Online Transkraniell magnetisk stimulering protokollen for å måle kortikale fysiologi tilknyttet svar hemming

Summary

Vi beskriver en eksperimentelle prosedyren for å kvantifisere excitability og hemming av primære motorisk cortex under en motor svar hemming aktivitet ved hjelp av Transkraniell magnetisk stimulering i løpet av en stoppe Signal aktivitet.

Abstract

Vi beskrive utviklingen av reproduserbar og barnevennlige motor svar hemming aktiviteten passer for online Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) karakterisering av primære motorisk cortex (M1) excitability og hemming. Motor svar hemming hindrer uønskede handlinger og er unormal i flere nevropsykiatriske forhold. TMS er en ikke-invasiv teknologi som kan kvantifisere M1 excitability og hemming med enkelt – og sammen-pulse-protokollene og kan nøyaktig tid til å studere kortikale fysiologi med timelige høyoppløselig. Vi endret den opprinnelige Slater-Hammel (S-H) stopp signal oppgaven for å opprette en “racecar” versjon med TMS pulser tid-låst til intra prøve hendelser. Denne aktiviteten er tempo, med hver prøve starte etter en knapp push flytte racecar mot 800 ms målet. GÅ forsøk krever en finger-heis stoppe racecar like før dette målet. Ispedd tilfeldig er stopp studier (25%) som dynamisk justert stopp signalet ber fag å hindre finger-lift. GÅ prøvelser, ble TMS pulser levert på 650 ms etter rettssaken utbruddet; mens, stopp prøvelser, oppstod på TMS pulser 150 ms etter stopp signalet. Tidsberegningen av TMS-pulser ble besluttet basert på Elektroencefalogram (EEG) studier viser hendelse-relaterte endringer i disse tidsperioder under stopp signal oppgaver. Denne oppgaven ble studert i 3 kvartaler på to studiesteder (n = 38) og vi registrerte atferdsmessige ytelse og event-relaterte motor-utløste potensialer (MEP). Regresjon modellering ble brukt til å analysere MEP amplituder med alder som en justering kovariat med flere uavhengige variabler (sex, studere området, blokk, TMS puls tilstand [singel-g. sammen-puls], prøve tilstand [gå, vellykket Stopp mislyktes STOP]). Analysen viste at TMS puls tilstand (p < 0,0001) og dets interaksjon med prøve tilstand (p = 0,009) var betydelig. Fremtidige søknader om dette online S-H/TMS paradigmet inkluderer tillegg av samtidige EEG oppkjøpet å måle TMS-utløste EEG potensialer. En potensiell begrensning er at barn, TMS puls lyden kan påvirke opptreden oppgave ytelsen.

Introduction

Svar hemming er muligheten til å selektivt å forhindre disse uønskede handlinger som kan påvirke funksjonelle målene. ¹ cortico-striatal nettverket er kritisk involvert i svaret hemming, som gradvis blir mer effektiv som barn eldre men er nedsatt i rekke nevropsykiatriske forhold som oppmerksomhet underskudd hyperaktivitet disorder) ADHD), læring lidelser og Tvangslidelser schizofreni. ^{2 , 3} motor svar hemming kan undersøkes med forskjellige atferdsmessige paradigmer som gå/NoGo (GNG) og stoppe Signal oppgaver (SST). ^{1 , 4} atferdsdata alene gir ikke informasjon om potensielt kan endres, målbare biologiske mekanismer. Det overordnede målet studien var å utvikle en barn vennlig metode for å vurdere motorisk cortex fysiologi under kjøring av svaret hemming, for å utvikle en hjerne-basert kvantitative biomarkør av nevrale underlaget for denne aktiviteten. Slike biomarkers kan ha bredt program i forutsigende studier prognose eller behandling av neurobehavioral lidelser.

For dette formålet, etterforskerne valgt og endret Slater-Hammel (S-H) aktivitet⁵. Dette er en stopp signal oppgave som krever deltakerne til å hemme en internt generert forhåndsprogrammerte handling. Tempo aktiviteten består av både gå og stopp forsøk. GÅ forsøk er initiert av emnet trykke og opprettholde trykket på en knapp, med undervisning for å løfte fingeren av (i.e. gå handling) så nær til men før 800 ms målet. I det opprinnelige paradigmet angis tiden på en klokke med en raskt roterende hånd. Stopp forsøk er tilfeldig ispedd blant gå forsøk der personen må hemme handlingen planlagt gå (dvs. hindre finger heis). Stopp signal oppgaven er vanskeligere fordi fag har å hemme svar i sammenheng med en pre-programmert gå signal, mens i GNG oppgave, beslutningen om å starte eller ikke starter en handling ikke tidligere kommandoer. ⁶ videre kan det være mer presist å undersøke respons hemming ved hjelp av stopp signal oppgaver fordi i aktiviteten GNG, konsistente sammenhenger mellom signal og svar kan resultere i automatisk hemming. ⁷ automatisk hemming er teorien som konsekvent tilordning mellom signal og svar (i.e. gå signalet alltid resultater i gå svar og omvendt) fører til en automatisk behandling i løpet av eksperimentet slik at stopper forsøkene er delvis behandlet gjennom minne henting og forbigår enkelte executive kontroller. ^{8 , 9}

