , 23 , 34 . אולם, GNG פעילות באופן אידיאלי יש לנהל-יחסית מהר בקצב שמעודדים תגובה מוטורית prepotent לאורך כל הפעילות כך שליטה המעכבת יכולים להיבדק שלמאחה בניסויים Nogo. 35 , 36 מבחינת מתודולוגי, פעילות GNG המהיר כופה קשיים לניסויים fTMS באינטרנט כמו קבלים התקן דרוש זמן כדי להטעין הדופק גירוי הבא. לדוגמה, את הדופק monophasic יצירת TMS התקן צריך לפחות במרווח הבין-הניסיון של 4 שניות ובכך יגביל ניסויים TMS/GNG באינטרנט המהיר. יתר על כן, המשמשת כבסיס או התפתחותית מנוטלי הפרעות יכול להשפיע על היכולת של הילדים כדי להשלים משימה GNG המהיר. תכונה אחת של הפעילות סלייטר-Hammel הוא כי יש מקורסי ולאחר ובכך מאפשר שילוב של TMS לערוך מדידות הפיזיולוגיות באינטרנט. 16 קוקסון. et al. השתמש פעילות מקוונת של S-H fTMS/clockhand במבוגרים בריאים כדי להראות כי עיכוב בקליפת המוח, כפי שהיא נמדדת SICI, היא איתנה יותר במהלך עצירה מאשר ללכת ניסויים. מחקר נפרד מקוון fTMS/SST הראה תוצאות דומות בכך M1 דעתנית מקטין באופן משמעותי לאחר עצירה cue בניסויים עצירה מוצלחת. 15 לעומת ה-fTMS/S-ה פרוטוקול קוקסון16, עשינו שני שינויים משמעותיים. ראשית, יצרנו לגירסת "מירוצים" S-H לעצור אות פעילות אשר מרתקים יותר עבור ילדים משתתפים. באמצעות עיצוב זה, כלל פיתוח (איור 3) וילדים בעלי הפרעת קשב וריכוז (נתונים שלא פורסמו) היו מסוגלים להשלים משפטים לפחות 120. תכונה אחרת שבנינו לתוך הפעילות המקוונת fTMS/S-H היא האלגוריתם מעקב דינמי כדי ולהתאים את התזמון של עצירה אות כזה כי הניסיון לעצור ההצלחה הינה ~ 50% בסוף הניסוי כולו. זה חשוב כי זה מאפשר השוואות של עיכוב בקליפת המוח במהלך מוצלחת לעומת לא הצליחו לעצור ניסויים ומונע גם פעילות ביצועים כמשתנה מבלבלים.

יחיד-הדופק ניסויים פרוטוקול זה לאפשר חקר דעתנית בקליפת המוח במהלך התנועה הכנה. עם זאת, בהקשר של הפעילות עיכוב התגובה אות עצירה, אנו מעוניינים גם לכימות M1 SICI במהלך עצירה. על כימות SICI, subthreshold מיזוג עוצמת גירוי הדופק הוא פרמטר חשוב ניסיוני. מחקרים קודמים תיעדו את השפעת מינון ההתניה דופק בעוצמה על SICI. 37 , 38 מחקרים אלה מראים כי דופק מיזוג חזק יותר מעורר SICI עמוקה יותר. עם זאת, המעבדה שלנו מבחינה היסטורית משמש 60% * RMT כמו מיזוג דופק בעוצמה כדי לזהות הבדלים SICI במחקרים TMS שליטה במקרה ילדים. 19 , 20 מאז מיזוג זה דופק בעוצמה גם מעורר M1 SICI משמעותי29, השתמשנו 60% * RMT עבור מיזוג הדופק במשימה זו fTMS/S-H.

