Online transkraniell magnetisk stimulering protokoll för mätning av kortikal fysiologi är associerad med svar hämning

Summary

Vi beskriver en experimentell förfarande för att kvantifiera retbarhet och hämning av primära motoriska cortex under ett motoriskt svar hämning uppgift genom att använda transkraniell magnetisk stimulering under loppet av en stoppa signalen uppgift.

Abstract

Vi beskriver utvecklingen av en reproducerbar, barnvänlig motor svar hämning uppgift passar online transkraniell magnetisk stimulering (TMS) karakterisering av primära motoriska cortex (M1) retbarhet och hämning. Motoriskt svar hämning förhindrar oönskade åtgärder och är onormal i flera neuropsykiatriska tillstånd. TMS är en icke-invasiv teknik som kan kvantifiera M1 retbarhet och hämning med singel – och Parade-pulse protokoll och kan tajmas exakt att studera kortikal fysiologi med hög temporal upplösning. Vi ändrade den ursprungliga Slater-Hammel (S-H) stopp signal uppgiften att skapa en ”racerbil” version med TMS pulser tid-låst till intra rättegång händelser. Denna uppgift är självstudier, med varje rättegång inleds efter en knapptryckning till flytta racerbil mot 800 ms målet. GÅ prövningar kräver en finger-lift att stoppa racerbil precis innan detta mål. Interspersed slumpmässigt är STOP prövningar (25%) under vilken den dynamiskt justerade stoppsignal uppmanas patienter att förhindra finger-lift. För GO prövningar levererades TMS pulser på 650 ms efter rättegång debut; medan, för STOP prövningar, TMS pulserna inträffade 150 ms efter stoppsignal. Tidpunkter för TMS pulserna avgjordes baserat på elektroencefalografi (EEG) studier som visar händelsen-relaterade förändringar i dessa tidsintervall under stopp signal uppgifter. Denna uppgift har studerats i 3 kvarter på två studieplatser (n = 38) och vi spelade in beteendemässiga prestanda och evenemangsrelaterade motor-evoked potentials (MEP). Regressionsmodellering användes för att analysera MEP amplituder med ålder som kovariat med flera oberoende variabler (kön, studera webbplats, block, TMS puls skick [singel-vs. Parade-pulse], rättegång skick [GO, framgångsrika stopp, misslyckades STOP]). Analysen visade att TMS puls skick (p < 0,0001) och dess samspel med rättegång skick (p = 0,009) var betydande. Framtida tillämpningar för detta online S-H/TMS paradigm inkluderar tillägg av samtidiga EEG förvärv att mäta EEG TMS-evoked potentials. En potentiell begränsning är att TMS puls ljudet hos barn kan påverka deras beteendemässiga uppgift prestanda.

Introduction

Svar hämning är förmågan att selektivt förhindra dessa oönskade åtgärder som kan störa förväntade funktionella mål. ¹ cortico-striatum nätverket medverkar kritiskt svar hämning, som successivt blir effektivare som barn mogna men är nedsatt hos många neuropsykiatriska tillstånd såsom attention deficit hyperactivity disorder) ADHD), lärande störningar, tvångssyndrom och schizofreni. ^{2 , 3} motor svar hämning kan undersökas med olika beteendemässiga paradigms såsom Go/NoGo (GNG) och stoppa signalen uppgifter (SST). ^{1 , 4} beteendemässiga data enbart ger inte information om potentiellt modifierbara, mätbara biologiska mekanismer. Det övergripande målet i den aktuella studien var att utveckla en barn vänliga metod för att utvärdera motoriska cortex fysiologi under utförandet av svar hämning, för att utveckla en hjärna-baserade kvantitativa biomarkör för neuralt substrat för denna uppgift. Sådana biomarkörer kan ha bred tillämpning i förutsägande studier av prognos eller behandling av neurologiskt betingade sjukdomar.

För detta ändamål, utredarna valt och modifierade den Slater-Hammel (S-H) aktivitet⁵. Detta är en uppgift av stopp-signal som kräver deltagare att hämma en internt upparbetad förprogrammerade åtgärd. Egen takt uppgiften består av både gå och stopp prövningar. GÅ prövningar initieras av ämnet att trycka och behåller trycket på en knapp, med instruktioner att lyfta fingret från knappen (dvs gå åtgärd) så men innan målet 800 ms. I den ursprungliga paradigmen anges tid på en klocka med en snabbt roterande hand. STOP prövningar varvas slumpmässigt bland GO prövningar under vilken personen måste hämma förplanerade GO åtgärden (dvs förhindra finger hiss). Stopp signal uppgiften är svårare eftersom ämnen måste hämma ett svar inom ramen för en förprogrammerad GO-signal, medan i GNG uppgift, är beslutet om att inleda eller inte inleda en åtgärd med ingen tidigare kommandon. ⁶ vidare kan det vara mer korrekt att undersöka svar hämning med stopp signal uppgifter eftersom i GNG uppgiften, konsekvent korrelationer mellan signal och svaren kan resultera i automatisk hämning. ⁷ automatisk hämning är teorin som konsekvent mappning mellan signalen och svar (dvs. GO signal alltid resulterar i ett GO svar och vice versa) leder till en automatisk bearbetning under hela försöket att stoppa rättegångarna är delvis behandlas via minne hämtning och kringgår vissa executive kontroller. ^{8 , 9}

