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 motorstyrning15,16 och neuropsykiatriska tillstånd17,18, 19,20.
Tidigare fTMS studier har undersökt kortikala mekanismer för svar hämning i friska vuxna använder GNG14 och SST uppgifter15,16,21. 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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. screening och introduktion
- Skärmen motiv för TMS contraindication(s) med hjälp av ett standardiserat frågeformulär. 25
- Demonstrera hur TMS fungerar genom att leverera en magnetisk puls över operatörens egna underarmen.
- Leverera en TMS puls över deltagarens underarmen så att han eller hon kan känna pulsen.
- Placera öronproppar i deltagarens öron för hörselskydd.
2. yta EMG leda setup och hand positionering
- Har ämnet kidnappa dominerande pekfingret för att identifiera första dorsala interosseous muskeln (FDI). Placera den negativa elektroden över magen av de utländska Direktinvesteringarna, sedan placera den positiva elektroden mellan 2nd och 3rd metacarpophalangeal (MCP) lederna och marken elektroden över 5th MCP gemensamma.
- Placera deltagarens händer med ulnar aspekter av både armar och händerna vilande på en kudde, helt utan anti-gravitation ansträngning krävs (figur 1).
- Har deltagaren förlänga dominerande pekfingret medan tredje-femte fingrarna är böjda. Placera sedan en spelenhet pad på kudden så att pekfingret vilar på knappen används för aktiviteten racerbil Svensson. Den logiska grunden för denna hand position är att åtgärden GO kräver aktivering av de utländska Direktinvesteringarna att lyfta pekfingret av knappen. Därför kommer inspelning EMG spårning av de dominerande utländska Direktinvesteringarna probe M1 retbarhet och hämning för gå och stoppa prövningar respektive.
3. utgångsvärden TMS datainsamling
- Ange parametrarna inspelning för MEP inspelning - låg och hög passera filter 100 och 1000 Hz, samplingsfrekvens 2 kHz.
- Få baslinjen TMS mätningar med en 90 mm cirkulär TMS spole placerad tangentiellt till skallen över formhörnet med handtaget pekar mot bakhuvud på optimal position och orientering för att producera en Parlamentsledamot i den högra FDI av följande standard protokoll. 26 denna spole position och orientering ska producera en inducerad posterior-till-främre ström över M1.
- Använda en vax-penna för att markera platsen hårbotten när hotspot var att säkerställa att TMS puls leverans sker på samma kortikala region.
- Utföra tjugo prövningar27 i baslinjen singel-pulse (sp) TMS inducerad FDI ledamöter med båda händerna på resten med en intensitet på 120 procent av RMT.
- Utföra tjugo prövningar av baslinjen Parade-pulse TMS åtgärder av M1 kort-intervall intracortical hämning (SICILIAN) i vila med Inter stimulans intervall på 3 ms, 60% * RMT som konditionering puls intensitet och 120% RMT som test puls intensitet att kvantifiera M1 hämmande GABAA-erga interneuronal aktivitet. 28 , 29 , 30 inställd mellan rättegång intervallet för baslinjen mätningar på 6 ± 0,3 sekunder.
4. S-H beteendemässiga uppgift
- Visa racerbil Svensson svar hämning uppgiften på en bildskärm direkt framför motivet. Starta experimentet av första utbildningsämnen på beteendemässiga uppgiften. Tala om för föremål att bilen på vänster sida av skärmen kommer att börja flytta efter knappen trycks av adduktion av dominerande pekfingret (figur 2A).
- Berätta för deltagarna att målet för GO prövningar är att lyfta fingret så nära, men innan de 800 ms inriktade som skildras av en lodrät linje på skärmen. Skärmen visar ”bra jobb” om finger liftar inträffar mellan 700 och 800 ms, annars kommer den att visa antingen ”för tidigt” eller ”försent”. Har deltagaren öva 10 GO prövningar.
