Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

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

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

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 motorstyring15,16 og nevropsykiatriske forhold17,18, 19,20.

Tidligere fTMS studier har utforsket kortikale mekanismer for svar hemming i friske voksne bruker GNG14 og SST oppgaver15,16,21. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 introduksjon

  1. Skjermen fag for TMS contraindication(s) ved hjelp av et standardisert spørreskjema. 25
  2. Vise hvordan TMS fungerer ved å levere en magnetisk puls over operatørens egen underarmen.
  3. Levere en TMS puls over deltakerens underarmen slik at han/hun kan føle pulsen.
  4. Sett øreplugger i deltakerens ører for hørselsvern.

2. overflate EMG føre oppsett og hånd posisjonering

  1. Har emnet bortføre dominerende pekefingeren for å identifisere den første dorsal interosseous muskelen (FDI). Plasser negative elektroden over magen på FDI, og plasser den positive elektroden mellom 2nd og 3rd metacarpophalangeal (MCP) ledd og bakken elektroden over 5th MCP felles.
  2. Plasser deltakerens hender med ulnar aspekter av både armene og hendene hviler helt på en pute, med ingen anti-gravitasjon innsats som kreves (figur 1).
  3. Har deltakeren utvide dominerende pekefingeren mens tredje femtedel fingrene er flexed. Deretter brukes sted en spillkontroller pad på puten slik at pekefingeren hviler på knappen for racecar l oppgave. Begrunnelsen for dette hånd posisjon er at handlingen gå krever aktivering av FDI å løfte pekefingeren av. Derfor vil opptak EMG sporing av den dominerende FDI undersøke M1 excitability og hemming for gå og stoppe studier henholdsvis.

3. planlagte TMS datainnsamling

  1. Sett av opptaket parameterne for MEP opptak - lav og høy passerer filtre av 100 og 1000 Hz, samplingsfrekvens 2 kHz.
  2. Få opprinnelige TMS mål med en 90 mm runde TMS coil plassert tangentially til skallen over toppunktet med håndtaket peker mot bakhodet optimal posisjon og retning for å produsere en MEP i den høyre FDI av følgende standard protokollen. 26 dette coil posisjon og retning skal produsere en indusert bakre til fremre strøm over M1.
    1. Bruk voks blyant for å markere hodebunnen plasseringen når hotspot var plassert for å sikre at TMS puls levering skjer på samme kortikale området.
  3. Utføre tjue forsøk27 av planlagte single-puls (sp) TMS indusert FDI MEPs med begge hender i ro med en intensitet av 120% av RMT.
  4. Utføre tjue studier av planlagte sammen-puls TMS tiltak av M1 kort-intervall intracortical hemming (SICI) i ro med Inter stimulans intervall med 3 ms, 60% * RMT som condition puls intensiteten og 120% RMT som test puls intensiteten å kvantifisere M1 hemmende GABAA-ergic interneuronal aktivitet. 28 , 29 , 30 satt Inter prøve intervallet for planlagte målinger på 6 ± 0,3 sekunder.

