JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Neuroscience

Online transkranial magnetisk Stimulation protokol til måling af kortikal fysiologi tilknyttet svar hæmning

Published: February 08, 2018
doi:
10.3791/56789
, , , , , ,
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

Vi beskriver en eksperimentel metode til at kvantificere ophidselse og hæmning af primære motor cortex under en motor respons hæmning opgave ved hjælp af transkranial magnetisk Stimulation i løbet af en Stop Signal opgave.

Abstract

Vi beskriver udviklingen af en reproducerbar og børnevenligt motor svar hæmning opgaven egnet til online transkranial magnetisk Stimulation (TMS) karakterisering af primære motor cortex (M1) ophidselse og hæmning. Motor respons hæmning forhindrer uønskede handlinger og er unormale i flere neuropsykiatriske lidelser. TMS er en non-invasiv teknologi, der kan kvantificere M1 ophidselse og hæmning ved hjælp af single og parret puls protokoller og kan være netop timet at studere kortikal fysiologi med høj tidsmæssige opløsning. Vi har ændret den oprindelige Slater-Hammel (S-H) stop signal opgave for at oprette en “racerbil” version med TMS pulser tid låst til intra retssag begivenheder. Denne opgave er dit eget tempo, med hver enkelt retssag indlede efter en knap Tryk og flytte racerbil på 800 ms målet. GÅ forsøg kræver en finger-lift til at stoppe racerbil lige før dette mål. Afbrudt tilfældigt er STOP forsøg (25%) hvor dynamisk justeret stopsignal bliver bedt om emner, der skal forhindre finger-lift. For GO forsøg, blev TMS pulser leveret på 650 ms efter retssag indsættende; der henviser til STOP forsøg, opstod TMS pulser 150 ms efter stopsignal. Tidsindstillinger af TMS pulser blev besluttet baseret på electroencefalografi (EEG) undersøgelser viser event-relaterede ændringer i disse tidsintervaller i løbet stop signal opgaver. Denne opgave blev studeret i 3 blokke på to undersøgelse sites (n = 38) og vi indspillede adfærdsmæssige ydeevne og event-relaterede motor-fremkaldte potentialer (MEP). Modellering af regression blev brugt til at analysere MEP amplituder bruge alder som en covariate med flere uafhængige variabler (sex, studere site, blok, TMS puls betingelse [single-vs. parret puls], retssag tilstand [GO, vellykket STOP mislykkedes STOP]). Analysen viste at TMS puls tilstand (Pedersen < 0,0001) og dens samspil med retssag tilstand (p = 0,009) var betydelig. Fremtidige ansøgninger til dette online S-H/TMS paradigme omfatter tilføjelse af samtidig EEG erhvervelse til at måle TMS-fremkaldte EEG potentialer. En potentiel begrænsning er at TMS puls lyd i børn, kunne påvirke adfærdsmæssige opgave ydeevne.

Introduction

Svar hæmning er evne hen til selektivt forhindre disse uønskede handlinger, der kan forstyrre tilsigtede funktionelle mål. 1 cortico-striatal netværk er kritisk involveret i svar hæmning, som gradvist bliver mere effektiv som børn ældre men er forringet i talrige neuropsykiatriske forhold, såsom opmærksomhed underskud hyperaktivitet lidelse) ADHD), læring lidelser, obsessiv-kompulsiv sygdom og skizofreni. 2 , 3 motor respons hæmning kan undersøges med forskellige adfærdsmæssige paradigmer som Go/NoGo (GNG) og stoppe Signal opgaver (SST). 1 , 4 adfærdsmæssige data alene indeholder ikke oplysninger om potentielt modificerbare, kvantificerbare biologiske mekanismer. Det overordnede mål i den aktuelle undersøgelse var at udvikle et barn venlige metode til at vurdere motoriske cortex fysiologi under udførelsen af svar hæmning, for at udvikle et hjerne-baserede kvantitative biomarkør af neurale underlaget af denne opgave. Sådanne biomarkører kunne har bred anvendelse i prædiktive undersøgelser af prognose eller behandling af neurobehavioral lidelser.

Til dette formål, efterforskerne valgt og modificeret Slater-Hammel (S-H) opgave5. Dette er en stop signal opgave, der kræver, at deltagerne til at hæmme en internt genereret forprogrammerede handling. Denne selvstyrede opgave består af både gå og STOP forsøg. GÅ forsøg er initieret af emnet ved at trykke på og holde Tryk på en knap, med instruktion om at løfte finger off knappen (dvs. GO handling) så tæt på men før 800 ms mål. I den oprindelige paradigme angives tiden på et ur med en hurtigt roterende hånd. STOP forsøg er tilfældigt afbrudt blandt GO forsøg, hvor personen skal hæmme handlingen forudplanlagte GO (dvs. hindre finger lift). Stop signal opgave er sværere, fordi emner skal hæmme et svar i forbindelse med en præ-programmerede GO-signal, mens i GNG opgave, er beslutningen om at indlede eller ikke indlede en sag uden forudgående kommandoer. 6 i øvrigt kan det være mere korrekt at undersøge svar hæmning ved hjælp af stop-signal opgaver, fordi i opgaven GNG konsekvent korrelationer mellem signal og svar kan resultere i automatisk hæmning. 7 automatisk hæmning er den teori at konsekvent kortlægning mellem signal og svar (dvs. GO signal altid resulterer i en GO svar og vice versa) fører til en automatisk behandling i løbet af eksperimentet, så STOP forsøg er dels behandlet gennem hukommelse hentning og omgår visse executive kontrol. 8 , 9