- Tillhandahålla utbildning för aktiviteten stopp genom att berätta för deltagarna att den andra uppsättningen av prövningar innebär bilen slumpmässigt stoppa innan målet 800 ms.
- Berätta för barnet att hålla hans pekfinger på knappen utan att lyfta fingret när bilen slutar slumpmässigt. För att lyckas i dessa stopp prövningar, måste fingret förbli på knappen tills en checker flagga ses som är programmerad att visas 1000 ms efter starten av varje prövning. Informera deltagaren att om stoppsignal presenteras och finger lyfts före checker flagg, visas meddelandet ”för tidigt”. Berätta för barnet att en ”stor” meddelande kommer att visas efter framgångsrika STOP prövningar.
- Har barnet öva 10 stopp prövningar.
Obs: Programmet har en dynamisk spårning algoritm. I själva experimentet efter träning sker den första stoppsignal vid 500 ms. om deltagaren inte one STOP rättegång, då nästa stopp rättegången kommer att vara lättare (dvs. stoppa signalen kommer att skifta 50 ms från 800 ms målet). Om stoppa rättegången var framgångsrik, kommer sedan nästa stopp rättegången dock svårare (dvs. stoppa signalen kommer att skifta 50 ms mot målet). Dynamisk spårning processen garanterar att cirka 50% av STOP prövningar i slutet av hela experimentet, kommer att lyckas medan den andra hälften skulle vara misslyckade försök. Stoppsignal är programmerad att justera mellan 300 och 700 ms efter start av rättegång.
- Efter att deltagarna öva endast gå och stopp-bara prövningar, berätta att nästa praktik block innehåller en blandning av gå och stopp prövningar. Har barnet utföra 20 prövningar av blandade GO och stopp som slutliga praxis.
5. online S-H/TMS experiment
- Innan du börjar online S-H/TMS experiment, påminna deltagaren att addukt (tryck ner) dominerande pekfingret för att starta rättegång, att kidnappa (lift off) finger för GO prövningar och hålla fingret på knappen för stopp prövningar. Den pekfinger adduktion valdes för att initiera och upprätthålla bil rörelse under varje prövning eftersom vid tidpunkten för TMS pulserna (figur 2A och 2B), antagonistiska första dorsala interosseous (FDI) muskeln, där EMG ledningen är placerad, skulle vara Vila, vilket minskar sannolikheten för motion artefakt i FDI spårning.
- Tala om för deltagaren att TMS pulser kommer att levereras under aktiviteten Svensson. Instruera föremål att 3 kvarter online Svensson TMS prövningar (3 gå: 1 STOP trial baserat).
Obs: Under GO prövningar, TMS puls är programmerad att levereras på 650 ms efter starten av varje prövning. Denna tidpunkt är ursprungligen valdes utifrån tidigare TMS-studien visar att ökningen i M1 retbarhet förknippas med rörelse förberedelse kan fångas i detta intervall. 10 för stoppa prövningar, TMS puls levereras 150 ms efter stoppsignal. I framgångsrika STOP prövningar, pekfingret inte lyft av knappen därför fångade M1 retbarhet återspeglar kortikal aktivitet relaterad till svar hämning i stället för motor förberedelse eller genomförande. - Placera 90 mm cirkulär spolen över formhörnet använder tidigare vax blyertsmarkering prioriterat stimulera dominerande M1 och ställa konditionering puls intensitet till 60% * RMT och test puls 120% * RMT. Börja online S-H/TMS experimentet. Tid som krävs för barnen till slut 120 prövningar är i allmänhet 30-40 minuter.
6. racerbil Slater-Hammel beteendemässiga Data
- För GO prövningar, avgör reaktionstiden som finger-lift tiden i förhållande till början av varje prövning. Genomsnitt varje block. För stopp prövningar avgör finger-lift tiden framgång, medan bilen stopptid signal (dvs. stoppa Signal dröjsmål. SSD) ligger tidsintervallet från i början av rättegången till den punkt där bilen slutar slumpmässigt. På grund av dynamisk spårning processen konvergerar signal stopptiden mot en ~ 50% framgång Underkänd medelvärde.