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er en ikke-invasiv teknologi som kan brukes til å måle kortikale fysiologi. Bruker ett – og sammen-pulse stimulering paradigmer, kan en kvantifisere kortikale excitability og hemming. Selv om mest publiserte TMS studier undersøke kortikale fysiologi ved hvile, har noen grupper undersøkt kortikale excitability/hemming under psykisk forberedelse til handling¹⁰ og under ulike kognitive tilstander som kan reflekteres i motor cortex fysiologi. ^{11 , 12 , 13 , 14} Dette funksjonelle TMS (fTMS) krever online TMS mål mens deltakerne utfører atferdsmessige oppgaver, slik at en sonde kortikale endringer som er state-avhengige med timelige høyoppløselig. Gir sanntidsinformasjon om neurophysiologic endringer slik utvider fysiologiske etterforskningen av motorstyring^15,16 og nevropsykiatriske forhold^{17,18, 19,20}.

Tidligere fTMS studier har utforsket kortikale mekanismer for svar hemming i friske voksne bruker GNG¹⁴ og SST oppgaver^15,16,21. Videre viste en studie at en enkelt dose av metylfenidat endret motor kortikale fysiologi av friske voksne under et fTMS/GNG-eksperiment. ²² dags dato det er to grupper som har publisert pediatric fTMS studier med GNG oppgave for å karakterisere kortikale fysiologi av ADHD²³ og nevrolog¹⁷. Det er ingen publiserte fTMS studie utnytte SST i pediatric befolkningen.

Viktig i fTMS studier, en mye større grad enn resten-alene TMS studier, er muskel gjenstand. Standardisert overflaten Elektromyografi (EMG) tiltak av amplituden og ventetid fra motor-utløste potensialer (MEP) må ikke være forurenset av muskel gjenstand. Så, for eksempel for å studere kortikale endringer i forberedelse til en bevegelse i en reaksjonstid studie, TMS pulser må være nøyaktig tidsbestemt oppstår etter en gå signal, men før en persons reaksjon. Dermed i en oppgave er det avgjørende for å sikre at TMS pulser oppstår samtidig når motor svaret ikke har ennå begynt, og at deltakeren er komfortable og kjøpedyktig vedlikeholde relevante muskelen på resten. Dette kan være svært problematisk med hyperkinetisk barn som må naturlig uvedkommende bevegelser og som kan holde armen og hånd spent gjennom en reaksjonstid spillet.

Målet med denne studien er å utvikle en versjon av Slater-Hammel SST som er vennlige og passende for å studere primære motorisk cortex (M1) fysiologi. Denne oppgaven skal være 1) lett forståelig for barn, 2) relativt enkelt å gjennomføre for barn og 3) kompatibel med online TMS.

Protocol

Denne protokollen ble godkjent av Cincinnati Children’s Hospital Medical Center og Johns Hopkins Institutional Review Boards som en minimal risiko studere hos barn og voksne. Enkelt – og sammen-pulse TMS regnes som trygt hos barn 2 år og eldre per internasjonal ekspert konsensus. 24 etter å forklare den potensielle risikoen ved TMS til foreldre/foresatte og deltaker, samtykke og samtykke former er signert hvis de godtar å fortsette med undersøkelsen. 1. screening og i…

Representative Results

Regresjonsanalyse utføres med en kommersiell statistisk programvarepakke for å analysere atferd og neurophysiologic separat. Representant dataene er fra 23 typisk utvikle barn fra Cincinnati og 15 fra Baltimore (25 mann, 13 kvinnelige). Alder ikke skiller mellom område (10.3 ± 1.3 år for Cincinnati og 10.4 ± 1,2 år for Baltimore, t testen p = 0.74) Vi brukte en regresjonsmodell til å analysere SSRT med alder som en juste…

Discussion

Denne protokollen er en roman barnevennlige metode for et stopp signal aktivitet og TMS undersøke hendelse-relaterte kortikale hemming. Klinisk observasjon av motor hemmende underskudd og dårlig ytelse i stopp signal oppgaver har vist mange nevropsykiatriske forhold. ³ relativt få etterforskere har brukt online fTMS for å undersøke kortikale excitability og hemming under svar hemming oppgaver. Noen grupper har brukt TMS under GNG oppgave å illustrere kortikale fysiologi hos barn og voksne. <…

Materials

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