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er en non-invasiv teknologi, der kan bruges til at måle kortikal fysiologi. Ved hjælp af single og parret puls stimulation paradigmer, kan man kvantificere kortikal ophidselse og hæmning. Selv om mest offentliggjorte TMS undersøgelser undersøge kortikal fysiologi i hvile, har nogle grupper undersøgt kortikal ophidselse/hæmning under mental forberedelse til aktion10 og under forskellige kognitive stater, der kan blive afspejlet i motor Cortex fysiologi. 11 , 12 , 13 , 14 denne funktionelle TMS (fTMS) tilgang kræver online TMS målinger, mens deltagerne udfører adfærdsmæssige opgaver, således at sonden kortikale forandringer der er state-afhængige med høj tidsmæssige opløsning. Med real-time oplysninger om neurophysiologic ændringer på en sådan måde udvider den fysiologiske undersøgelse af motorisk kontrol15,16 og neuropsykiatriske forhold17,18, 19,20.

Forudgående fTMS studier har undersøgt kortikale mekanismer af svar hæmning i raske voksne bruger GNG14 og SST opgaver15,16,21. Derudover viste en undersøgelse, at en enkelt dosis af methylphenidat ændret motor kortikal fysiologi af raske voksne under et fTMS/GNG eksperiment. 22 til dato, er der to grupper, der har offentliggjort pediatric fTMS undersøgelser ved hjælp af GNG opgave for at karakterisere kortikal fysiologi af ADHD23 og Tourettes syndrom17. Der er i øjeblikket ingen offentliggjorte fTMS undersøgelse udnytter SST hos den pædiatriske befolkningsgruppe.

Et kritisk punkt i fTMS undersøgelser, i meget højere grad end resten-alene TMS undersøgelser, er muskel artefakt. Standardiseret overflade Elektromyografi (EMG) foranstaltninger af amplitude og latenstid fra motor-fremkaldte potentialer (MEP) må ikke være forurenet med muskel artefakt. Så, for eksempel, for at studere kortikale ændringer i forberedelse til en bevægelse i en reaktionstid undersøgelse, TMS pulser skal være netop timet til forekommer efter et GO-signal, men før en persons reaktionstid. Således i enhver opgave er det afgørende at sikre, at TMS pulser sker på et tidspunkt, når den motor svar endnu ikke er begyndt, og at deltageren er komfortable og købedygtig påstå den relevante muskler på resten. Dette kan være yderst problematisk med hyperkinetiske børn der kan naturligvis have uvedkommende bevægelser og som kan holde deres arm og hånd spændte i hele en reaktionstid spil.

Formålet med den foreliggende undersøgelse er at udvikle en version af den Slater-Hammel SST, der er børnevenlige og velegnede til at studere primære motor cortex (M1) fysiologi. Denne opgave bør være 1) let forståelig for børn, 2) relativt let at fuldføre for børn og 3) kompatibel med online TMS.

Protocol

Denne protokol blev godkendt af Cincinnati children’s Hospital Medical Center og Johns Hopkins institutionelle anmeldelse Boards som en minimal risiko studere i børn og voksne. Enkelt og parret puls TMS betragtes som sikker hos børn 2 år og ældre pr. internationale ekspert konsensus. 24 efter forklarer de potentielle risici ved TMS til forældre/værge og deltager, samtykke og tilslutning former er underskrevet hvis de er enige om at gå videre med undersøgelsen. 1. …

Representative Results

Regressionsanalyse udføres ved hjælp af en kommerciel statistisk software-pakke til at analysere adfærdsmæssige og neurophysiologic data separat. De repræsentative data er fra 23 typisk udvikle børn fra Cincinnati og 15 fra Baltimore (25 mand, 13 kvinde). Alder ikke afviger mellem site (10,3 ± 1,3 år for Cincinnati og 10.4 ± 1,2 år for Baltimore; t-test p = 0,74) Vi brugte en regressionsmodel til at analysere SSRT med …

Discussion

Denne protokol er en roman børnevenlig metode kombinerer et stop-signal opgave og TMS at undersøge event-relaterede kortikale hæmning. Klinisk observation af motor hæmmende underskud og dårlige resultater i stop signal opgaver er blevet påvist i talrige neuropsykiatriske forhold. 3 relativt få efterforskere har brugt online fTMS undersøge kortikal ophidselse og hæmning under svar hæmning opgaver. Nogle grupper har med held brugt TMS under GNG opgave for at vise forskellene i cortical fys…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Undersøgelsen blev finansieret af National Institute of Mental Health (R01MH095014).

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
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

Transcranial Magnetic StimulationTMSMotor CortexResponse InhibitionMotor ControlPediatric Movement DisordersADHDAutismFirst Dorsal Interosseous MuscleFDISlater-Hammel TaskMotor PhysiologyCortical ExcitabilityCortical Inhibition

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image