- Beräkna den stoppa signalen reaktionstid (SSRT) genom att subtrahera den genomsnittliga bil-stopp-tid från det genomsnittliga finger hiss på GO prövningar (SSRT = genomsnittliga GO reaktionstid – genomsnittlig stopp signal tid [dvs SSD]). Genomsnittliga alla SSD block och beräkna en SSRT för varje block.
7. TMS databehandling
- Kvantifiera TMS under varje rättegång produceras Parlamentsledamot med topp-topp amplitud mätt i millivolt. Utesluta prövningar för rörelse artefakter (EMG områden under kurvan större än 70 mikrovolt över 100 ms) före TMS pulsen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 analysera SSRT med ålder som kovariat tillsammans med sex, webbplats (Cincinnati vs. Baltimore) och rättegång block som oberoende variabler. Interaktioner mellan dessa variabler var också utforskas. Denna analys visade att ålder var den enda variabeln med en betydande effekt på SSRT (p = 0,005).
TMS neurophysiologic data präglades med peak-to-peak MEP amplitud som den beroende variabeln för regressionsanalys. Under rörelse beredning ökar M1 retbarhet innan faktiska rörelse uppstår. TMS studier har visat att denna retbarhet ökning sker 100-140 ms innan muskelkontraktion. 10 , 11 , 31 , 32 i detta Svensson uppgift, tiden mellan TMS puls och finger-lift för framgångsrika STOP prövningar är alltid större än 150 ms (dvs senaste möjliga TMS puls inträffar på 850 ms och finger lift > 1000 ms efter inledande av rättegång). I vår analys är vi intresserade av att jämföra kortikala retbarhet och hämning relaterade till motor svar hämning. Eftersom vi är intresserade av att jämföra alla tre olika uppgift villkor (gå, framgångsrika STOP, misslyckad STOP), Vi analyserade data från prövningar när tiden mellan TMS puls och finger hiss är minst 150 ms eftersom MEP amplitud utanför denna tidsram inte påverkas av rörelse beredning. 10 , 11 , 31 , 32 därför denna tid fördröjning inte ingick i regressionsmodellen som kovariat. För vår regressionsmodell inkluderade vi ålder som kovariat eftersom den påverkar MEP amplitud i barndomen. 33 oberoende klassvariabler för modell ingår sex, webbplats, rättegång block, TMS puls skick (enda-vs. Parade-puls) och rättegång skick (gå, framgångsrika STOP, misslyckad STOP). Primära interaktionen av intresse är mellan TMS puls skick och rättegång skick eftersom vi är intresserade av hur M1 retbarhet (singel-pulse TMS) och hämning (Parade-pulse TMS) skiljer sig mellan olika aktivitetsvillkor.
För MEP amplituder var oberoende variablerna kön, plats och rättegång block inte betydande i regressionsmodellen. Ålder var inte signifikant som kovariat i regressionsmodellen (p = 0,28). TMS puls skick (p < 0,0001) och dess samspel med rättegång skick (p = 0,009) var betydande. Figur 3 visar representant neurophysiologic data i olika prov förhållanden med hjälp av minsta kvadratmetoden menar uppskattningar beräknas från regressionsmodellen med felstaplar som representerar standard fel. Alla parvisa jämförelser av singel-pulse MEP amplituder mellan de tre uppgift villkor var obetydlig (falsk upptäckten hastighet [FDR] justerat p > 0,05). Men för de hämmande Parade-pulse parlamentsledamöterna, skillnaderna mellan gå misslyckades STOP (FDR justerat p = 0,009) och framgångsrika vs. misslyckad STOP (FDR justerat p = 0,03) var betydande. Jämförelse av Parade-pulse MEP amplituder mellan GO och framgångsrika STOP prövningar var inte signifikant (FDR justerat p = 0,56).