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en icke-invasiv teknik som kan användas för att mäta kortikal fysiologi. Med singel – och Parade-puls stimulering paradigm, kan man kvantifiera kortikala retbarhet och hämning. Även om mest publicerade TMS studier undersöka kortikal fysiologi vid vila, har vissa grupper undersökt kortikala upphetsning/hämning under mental förberedelse för åtgärd¹⁰ och under olika kognitiva stater som kan återspeglas i motor cortex fysiologi. ^{11 , 12 , 13 , 14} funktionella TMS (fTMS) metoden kräver online TMS-mätningar medan deltagarna utför beteendemässiga uppgifter, vilket möjliggör en till sonden kortikala förändringar som är beroende av staten med hög temporal upplösning. Att tillhandahålla information i realtid om neurophysiologic förändringar på ett sådant sätt breddar fysiologisk utredning av motorstyrning^15,16 och neuropsykiatriska tillstånd^{17,18, 19,20}.

Tidigare fTMS studier har undersökt kortikala mekanismer för svar hämning i friska vuxna använder GNG¹⁴ och SST uppgifter^15,16,21. En studie visade att en engångsdos av metylfenidat förändrats motor kortikal fysiologi friska vuxna under försökstiden fTMS/GNG. ²² hittills, finns det två grupper som har publicerat pediatric fTMS studier använder GNG uppgiften för att karaktärisera ADHD²³ och Tourettes syndrom¹⁷kortikal fysiologi. Det finns för närvarande inga publicerade fTMS studie använder SST i den pediatriska populationen.

En kritisk fråga i fTMS studier, i mycket större utsträckning än resten-alone TMS studier, är muskel artefakt. Standardiserad yta Elektromyografi (EMG) åtgärder av amplitud och latens från motor-evoked potentials (MEP) måste inte vara förorenat av muskel artefakt. Så, till exempel för att studera kortikala förändringar i förberedelse för en rörelse i en reaktionstid studie, TMS pulser måste vara just tidsmässigt för att inträffa efter en GO-signal men före individens reaktionstid. Således i någon uppgift är det viktigt att säkerställa att TMS pulser inträffar vid en tidpunkt när det motoriska svaret inte har ännu börjat, och att deltagaren är bekväm och kunna upprätthålla den relevanta muskler i vila. Detta kan vara exceptionellt problematiskt med hyperkinetisk barn som naturligt ha främmande rörelser och som kan hålla sin arm och hand spänd hela en reaktionstid spel.

Syftet med föreliggande studie är att utveckla en version av Slater-Hammel SST som är barnvänlig och passar studera primära motoriska cortex (M1) fysiologi. Denna uppgift bör vara 1) lätta att förstå för barn, 2) relativt lätt att slutföra för barn och (3) kompatibla med online TMS.

Protocol

Detta protokoll godkändes av Cincinnati Children’s Hospital Medical Center och Johns Hopkins institutionella granskning styrelser som en minimal risk studera hos barn och vuxna. Singel – och Parade-pulse TMS anses säkra för barn 2 år och äldre per internationell expert konsensus. 24 efter till vårdnadshavare och deltagare förklarade de potentiella riskerna med TMS, samtycke och samtycke formulär signeras om de är överens om att fortsätta med studien. 1. screeni…

Representative Results

Regressionsanalys görs med en kommersiell statistiskt programpaket för att analysera beteendemässiga och neurophysiologic separat. Representativa uppgifterna är från 23 vanligtvis utveckla barn från Cincinnati och 15 från Baltimore (25 män, 13 kvinnor). Ålder skilde sig inte mellan webbplats (10,3 ± 1,3 år för Cincinnati och 10,4 ± 1,2 år för Baltimore; t test p = 0,74) Vi används en regressionsmodell för att an…

Discussion

Detta protokoll är en roman barnvänliga metod för att kombinera en stopp signal uppgift och TMS att undersöka evenemangsrelaterade kortikala hämning. Klinisk observation av motor hämmande underskott och dåliga prestanda i stopp signal uppgifter har påvisats i ett flertal neuropsykiatriska tillstånd. ³ relativt få utredare har använt online fTMS för att undersöka kortikala upphetsning och hämning under svar hämning uppgifter. Vissa grupper har framgångsrikt använt TMS under GNG upp…

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