גורם נוסף שיש לקחת בחשבון כאשר SICI כמת הוא שיחיד-הדופק המושרה משרעת חבר הפרלמנט האירופי. יחיד-הדופק הממוצע משרעת המושרה חבר הפרלמנט האירופי משמש את המכנה עבור חישוב יחס SICI. משרעת בסיסית זו תלויה מצבים שונים כמו השאר, התבוננות מנוע/הדמיה, הכנה מוטורית, כמו גם בדיקת הדופק גירוי בעוצמה. 10 , 39 , 40 במשימה זו fTMS/S-ה באינטרנט, חבר הפרלמנט האירופי amplitudes הם בדרך כלל גדול פי 3 או 4 במהלך הפעילות בהשוואה למצב מנוחה בסיסית (נתונים לא מוצג). בשנת מקוריים SICI המחקר28, המחברים הצהיר כי SICI הוא פחות עם מבחן גירוי חזק יותר. עם זאת, הנתונים הגולמיים תומכים במסקנה זו לא הוצגה בכתב היד. מחקרים מאוחרים יותר יש לבחון מגוון בסיסית השאר חבר הפרלמנט האירופי amplitudes (0.2, 1 ו 4 mV), הראה כי משרעת בסיסית חבר הפרלמנט האירופי לא השפיע על SICI. 41 , 42 מחקר נוסף בחן את ההשפעות של מצב המנוע (השאר, התכווצויות איזומטריות חולשת/contralateral), בדיקת הדופק גירוי עוצמות (90-150% * RMT) ב- SICI. 37 SICI נמצא במרחק של פחות במהלך כיווץ איזומטרי האצבע ומגוונים בהתאם בדיקת הדופק גירוי בעוצמה. עם זאת, אמצעים חזר ANOVA לא הזדהה אינטראקציה משמעותית מבחינה סטטיסטית בין תנאי ו מבחן עוצמת גירוי דופק. ניתוח פוסט-הוק הראו SICI בזמן כיווץ איזומטרי contralateral היה משמעותי עבור מגוון של בדיקת הדופק גירוי עוצמות (110, 120, 130 ו- 140% RMT). עקב ספי מנוע גבוה באופן טבעי ילדים33, הוא אידיאלי לשמור את עוצמת הדופק מבחן נמוך ככל האפשר עקב מגבלות חומרה פוטנציאליות של TMS ונוחות של המשתתפים. מסיבות אלה, בחרנו 120% * RMT כמו עוצמת הדופק הבדיקה. עם זאת, משימה זו-S-H/TMS המקוון עשוי להיות רלוונטי ילדים צעירים אפילו היינו להנמיך את עוצמת הדופק מבחן ל 105-110% * RMT לניסויים עתידיים.

מגבלה אחת פוטנציאלי של פרוטוקול זה הוא חזק יותר, חזק יותר TMS פולסים הכרחי עבור ילדים עשוי להשפיע על הביצועים שלהם פעילות S-H. זה גם אפשרי כי ממוצע עוצמת מוגבר הפולסים TMS יכול לשבש מעגלים בקליפת המוח כך עיכוב התגובה מושפע. אפשרות אחרת היא כי דופק חזק חזק יותר יכול להסיח את הילדים במהלך הפעילות. לניסויים עתידיים, ניתן לבדוק זאת על-ידי ביצוע מחדש את המשימה סלייטר-Hammel עם פולסים TMS וכשאשר עוצמות דומות מעל אזור שלא היו מעורבים עיכוב תגובה מוטורית, או באמצעות בלוף TMS סליל. מגבלה נוספת היא המספר הנמוך של תחנת ניסויים. משימה fTMS זו מחייבת למשתתפים להשלים 120 ניסויים, אלה רק 30 הם ניסויים עצירה. אלגוריתם דינאמי המעקב שלנו יביא רק ~ 50% להצלחה; לכן, יש רק 15 15 ומצליח כושל ניסויים לצורך ניתוח. אם החפץ תנועה משמעותית מזוהה בחלק של ניסויים אלה, ואז עקיבה אינה כלולה לניתוח, עוצמה סטטיסטית הוא ירד. זה נכון כנראה אם הנתונים מיוצגים בתור משרעת חבר הפרלמנט האירופי אכזרי של כל יחיד עבור כל סוג המשפט (כל השאר, קדימה, STOP). באמצעות מודל סטטיסטי אמצעים חוזרות הערכות פיגל סוג המשפט מבוסס על כל המבחנים, כפי שעשינו, עשוי לאפשר תוצאות משמעותי יותר.

לסיכום, פיתחנו שיטה לא פולשנית, נסבל היטב ואינטראקטיבי לכימות עיכוב קורטיקלית כדי לזהות הבדלים במהלך תגובת עיכוב פעילות. זה יכול להיות מיושם יותר תנאים מנוטלי ללמוד עיכוב קורטיקלית אצל ילדים. קיימות שיטות רבות של הרחבת על הפרוטוקול fTMS. מחקרים שנעשו לאחרונה השתמשו סליל שני את הדופק-לזווג TMS פרדיגמות ללמוד קישוריות בקליפת המוח במהלך משימה התנהגותית אצל מבוגרים. 43 , 44 באמצעות neuronavigation, גישה זו ניתן להרחיב את אוכלוסיית ילדים כדי לבחון את ההשפעה של צמתים הקדם חזיתית על עיכוב התגובה. TMS החוזרות על עצמן (rTMS) מספק אפשרות אחרת כדי לווסת את אזורים במוח הם קריטיים עבור עיכוב של תגובות מוטוריות. 43 , 45 , 46 . זאת ועוד, יישום עתידי פוטנציאלי אחר היא שילוב פרוטוקול זה עם EEG סימולטני לכמת עורר-TMS קורטיקלית פוטנציאל ב- M1 אזורים47 לאפיין פיזיולוגיה בקליפת המוח הקשורים עם תגובת מנוע עיכוב.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