Figur 1: Hand- och finger position under racerbil Svensson uppgift. Båda händerna är vilade på kudden. Dominerande pekfinger förlängs och vilar på en spelenhet-knappen. Adduktion av dominerande pekfingret trycker ned knappen och aktiverar varje prövning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Rättegång scheman.
(A) gå rättegång Schematisk. Dominerande pekfinger adduktion på en knapp aktiveras bilen att röra sig över skärmen. Deltagarna förväntas lyfta fingret mellan 700-800 ms efter start av rättegången att stoppa bilen nära men innan målet 800 ms. TMS puls ges på 650 ms efter rättegång debut.
(B) insprängda bland GO prövningar är STOP prövningar under vilken deltagarna instruerades att förhindra finger-lift svar på stoppsignal (dvs bil plötsligt stannar vid någon tidpunkt innan det 800 ms varumärket). TMS pulser levererades 150 ms efter stoppsignal. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. MEP amplituder under racerbil Svensson uppgift. MEP amplituder (angiven i millivolt) för M1 singel - och Parade-pulse TMS mätningar är ritade för olika villkor för denna online S-H/TMS uppgift (gå, framgångsrika stopp, misslyckades stopp). Minsta kvadrat medelvärde uppskattningar beräknas från regressionsanalysen användes för denna siffra. Felstaplar representera standardfel beräknas från regressionsmodellen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 uppgift för att Visa skillnader i kortikal fysiologi hos barn och vuxna. 14 , 23 , 34 dock GNG uppgift bör helst utföras på en relativt snabb takt för att framkalla prepotent motor reaktion i hela uppgiften så att hämmande kontroll kan undersökas på lämpligt sätt i Nogo prövningar. 35 , 36 ur metodologisk synvinkel, en fartfylld GNG uppgift åläggs svårigheter för online fTMS experiment som enheten kondensatorer kräver tid att ladda för nästa stimulering pulsen. Till exempel behöver vår monofasiska puls genererar TMS enhet minst ett inter rättegång intervall på 4 sekunder vilket begränsar fartfylld online TMS/GNG experiment. Dessutom kan underliggande neuropsykiatrisk eller utvecklingsmässiga störningar påverka barns förmåga att slutföra en fartfylld GNG uppgift. En funktion av Slater-Hammel uppgiften är att det är självstudier och således möjliggör integrering av TMS att genomföra online fysiologiska mätningar. 16 Coxon et al. brukade en online fTMS/clockhand Svensson uppgift hos friska vuxna visar att kortikala hämning, mätt som SICILIAN, är mer robust under stopp än GO prövningar. En separat online fTMS/SST studie visade liknande resultat i att M1 retbarhet minskar betydligt efter stopp cue i framgångsrika STOP prövningar. 15 Jämfört med de Coxon fTMS/S-H protokoll16, gjorde vi två väsentliga ändringar. Först, vi skapat den ”racerbil” versionen av S-H stopp signal uppgift som är mer engagerande för pediatric deltagare. Med denna design, vanligtvis utveckla barn (figur 3) och de med ADHD kunde (opublicerade data) slutföra minst 120 prövningar. Den andra funktionen som vi byggt in i online fTMS/S-H-uppgiften är dynamisk spårning algoritmen att justera timingen för stoppsignal sådan att stoppa rättegången framgång är ~ 50% i slutet av hela experimentet. Detta är viktigt eftersom det tillåter jämförelser av kortikala hämning under framgångsrika vs. misslyckade stoppa prövningar och eliminerar också uppgift prestanda som en förbryllande variabel.