4. S-H opptreden oppgave

  1. Vise Racecar S-H svar hemming oppgaven på en skjerm rett foran emnet. Start eksperimentet av første trening fag på aktiviteten opptreden. Ell faget at bilen på venstre side av skjermen vil begynne å flytte når knappen trykkes av Adduktion av dominerende pekefingeren (figur 2A).
  2. Fortelle deltakerne at målet for gå forsøk er å løfte fingeren så nær, men før 800 ms målrette avbildet med en loddrett linje på skjermen. Skjermen vil vise "God jobb" Hvis finger heiser mellom 700 og 800 ms, ellers den ville utfoldelse "For tidlig" eller "For sent". Har deltakeren praksis 10 gå prøvelser.
  3. Gi opplæring på aktiviteten stopp ved å fortelle deltakerne at det andre settet av prøvelser innebærer bilen tilfeldig stoppe før 800 ms målet.
    1. Fortell barnet å holde pekefingeren på knappen uten å løfte fingeren når bilen tilfeldig stopper. For å lykkes i disse stopp, må finger forbli på knappen før et kontrolløren flagg er sett som er programmert til å vises 1000 ms etter starten av hvert forsøk. Informere deltakerne at hvis stopp signalet er presentert og fingeren er løftet før flagget kontrolløren, en "For tidlig" melding vises. Fortell barnet at en "Stor" melding vises etter vellykkede stopp forsøk.
    2. Har barnet praksis 10 stopp prøvelser.
      Merk: Programmet har en dynamisk sporing algoritme. I faktiske forsøket etter trening skjer første stopp signalet på 500 ms. hvis deltakeren ikke består en STOP trial, så neste stopp rettssaken vil være lettere (dvs. stopp signalet vil skifte 50 ms fra 800 ms målet). Men hvis stopp rettssaken var vellykket, vil så neste stopp rettssaken være vanskeligere (dvs. stopp signalet vil skifte 50 ms mot målet). Dynamisk sporing prosessen sikrer at ved slutten av hele eksperimentet, ca 50% av stopp vil være vellykket mens den andre halvparten skulle mislykkede forsøk. Stopp signalet er programmert til å justere mellom 300 og 700 ms etter rettssaken.
  4. Når deltakerne praksis bare gå og stopp-bare forsøk, Fortell dem at neste praksis blokk inneholder en blanding av farten og stopp forsøk. Har barnet utføre 20 forsøk av blandet GO og stopp som endelige praksis.

5. online S-H/TMS eksperiment

  1. Før du starter online S-H/TMS eksperiment, minne deltakeren å adduct (Trykk ned) dominerende pekefingeren å starte rettssaken, å bortføre (løft av) finger for gå forsøk og holde finger på knappen for Stopp forsøk. Pekefinger Adduktion ble valgt til å starte og vedlikeholde bil bevegelse under hvert forsøk fordi på tiden av TMS-pulser (figur 2A og 2B), antagonistiske første dorsal interosseous (FDI) muskler, der EMG ledelsen er plassert, ville være hvile, dermed redusere sannsynligheten for bevegelse gjenstand i FDI sporing.
  2. Fortelle deltakeren at TMS pulser vil bli levert i løpet av l aktiviteten. Instruere emnet at det vil være 3 kvartaler fra online S-H TMS forsøk (3 gå: 1 stopp prøve ratio).
    Merk: Under gå prøvelser, TMS puls er programmert til å bli levert på 650 ms etter starten av hvert forsøk. Denne tidsangivelsen er opprinnelig valgt basert på tidligere TMS studie viser at økningen i M1 excitability forbundet med bevegelse forberedelse kan fanges i dette området. 10 stoppe prøvelser, TMS puls leveres 150 ms etter stopp signalet. I vellykkede stopp forsøk løfter pekefingeren av derfor fanget M1 excitability gjenspeiler kortikale aktivitet knyttet til svar hemming i stedet for motor forberedelse eller kjøring.
  3. Plasser 90 mm runde spolen over toppunktet bruker tidligere voks blyant merke fortrinnsvis stimulere dominerende M1 og angi condition puls intensiteten til 60% * RMT og test puls til 120% * RMT. Starte online S-H/TMS eksperimentet. Tidsbruken barna å fullføre 120 forsøk er vanligvis 30-40 minutter.

6. racecar Slater-Hammel atferdsdata

  1. GÅ prøvelser, bestemme reaksjonstid som finger-heis i forhold til begynnelsen av hvert forsøk. Gjennomsnittlig hver blokk. Stopp prøvelser avgjør finger-lift tiden suksess, mens bilen stopp signal (i.e. stoppe Signal forsinkelse; SSD) er tidsintervallet fra starten av rettssaken til et punkt der bilen tilfeldig stopper. På grunn av dynamisk sporing prosessen konvergerer signalet stopptiden mot en ~ 50% suksess/ikke bestått gjennomsnitt.
  2. Beregne stoppe Signal reaksjonstid (SSRT) ved å trekke bilen-stop Gjennomsnittstid fra gjennomsnittlig finger heis tiden på farten forsøk (SSRT = gjennomsnittlig gå reaksjonstid-gjennomsnittlig signal stopptiden [dvs SSD]). Gjennomsnittlig alle SSD av blokken og beregne en SSRT for hver blokk.

7. TMS databehandling

  1. Kvantifisere TMS under hver prøveversjon produsert en MEP bruke topp-peak amplitude målt i millivolt. Utelukke forsøk for bevegelse gjenstander (EMG områder under kurven større enn 70 mikrovolt over 100 ms) før TMS pulsen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 justering kovariat sex, stedet (Cincinnati vs Baltimore) og prøve blokk som uavhengige variablene. Interaksjoner mellom disse variablene ble også undersøkt. Denne analysen viste at alder var den eneste variabelen med en betydelig effekt på SSRT (p = 0.005).

TMS neurophysiologic dataene ble preget med topp-til-peak MEP amplituden som den avhengige variabelen for regresjonsanalyse. Under bevegelsen forberedelse øker M1 excitability før faktiske bevegelsen. TMS studier har vist at excitability økningen skjer 100-140 ms før muskel sammentrekning. 10 , 11 , 31 , 32 i denne S-H oppgaven tiden mellom TMS puls og finger-lift for vellykket stopp forsøk er alltid større enn 150 ms (dvs. siste mulig TMS puls skjer på 850 ms og finger heis oppstår > 1000 ms etter initiering av rettssaken). I vår analyse er vi interessert i å sammenligne kortikale excitability og hemming knyttet til motor svar hemming. Siden vi er interessert i å sammenligne alle tre forskjellige oppgave betingelser (gå, vellykket stopp, mislyktes STOP), vi analyserte data fra forsøk når tiden mellom TMS puls og fingeren er minst 150 ms fordi MEP amplituden utover denne tidsrammen ikke påvirkes av bevegelse forberedelse. 10 , 11 , 31 , 32 derfor denne tiden ventetid ble ikke inkludert i regresjonsmodellen som en justering kovariat. Våre regresjonsmodell inkludert vi alder som en justering kovariat fordi det påvirker MEP amplituden i barndommen. 33 uavhengig klassevariabler for modell inkludert sex, området, prøve blokk, TMS puls tilstand (enkelt-g. sammen-puls) og prøve tilstand (gå, vellykket stopp, mislykkede stopp). Primære samspillet av interesse er mellom TMS puls tilstand og prøve tilstand fordi vi er interessert i hvordan M1 excitability (single-puls TMS) og hemming (sammen-puls TMS) varierer mellom ulike oppgave forhold.

For MEP amplituder var uavhengige variablene sex, område og prøve blokk ikke betydelig i regresjonsmodellen. Alderen var ikke signifikant som en justering kovariat i regresjonsmodellen (p = 0.28). TMS puls tilstand (p < 0,0001) og dets interaksjon med prøve tilstand (p = 0,009) var betydelig. Figur 3 viser representant neurophysiologic data i ulike prøve forhold ved hjelp av minste kvadraters betyr estimater beregnes fra regresjonsmodellen med feilfelt representerer standardfeil. Alle pair-wise sammenligninger av enkelt-puls MEP amplituder mellom tre forholdene var ubetydelig (false oppdagelsen rate [FDR] justert p > 0,05). Men for hemmende sammen-puls parlamentet, forskjellene mellom gå vs mislyktes STOP (FDR justert p = 0,009) og vellykket vs mislyktes STOP (FDR justert p = 0,03) var betydelig. Sammenligning av sammen-puls MEP amplituder mellom gå og vellykkede stopp forsøk var ikke signifikant (FDR justert p = 0,56).

Figure 1
Figur 1: hånd og finger posisjon under racecar S-H oppgave. Begge hendene er hvilte på puten. Dominerende pekefingeren er utvidet og hviler over en knapp på spillkontrolleren. Adduktion av dominerende pekefingeren presser knappen og aktiverer hvert forsøk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Prøve skjema.
(A) gå prøve skjematisk. Dominerende pekefingeren Adduktion på en knapp aktiverer bilen å bevege over skjermen. Deltakerne er forventet å løfte fingeren mellom 700-800 ms etter start av rettssaken å stoppe bilen nær men før 800 ms målet. TMS puls gis på 650 ms etter rettssaken utbruddet.
(B) ispedd blant gå forsøk er stopp studier der deltakerne ble bedt om å hindre finger-lift svar på et stopp signal (i.e. bil plutselig stopper på et tidspunkt før 800 ms merket). TMS pulser leverte 150 ms etter stopp signalet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. MEP amplituder under racecar S-H oppgave. MEP amplituder (i millivolt) for M1 enkelt - og sammen-pulse TMS målinger tegnes for ulike forhold av online S-H/TMS oppgaven (gå, vellykket stopp, ikke stopp). Minste kvadraters mener anslag beregnet fra regresjonsanalysen ble brukt for dette tallet. Feilfelt representerer standardfeil beregnet fra regresjonsmodellen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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. 14 , 23 , 34 men GNG aktivitet bør ideelt gjennomføres på en relativt rask til å lokke fram prepotent motor svar for aktiviteten slik at hemmende kontroll kan undersøkes tilstrekkelig Nogo forsøk. 35 , 36 fra metodologiske ståsted, en fartsfylt GNG aktivitet pålegger vanskeligheter for online fTMS eksperimenter som enheten kondensatorer krever tid å lade opp på neste stimulering pulsen. For eksempel trenger våre monophasic puls generere TMS enheten minst en Inter prøve intervall på sekunder dermed begrense fartsfylte online TMS/GNG eksperimenter. Videre kan underliggende nevropsykiatriske eller utviklingsmessige lidelser påvirke barns evne til å utføre raske GNG. En funksjon av Slater-Hammel oppgaven er at det er tempo og dermed tillater integrering av TMS å gjennomføre online fysiologiske målinger. 16 Coxon et al. brukt en online fTMS/clockhand S-H oppgave i friske voksne viser at kortikale hemming, målt ved SICI, er mer robust under stopp enn gå prøvelser. En egen online fTMS/SST studie viste lignende resultater i at M1 excitability synker betydelig etter stopp stikkordet vellykket stopp forsøk. 15 Sammenlignet med Coxon fTMS/S-H-protokollen16, gjorde vi to betydelige endringer. Først laget vi "racecar" versjonen av l stopp signal oppgave som er mer engasjerende for pediatric deltakere. Bruke denne design, typisk utvikle barn (Figur 3), og de med ADHD kunne (upubliserte data) fullføre minst 120 prøvelser. Den andre funksjonen vi bygget inn online fTMS/S-H oppgaven er dynamisk sporing algoritmen justere timing stopp signal slik at stopp prøve suksessraten er ~ 50% på slutten av hele eksperimentet. Dette er viktig fordi det tillater sammenligninger av kortikale hemming under vellykket vs mislykket stoppe prøvelser og eliminerer oppgave ytelse som en forvirrende variabel.

Single-puls studier i denne protokollen at studiet av kortikale excitability under bevegelse forberedelse. Men i sammenheng med aktiviteten stopp signal svar hemming er vi også interessert i kvantifisere M1 SICI under stopp prøvelser. For SICI kvantifisering, den subthreshold condition puls stimulering intensitet er en viktig eksperimentelle parameter. Tidligere studier har dokumentert dosering effekten av condition pulsen intensitet på SICI. 37 , 38 disse studiene viser at en sterkere condition puls utløser dypere SICI. Men vårt laboratorium historisk brukt 60% * RMT som condition puls intensiteten å oppdage SICI forskjeller i pediatric case-kontroll TMS studier. 19 , 20 siden dette condition puls intensiteten utløser også betydelig M1 SICI29, vi brukt 60% * RMT for condition puls i denne fTMS/S-H-oppgaven.

En annen faktor å vurdere i SICI kvantifisering er enkelt-pulsen indusert MEP amplitude. Gjennomsnittlig single-puls indusert MEP amplituden brukes som nevner for beregning av SICI-forholdet. Denne planlagte amplituden er avhengig for forskjellige stater som resten, motor observasjon/bilder, motor forberedelse samt test puls stimulering intensitet. 10 , 39 , 40 i denne online fTMS/S-H oppgaven MEP amplituder er vanligvis 3 til 4 ganger større i løpet av aktiviteten i forhold til grunnlinjen resten betingelse (data ikke vist). I de opprinnelige SICI studie28uttalte forfatterne at SICI er mindre med en sterkere test stimulans. Men ble rå data som støtter denne konklusjonen ikke vist i manuskriptet. Studier har undersøkt en rekke planlagte resten MEP amplituder (0,2, 1 og 4 mV) og viste at planlagte MEP amplituden ikke påvirke SICI. 41 , 42 en annen studie undersøkte effekten av motor tilstand (resten, ipsilateral/kontralateral isometrisk sammentrekninger) og test puls stimulering intensiteter (90-150% * RMT) på SICI. 37 SICI er mindre under Isometrisk finger sammentrekning og variert avhengig av testen puls stimulering intensitet. Men identifiserer gjentatt-tiltak ANOVA ikke en statistisk signifikant interaksjon mellom tilstand og test puls stimulering intensitet. Post-hoc analyse viste at SICI under kontralateral isometrisk kontraksjon var viktig for en rekke test puls stimulering intensiteter (110, 120, 130 og 140% av RMT). Fordi naturlig høye motor terskler barn33er det ideelt å holde test puls intensiteten så lav som mulig på grunn av potensielle TMS maskinvarebegrensninger og deltakernes komfort. For disse grunner, vi valgte 120% * RMT som test puls intensiteten. Men online S-H/TMS oppgaven kan gjelde enda yngre barn var vi til lavere test puls intensiteten 105-110% * RMT for senere eksperimenter.

En potensiell begrensning av denne protokollen er at sterkere, høyere TMS pulser nødvendig for barn kan påvirke resultatene deres S-H-oppgave. Det er også mulig at gjennomsnittlig økt intensiteten av TMS-pulser avbryte kortikale kretser slik at svaret hemming påvirkes. En annen mulighet er at sterkere pulsen er høyere og kan distrahere barn under oppgaven. For senere eksperimenter, dette kan testes av re gjør Slater-Hammel vervet med TMS pulser levert på lignende innhold over en region ikke involvert i motor svar hemming, eller bruke en humbug TMS coil. En annen begrensning er lavt antall stopp forsøk. FTMS oppgaven krever deltakerne å fullføre 120 prøvelser, av disse bare 30 stopp prøvelser. Vår dynamisk sporing algoritme skal resultere i en ~ 50% suksessrate; Derfor er det bare 15 vellykket og 15 mislykkede forsøk for analyse. Hvis betydelig bevegelse gjenstand er funnet i noen av disse rettssaker, så sporing er ikke inkludert til analyse og statistisk styrke er redusert. Dette er trolig sanne Hvis dataene er representert som enkeltes mener MEP amplitude for hver prøveversjon (resten, gå, stopp). Bruke gjentatte measures statistiske modell som estimerer prøveversjon-type MEPs basert på alle forsøk, slik vi har gjort, kan tillate mer meningsfulle resultater.

I konklusjonen, utviklet vi en noninvasive, godt tolerert og interaktiv metode for kvantifisere kortikale hemming å oppdage forskjeller i svaret hemming oppgave. Dette kan brukes videre nevropsykiatriske betingelser for å studere kortikale hemming hos barn. Det finnes mange metoder for å utvide på denne fTMS protokollen. Nyere studier har brukt to-coil sammen-puls TMS paradigmer for å studere kortikale tilkobling under opptreden oppgave i voksne. 43 , 44 bruker neuronavigation, kan denne utvides til pediatric befolkningen å undersøke effekten av prefrontal noder på svar hemming. Repeterende TMS (rTMS) gir et annet alternativ å modulere områder av hjernen som er avgjørende for hemming av motor svar. 43 , 45 , 46 dessuten en annen potensiell fremtidig program er å kombinere denne protokollen med samtidige EEG å kvantifisere TMS-utløste kortikale potensialer ikke-M1 regioner47 å karakterisere kortikale fysiologi forbundet med motor svar hemming.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne studien ble finansiert 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

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

Nevrovitenskap problemet 132 Transkraniell magnetisk stimulering svar hemming stoppe signal oppgave kortikale hemming kort intervall intracortical hemming barn
Online Transkraniell magnetisk stimulering protokollen for å måle kortikale fysiologi tilknyttet svar hemming
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