מחקר זה מומן על ידי נבחרת המכון לבריאות הנפש (R01MH095014).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Precision Gamepad Logitech G-UG15
Acquisition Interface Model ACQ-16 Gould Instrument Systems Inc ACQ-16
Micro1401-3 Data Acquisition Unit Cambridge Electronic Design Ltd Not applicable
Signal version 6 software (Windows) Cambridge Electronic Design Ltd Not applicable
Power base Coulbourn Instruments V15-17
Bioamplifier with filters Coulbourn Instruments V75-04
Conductor electrode cables (for surface EMG) Coulbourn Instruments V91-33
2002 TMS device The Magstim Company Ltd Not applicable
BiStim2 module The Magstim Company Ltd Not applicable
90mm circular TMS coil The Magstim Company Ltd Not applicable
Presentation software (Windows) Neurobehavioral Systems Inc Not applicable
Windows computer Not applicable

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mostofsky, S. H., Simmonds, D. J. Response inhibition and response selection: two sides of the same coin. J Cogn Neurosci. 20 (5), 751-761 (2008).
  2. Barkley, R. A. Response inhibition in attention-deficit hyperactivity disorder. Ment Retard Dev Disabil Res Rev. 5 (3), 177-184 (1999).
  3. Lipszyc, J., Schachar, R. Inhibitory control and psychopathology: a meta-analysis of studies using the stop signal task. J Int Neuropsychol Soc. 16 (6), 1064-1076 (2010).
  4. Verbruggen, F., Logan, G. D. Models of response inhibition in the stop-signal and stop-change paradigms. Neurosci Biobehav Rev. 33 (5), 647-661 (2009).
  5. Slater-Hammel, A. T. Reliability, accuracy, refractoriness of a transit reaction. Research Quarterly. 31 (2), 217-228 (1960).
  6. Johnstone, S. J., et al. The development of stop-signal and Go/Nogo response inhibition in children aged 7-12 years: performance and event-related potential indices. Int J Psychophysiol. 63 (1), 25-38 (2007).
  7. Verbruggen, F., Logan, G. D. Automatic and controlled response inhibition: associative learning in the go/no-go and stop-signal paradigms. J Exp Psychol Gen. 137 (4), 649-672 (2008).
  8. Logan, G. D. Toward an instance theory of automatization. Psychol Rev. 95 (4), 492-527 (1988).
  9. Schneider, W., Shiffrin, R. M. Controlled and Automatic Human Information Processing: I. Detection, Search, and Attention. Psychol Rev. 84 (1), 1-66 (1977).
  10. Chen, R., Yaseen, Z., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of corticospinal excitability in reaction time and self-paced movements. Ann Neurol. 44 (3), 317-325 (1998).
  11. Yamanaka, K., et al. Human cortical activities during Go/NoGo tasks with opposite motor control paradigms. Exp Brain Res. 142 (3), 301-307 (2002).
  12. Majid, D. S., Cai, W., George, J. S., Verbruggen, F., Aron, A. R. Transcranial magnetic stimulation reveals dissociable mechanisms for global versus selective corticomotor suppression underlying the stopping of action. Cereb Cortex. 22 (2), 363-371 (2012).
  13. Majid, D. S., Lewis, C., Aron, A. R. Training voluntary motor suppression with real-time feedback of motor evoked potentials. J Neurophysiol. 113 (9), 3446-3452 (2015).
  14. Fujiyama, H., Tandonnet, C., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability during a Go/NoGo task. Psychophysiology. 48 (10), 1448-1455 (2011).
  15. van den Wildenberg, W. P., et al. Mechanisms and dynamics of cortical motor inhibition in the stop-signal paradigm: a TMS study. J Cogn Neurosci. 22 (2), 225-239 (2010).
  16. Coxon, J. P., Stinear, C. M., Byblow, W. D. Intracortical inhibition during volitional inhibition of prepared action. J Neurophysiol. 95 (6), 3371-3383 (2006).
  17. Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. , (2013).
  18. Heise, K. F., et al. Altered modulation of intracortical excitability during movement preparation in Gilles de la Tourette syndrome. Brain. 133 (2), 580-590 (2010).
  19. Gilbert, D. L., Isaacs, K. M., Augusta, M., Macneil, L. K., Mostofsky, S. H. Motor cortex inhibition: a marker of ADHD behavior and motor development in children. Neurology. 76 (7), 615-621 (2011).
  20. Wu, S. W., Gilbert, D. L., Shahana, N., Huddleston, D. A., Mostofsky, S. H. Transcranial magnetic stimulation measures in attention-deficit/hyperactivity disorder. Pediatr Neurol. 47 (3), 177-185 (2012).
  21. Chiu, Y. C., Aron, A. R., Verbruggen, F. Response suppression by automatic retrieval of stimulus-stop association: evidence from transcranial magnetic stimulation. J Cogn Neurosci. 24 (9), 1908-1918 (2012).