Singel-pulse prövningar i detta protokoll kan studiet av kortikala upphetsning under rörelse beredning. Dock i samband med aktiviteten stopp signal svar hämning är vi också intresserade av att kvantifiera M1 SICILIAN under STOP prövningar. För SICILIAN kvantifiering, den subthreshold konditionering puls stimulering intensitet är en viktig experimentella parameter. Tidigare studier har dokumenterat dosering effekten av konditionering puls intensitet på SICILIAN. 37 , Dessa studier visar 38 och som en starkare luftkonditionering puls framkallar mer djupgående SICILIAN. Vårt laboratorium används emellertid historiskt 60% * RMT som konditionering puls intensitet att upptäcka SICILIAN skillnader i pediatrisk fall-kontrollstudier TMS. 19 , 20 eftersom denna konditionering puls intensitet väcker också betydande M1 SICILIAN29, vi använde 60% * RMT för konditionering pulse i uppgiften fTMS/Svensson.
En annan faktor att beakta i SICILIAN kvantifiering är singel-pulsen inducerad MEP amplitud. Den genomsnittliga singel-inducerad MEP pulsamplitud används som nämnare för beräkning av SICILIAN förhållandet. Denna baslinje amplitud är beroende av olika stater såsom vila, motor observation/bildspråk, motor förberedelse samt test puls stimulering intensitet. 10 , 39 , 40 i detta online fTMS/S-H-uppgift, MEP amplituder är vanligtvis 3 till 4 gånger större under aktiviteten jämfört med baslinjen resten skick (inga data anges). I den ursprungliga SICILIAN studie28uppgav författarna att SICILIAN är mindre med en starkare test stimulans. Rådata som styrker denna slutsats kunde dock inte visas i manuskriptet. Senare studier har undersökt en rad baslinjen resten MEP amplituder (0.2, 1 och 4 mV) och visade att baslinjen MEP amplituden inte påverkade SICILIAN. 41 , 42 en annan studie undersökte effekterna av motoriska tillstånd (resten, ipsilaterala/kontralaterala isometriska kontraktioner) och testa puls stimulering stödnivåer (90-150% * RMT) på Sicilien. 37 SICILIAN är mindre under isometrisk finger kontraktion och varierade beroende på test puls stimulering intensitet. Dock identifiera upprepas-åtgärder ANOVA inte en statistiskt signifikant interaktion mellan tillstånd och test puls stimulering intensitet. Post-hoc analys visade att SICILIAN under kontralaterala isometrisk kontraktion var betydande för en rad test puls stimulering stödnivåer (110, 120, 130 och 140% av RMT). På grund av naturligt höga motor trösklar i barn33är det perfekt för att hålla test puls intensitet så låg som möjligt på grund av potentiella TMS maskinvarubegränsningar och deltagarnas komfort. Av dessa skäl valde vi 120% * RMT som test puls intensitet. Denna online S-H/TMS uppgift kan dock tillämpas till ännu yngre barn var vi till lägre test puls intensitet på 105-110% * RMT för framtida experiment.
En potentiell begränsning av detta protokoll är att starkare, starkare TMS pulser för barn kan påverka deras Svensson uppgift prestanda. Det är också möjligt att den genomsnittliga ökad intensiteten av TMS pulserna kan störa kortikala kretsar så att svar hämning påverkas. En annan möjlighet är att starkare pulsen är högre och kunde distrahera barnen under aktiviteten. Detta kan testas genom att åter göra Slater-Hammel uppgiften med TMS pulser levereras vid liknande intensitet över en region som inte är inblandade i motoriskt svar hämning framtida experiment, eller använda en sham TMS spole. En annan begränsning är det låga antalet stopp prövningar. Denna fTMS uppgift kräver deltagarna att slutföra 120 prövningar av dessa endast 30 är STOP prövningar. Vår algoritm för dynamisk spårning bör resultera i en ~ 50% framgång; Därför finns det endast 15 framgångsrika och 15 misslyckade studier för analys. Om betydande rörelse artefakt upptäcks i några av dessa prövningar, sedan spåra ingår inte för analys och statistisk power minskas. Detta är troligen sant om data representeras varje individs genomsnittliga MEP amplitud för varje prov (resten, GO, stopp). Med en upprepad åtgärder statistisk modell som uppskattar rättegång-typ ledamöter baserat på alla studier som vi gjort, kan möjliggöra mer meningsfulla resultat.
Sammanfattningsvis har vi utvecklat en noninvasiv, väl tolererad och interaktiv metod för att kvantifiera kortikala hämning för att upptäcka skillnader under svar hämning uppgift. Detta kan tillämpas utöver neuropsykiatriska tillstånd att studera kortikala hämning hos barn. Det finns många metoder att expandera på detta fTMS protokoll. Nyligen genomförda studier har använt tvåspolig Parade-pulse TMS paradigm för att studera kortikala anslutning under beteendemässiga uppgift hos vuxna. 43 , 44 med neuronavigation, kan detta tillvägagångssätt förlängas till den pediatriska populationen att undersöka effekterna av prefrontala noder på svar hämning. Repetitive TMS (rTMS) ger en annan möjlighet att modulera regioner i hjärnan som är kritiska för hämning av motor svaren. 43 , 45 , 46 dessutom en annan potentiell framtida tillämpning är att kombinera detta protokoll med samtidiga EEG att kvantifiera TMS-framkallat kortikala potentialer i icke-M1 regioner47 att karakterisera kortikal fysiologi är associerad med motoriska respons hämning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Denna studie var finansierad av National Institute of Mental Health (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 |
References
- 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).
- Barkley, R. A. Response inhibition in attention-deficit hyperactivity disorder. Ment Retard Dev Disabil Res Rev. 5 (3), 177-184 (1999).
- 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).
- 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).
- Slater-Hammel, A. T. Reliability, accuracy, refractoriness of a transit reaction. Research Quarterly. 31 (2), 217-228 (1960).
- 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).
- 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).
- Logan, G. D. Toward an instance theory of automatization. Psychol Rev. 95 (4), 492-527 (1988).
- Schneider, W., Shiffrin, R. M. Controlled and Automatic Human Information Processing: I. Detection, Search, and Attention. Psychol Rev. 84 (1), 1-66 (1977).
- 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).
- Yamanaka, K., et al. Human cortical activities during Go/NoGo tasks with opposite motor control paradigms. Exp Brain Res. 142 (3), 301-307 (2002).
- 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).
- 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).
- Fujiyama, H., Tandonnet, C., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability during a Go/NoGo task. Psychophysiology. 48 (10), 1448-1455 (2011).
- 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).
- Coxon, J. P., Stinear, C. M., Byblow, W. D. Intracortical inhibition during volitional inhibition of prepared action. J Neurophysiol. 95 (6), 3371-3383 (2006).
- Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. , (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kratz, O., et al. Effects of methylphenidate on motor system excitability in a response inhibition task. Behav Brain Funct. 5, 12 (2009).
- 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).
- 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).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clin Neurophysiol. 122 (8), 1686 (2011).
- Mills, K. R., Nithi, K. A. Corticomotor threshold to magnetic stimulation: normal values and repeatability. Muscle & Nerve. 20 (5), 570-576 (1997).
- 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).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
- Orth, M., Snijders, A. H., Rothwell, J. C. The variability of intracortical inhibition and facilitation. Clin Neurophysiol. 114 (12), 2362-2369 (2003).
- Ziemann, U. TMS and drugs. Clin Neurophysiol. 115 (8), 1717-1729 (2004).
- 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).
- 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).
- Garvey, M. A., et al. Cortical correlates of neuromotor development in healthy children. Clin Neurophysiol. 114 (9), 1662-1670 (2003).
- 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).
- Wessel, J. R. Prepotent motor activity and inhibitory control demands in different variants of the go/no-go paradigm. Psychophysiology. , (2017).
- 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).
- 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).
- Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. J Neurophysiol. 80 (6), 2870-2881 (1998).
- 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).
- 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).
- Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
- 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).
- Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. Cerebellum. 15 (6), 680-687 (2016).
- Picazio, S., et al. Prefrontal control over motor cortex cycles at beta frequency during movement inhibition. Curr Biol. 24 (24), 2940-2945 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