  22. Kratz, O., et al. Effects of methylphenidate on motor system excitability in a response inhibition task. Behav Brain Funct. 5, 12 (2009).
  23. Hoegl, T., et al. Time course analysis of motor excitability in a response inhibition task according to the level of hyperactivity and impulsivity in children with ADHD. PLoS One. 7 (9), e46066 (2012).
  24. 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).
  25. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clin Neurophysiol. 122 (8), 1686 (2011).
  26. Mills, K. R., Nithi, K. A. Corticomotor threshold to magnetic stimulation: normal values and repeatability. Muscle & Nerve. 20 (5), 570-576 (1997).
  27. Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability. Neuroscience. 320, 205-209 (2016).
  28. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
  29. Orth, M., Snijders, A. H., Rothwell, J. C. The variability of intracortical inhibition and facilitation. Clin Neurophysiol. 114 (12), 2362-2369 (2003).
  30. Ziemann, U. TMS and drugs. Clin Neurophysiol. 115 (8), 1717-1729 (2004).
  31. Sommer, M., Classen, J., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of determination of movement direction in the reaction time task in humans. J Neurophysiol. 86 (3), 1195-1201 (2001).
  32. Leocani, L., Cohen, L. G., Wassermann, E. M., Ikoma, K., Hallett, M. Human corticospinal excitability evaluated with transcranial magnetic stimulation during different reaction time paradigms. Brain. 123 (Pt 6), 1161-1173 (2000).
  33. Garvey, M. A., et al. Cortical correlates of neuromotor development in healthy children. Clin Neurophysiol. 114 (9), 1662-1670 (2003).
  34. Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. 9 (1), 33-44 (2015).
  35. Wessel, J. R. Prepotent motor activity and inhibitory control demands in different variants of the go/no-go paradigm. Psychophysiology. , (2017).
  36. Garavan, H., Ross, T. J., Stein, E. A. Right hemispheric dominance of inhibitory control: an event-related functional MRI study. Proc Natl Acad Sci U S A. 96 (14), 8301-8306 (1999).
  37. Garry, M. I., Thomson, R. H. The effect of test TMS intensity on short-interval intracortical inhibition in different excitability states. Exp Brain Res. 193 (2), 267-274 (2009).
  38. Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. J Neurophysiol. 80 (6), 2870-2881 (1998).
  39. van der Kamp, W., Zwinderman, A. H., Ferrari, M. D., van Dijk, J. G. Cortical excitability and response variability of transcranial magnetic stimulation. J Clin Neurophysiol. 13 (2), 164-171 (1996).
  40. Williams, J., Pearce, A. J., Loporto, M., Morris, T., Holmes, P. S. The relationship between corticospinal excitability during motor imagery and motor imagery ability. Behav Brain Res. 226 (2), 369-375 (2012).
  41. Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
  42. Sanger, T. D., Garg, R. R., Chen, R. Interactions between two different inhibitory systems in the human motor cortex. J Physiol. 530 (Pt 2), 307-317 (2001).
  43. Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. Cerebellum. 15 (6), 680-687 (2016).
  44. Picazio, S., et al. Prefrontal control over motor cortex cycles at beta frequency during movement inhibition. Curr Biol. 24 (24), 2940-2945 (2014).
  45. Obeso, I., et al. Stimulation of the pre-SMA influences cerebral blood flow in frontal areas involved with inhibitory control of action. Brain Stimul. 6 (5), 769-776 (2013).
  46. Ficarella, S. C., Battelli, L. The critical role of the dorsal fronto-median cortex in voluntary action inhibition: A TMS study. Brain Stimul. 10 (3), 596-603 (2017).
  47. Cash, R. F., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology. 42 (2), 502-511 (2017).

Tags

מדעי המוח גיליון 132 גירוי מגנטי טראנס עיכוב תגובה לעצור אות פעילות קורטיקלית עיכוב עיכוב intracortical מרווח קצר ילדים
פרוטוקול גירוי מגנטי טראנס מקוון למדידת פיזיולוגיה בקליפת המוח הקשורים עם עיכוב התגובה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guthrie, M. D., Gilbert, D. L.,… More

Guthrie, M. D., Gilbert, D. L., Huddleston, D. A., Pedapati, E. V., Horn, P. S., Mostofsky, S. H., Wu, S. W. Online Transcranial Magnetic Stimulation Protocol for Measuring Cortical Physiology Associated with Response Inhibition. J. Vis. Exp. (132), e56789, doi:10.3791/56789 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter