Summary
Se describe un procedimiento experimental para cuantificar la excitabilidad e inhibición de la corteza de motor primaria durante una tarea de inhibición de la respuesta de motor mediante el uso de la estimulación magnética transcraneal en el curso de una tarea de señal de parada.
Abstract
Describimos el desarrollo de una tarea de inhibición de respuesta motor niños reproducible, adecuado para la caracterización de estimulación magnética transcraneal (TMS) en línea de excitabilidad de la corteza motora primaria (M1) y la inhibición. Inhibición de la respuesta de motor impide acciones indeseadas y es anormal en algunas afecciones neuropsiquiátricas. TMS es una tecnología no invasiva que puede cuantificar M1 excitabilidad e inhibición mediante protocolos de pulso único y emparejado y puede ser programada precisamente a estudiar fisiología cortical con alta resolución temporal. Modificamos la tarea original de la señal de la parada de Slater-Hammel (C-S-H) para crear una versión de "carreras" con pulsos de EMT acontecimientos tiempo-bloqueada a la prueba. Esta tarea es, con cada iniciación de juicio después de un empuje de botón para mover el coche de carreras hacia la meta de 800 ms. IR los ensayos requieren un dedo-lift para parar el coche de carreras antes de este objetivo. Intercaladas al azar hay parada de ensayos (25%) durante el cual la señal de parada dinámicamente ajustado solicita temas para prevenir la elevación de dedos. Los ensayos van, TMS pulsos fueron entregados en 650 ms después del inicio del juicio; Considerando que, para detener los ensayos, los pulsos de EMT ocurrieron 150 ms después de la señal de parada. Los tiempos de los impulsos de TMS eran decididos en base en estudios de electroencefalografía (EEG) que muestran cambios relacionados con el evento en estos intervalos de tiempo durante las tareas de señal de parada. Esta tarea se estudió en 3 bloques en dos sitios de estudio (n = 38) y se registraron el rendimiento conductual y potenciales acontecimiento-relacionados de motor evocado (MEP). Modelos de regresión se utilizaron para analizar amplitudes MEP utilizando la edad como covariable con varias variables independientes (sexo, estudio de sitio, bloque, pulso TMS [solo-vs junto-pulso], prueba condición [GO, exitosa parada, error STOP] de la condición). El análisis mostró que TMS de pulso condición (p < 0.0001) y su interacción con la condición de ensayo (p = 0,009) fueron significativas. Futuras aplicaciones de este paradigma S-H/TMS en línea incluyen la adición de adquisición simultánea de EEG para medir potenciales de TMS-evocados EEG. Una limitación potencial es que en los niños, el sonido del pulso TMS puede afectar su rendimiento de tarea conductual.
Introduction
Inhibición de respuesta es la habilidad para selectivamente prevenir acciones no deseadas que pueden interferir con los objetivos funcionales. 1 la red cortico-estriatal está implicada críticamente en inhibición de respuesta, que progresivamente se vuelve más eficiente como hijos maduros pero está deteriorada en los numerosas afecciones neuropsiquiátricas tales como trastorno de hiperactividad de déficit de atención) TDAH), trastornos, trastorno obsesivo compulsivo y esquizofrenia de aprendizaje. 2 , 3 inhibición de la respuesta de motor puede ser examinada con diferentes paradigmas conductuales como tareas Go/NoGo (GNG) y señal de parada (SST). 1 , 4 datos conductuales solo no proporcionan información sobre los mecanismos biológicos potencialmente modificables, cuantificables. El objetivo primordial en el presente estudio fue desarrollar un método amigable del niño para evaluar la fisiología de la corteza motora durante la ejecución de inhibición de respuesta, con el fin de desarrollar un biomarcador cuantitativo basado en el cerebro del sustrato neural de esta tarea. Estos biomarcadores podrían tener amplia aplicación en los estudios predictivos de pronóstico o tratamiento de los trastornos neuroconductuales.
Para ello, los investigadores seleccionan y modificación la tarea de Slater-Hammel (C-S-H)5. Esta es una tarea de señal de parada que requiere que los participantes inhibir una acción preprogramada generada internamente. Esta tarea al propio ritmo consiste en ensayos de marcha y parada. Ensayos IRÁS son iniciados por el tema pulsando y manteniendo la presión sobre un botón, con la instrucción de levantar el dedo del botón (es decir, acción de ir) como a pero antes de la meta de 800 ms. En el paradigma original, se indica tiempo en un reloj con una mano rota rápidamente. Ensayos de parada al azar se entremezclan entre los ensayos de ir durante el cual la persona debe inhibir la acción de ir previamente planificada (es decir, prevenir la elevación del dedo). La tarea de la señal de stop es más difícil porque los temas tienen que inhibir una respuesta en el contexto de una señal de ir previamente programado, mientras que en la tarea GNG, la decisión es si iniciar o no iniciar una acción con ningún comando previo. 6 por otra parte, puede ser más preciso para investigar la inhibición de respuesta mediante tareas de señal de parada porque en la tarea GNG, correlaciones consistentes entre señales y respuestas pueden resultar en inhibición automática. 7 inhibición automática es la teoría que constante mapeo entre señal y respuesta (es decir, señal de ir siempre resulta en una respuesta GO y viceversa) conduce a un procesamiento automático a través del curso del experimento tal que los ensayos de parada parcialmente procesados a través de la recuperación de la memoria y omite algunos controles ejecutivos. 8 , 9
La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una tecnología no invasiva que puede utilizarse para medir la fisiología cortical. Utilizando paradigmas de estimulación de pulso único y emparejados, uno puede cuantificar la inhibición y la excitabilidad cortical. Aunque más estudios TMS investigar fisiología cortical en reposo, algunos grupos han examinado la inhibición de la excitabilidad cortical durante la preparación mental para la acción10 y durante diferentes Estados cognitivos que pueden verse reflejados en el motor Fisiología de la corteza. 11 , 12 , 13 , 14 este enfoque funcional de TMS (FTM) requiere medidas de TMS en línea mientras los participantes realizan tareas conductuales, permitiendo una sonda cortical cambios que son dependientes de estado con alta resolución temporal. Proporcionando información en tiempo real sobre los cambios neurofisiológicos de manera amplía la investigación fisiológica de15,de control de motor16 y condiciones neuropsiquiátricas17,18, 19,20.
FTM previo estudios han explorado los mecanismos corticales de la inhibición de respuesta en los adultos sanos con GNG14 y SST tareas15,16,21. Además, un estudio demostró que una dosis de metilfenidato cambiado motor fisiología cortical de adultos sanos durante un experimento de FTM/GNG. 22 hasta la fecha, hay dos grupos que se han publicado estudios de FTM pediátricos utilizando la tarea GNG para caracterizar fisiología cortical de TDAH23 y síndrome de Tourette17. No existe ningún estudio publicado FTM utilizando la SST en la población pediátrica.
Una cuestión crítica en estudios de FTM, a un grado mucho mayor que el resto solo estudios TMS, es artefacto muscular. Medidas estandarizadas electromiografía de superficie (EMG) de amplitud y latencia de los potenciales evocados motor (MEP) no deben ser contaminadas por artefacto muscular. Así, por ejemplo, para estudiar cambios corticales en la preparación de un movimiento en un estudio de tiempo de reacción, pulsos de EMT deben ser precisamente tiempo para ocurrir después de una señal de ir, pero antes de tiempo de reacción de un individuo. Así en cualquier tarea, es fundamental para asegurar que TMS pulsos se producen en un momento cuando la respuesta de motor aún no ha comenzado, y que el participante es cómodo y capaz de mantener el correspondiente músculo en reposo. Esto puede ser muy problemático con los niños hipercinéticos que naturalmente pueden tener movimientos extraños y que pueden mantener su brazo y la mano tensado a lo largo de un tiempo de reacción juego.
El objetivo del presente estudio es desarrollar una versión de la SST de Slater-Hammel que niños y apropiada para estudiar la fisiología de la corteza motora primaria (M1). Esta tarea debe ser 1) fácilmente comprensible para los niños, 2) relativamente fáciles de completar para los niños y 3) compatible con memorias de traducción en línea.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Este protocolo fue aprobado por el centro médico del Hospital infantil de Cincinnati y estudio de Johns Hopkins de comités de revisión institucional como un mínimo riesgo en niños y adultos. TMS de pulso único y emparejado se considera como seguro en niños de 2 años y mayores por consenso de expertos internacional. 24 luego de explicar los riesgos potenciales de la EMT al padre o tutor y el participante, acepta y formularios de consentimiento están firmados si están de acuerdo proceder con el estudio.
1. proyección e introducción
- Temas de pantalla para TMS contraindication(s) usando un cuestionario estandarizado. 25
- Mostrar cómo TMS trabaja entregando un pulso electromagnético sobre el antebrazo del operador.
- Entrega un pulso TMS sobre antebrazo del participante para que él o ella puede sentir el pulso.
- Coloque tapones en los oídos de los participantes para protección auditiva.
2. configuración de plomo de EMG de superficie y posicionamiento de la mano
- Tienen el tema secuestran el dedo índice dominante para identificar el primer músculo interosseous dorsal (IED). Coloque el electrodo negativo sobre el vientre de la IED, a continuación, coloque el electrodo positivo entre 2nd 3 empalmes metacarpophalangeal (MCP) derd y el electrodo de tierra sobre la 5th MCP conjunta.
- Coloque las manos del participante aspectos cubital de ambos brazos y las manos apoyadas totalmente en una almohada, sin esfuerzo contra gravedad necesaria (figura 1).
- Tener el participante extender el dedo índice dominante mientras que el tercer quinto dedos se flexionan. Luego coloque una almohadilla de juego en la almohada para que el dedo índice se apoya sobre el botón que se usa para la tarea de C-S-H de coche de carreras. El fundamento de esta posición de la mano es que la acción de ir requiere la activación de la IED para levantar el dedo índice el botón de apagado. Por lo tanto, grabación trazado EMG de la IED dominante sonda M1 excitabilidad e inhibición para ir y parar ensayos respectivamente.
3. adquisición de datos TMS línea de base
- Definir los parámetros de grabación para grabación de MEP - baja y alta pasan filtros de 100 y 1000 Hz, frecuencia de muestreo de 2 kHz.
- Obtener mediciones de TMS iniciales utilizando una bobina TMS circular de 90 mm posicionada tangencialmente en el cráneo sobre el vértice con el mango apuntando hacia el occipucio en la posición óptima y orientación para la producción de un diputado la derecha IED por estándar siguiente Protocolo. 26 esta orientación y posición de la bobina deben producir una corriente inducida de posterior a anterior sobre M1.
- Utilice un lápiz de cera para marcar la ubicación del cuero cabelludo una vez al punto de acceso se encontraba para asegurar que la entrega de pulso TMS se produce en la misma región cortical.
- Realizar veinte ensayos27 de base single-pulso (sp) TMS inducida por los eurodiputados de la IED con las dos manos en reposo con una intensidad de 120% de RMT.
- Realizar 20 ensayos de referencia pulso apareado TMS las medidas de inhibición intracortical de intervalo corto de M1 (SICI) en reposo usando intervalo inter-estímulo de 3 ms, 60% * RMT como el acondicionado del pulso intensidad y 120% RMT como la intensidad de pulso de prueba para cuantificar M1 inhibitoria del GABAA-actividad interneuronal ergic. 28 , 29 , 30 establecer el intervalo Inter-ensayo para mediciones iniciales a 6 ± 0,3 segundos.
4. S H tarea conductual
- Mostrar la tarea de inhibición de respuesta carreras C-S-H en un monitor directamente delante del sujeto. Empezar el experimento por los primeros temas de formación en la tarea conductual. Dile al tema que el coche en el lado izquierdo de la pantalla empezará a moverse después de que el botón es presionado por aducción del dedo índice dominante (figura 2A).
- Dígale a los participantes que el objetivo de ir ensayos es levantar el dedo tan cerca pero antes de que el ms 800 blanco como se muestra por una línea vertical en la pantalla. La pantalla mostrará "Buen trabajo" Si levanta dedo se produce entre 700 y 800 ms, de lo contrario se mostrarán "Demasiado pronto" o "Demasiado tarde". Han el participante practica 10 ensayos de GO.
- Capacitar para la tarea STOP diciéndole a los participantes que la segunda serie de ensayos implica el coche parando aleatoriamente antes de la meta de 800 ms.
- Dígale al niño que mantenga su dedo índice sobre el botón sin levantar el dedo cuando el coche se detiene al azar. Para tener éxito en estos ensayos de parada, el dedo debe permanecer en el botón hasta una bandera checker se ve que está programado para aparecer 1000 ms después del comienzo de cada ensayo. Informar a los participantes que si se presenta la señal de parada y dedo se levantó ante la bandera checker, aparecerá un mensaje "Muy pronto". Dígale al niño que un "Gran" mensaje se mostrará después de exitosos ensayos de parada.
- Que el niño practica 10 ensayos de parada.
Nota: El programa cuenta con un algoritmo de seguimiento dinámico. En el experimento real después del entrenamiento, la primera señal STOP se produce en la Sra. 500 si el participante no un ensayo de la parada, entonces el juicio de parada siguiente será más fácil (es decir, la señal de parada desplazará 50 ms de la meta de 800 ms). Sin embargo, si el juicio de parada fue correcta, entonces el próximo ensayo de parada será más difícil (es decir, la señal de parada desplazará 50 ms hacia el objetivo). Este proceso de seguimiento dinámico asegura que al final de todo el experimento, aproximadamente el 50% de los ensayos de parada tendrá éxito mientras que la otra mitad sería ensayos fallidos. La señal de parada está programada para ajustar entre 300 y 700 ms después de comienzo del juicio.
- Después de que los participantes practican ensayos de marcha y parada, les digo que el siguiente bloque de práctica contiene una mezcla de los ensayos de marcha y parada. Que el niño realizar 20 ensayos de ir mezclado y parada como una práctica final.
5. online experimento S-H/TMS
- Antes de iniciar el experimento S-H/TMS en línea, recordar al participante a aducción (empujar hacia abajo) el dedo índice dominante para iniciar el juicio, secuestrar (Levante) dedo para ir ensayos y mantenga el dedo en el botón para parada de ensayos. La aducción del dedo índice fue elegida para iniciar y mantener el movimiento del coche durante cada ensayo porque en el momento de los pulsos de EMT (figura 2A y 2B), sería el antagonista primer músculo interosseous dorsal (IED), donde se coloca el plomo de EMG, descanso, reduciendo así la probabilidad de artefacto de movimiento en el trazo de la IED.
- Dile al participante que TMS pulsos serán entregados durante la tarea de C-S-H. Indicar el tema que habrá 3 bloques de ensayos en línea de S-H TMS (3 ir: 1 relación prueba de parada).
Nota: Durante los ensayos GO, pulso TMS está programado para entregarse en 650 ms después del comienzo de cada ensayo. Este tiempo es inicialmente seleccionado en base a estudio previo de la TMS que demuestra que aumento en M1 excitabilidad asociada con movimiento de preparación puede ser capturado en esta gama. 10 para detener los ensayos, pulso TMS se entrega 150 ms después de la señal de parada. En exitosos ensayos de parada, el dedo índice no levante el botón por lo tanto, la M1 capturados excitabilidad refleja actividad cortical relacionada con la respuesta inhibición en vez de motor de preparación o ejecución. - Coloque la bobina circular de 90 mm sobre el vértice utilizando la anterior marca de lápiz de cera preferentemente estimular M1 dominante y establecer el condicionamiento intensidad al 60% del pulso * pulso RMT y prueba a 120% * RMT. Comenzar el experimento S-H/TMS en línea. Los niños del tiempo requerido para terminar 120 ensayos es generalmente 30-40 minutos.
6. carreras Slater-Hammel datos conductuales
- Los ensayos van, determinar el tiempo de reacción como el dedo-levanta el tiempo en relación con el principio de cada ensayo. Promedio de cada bloque. Ensayos de parada, el dedo-levanta el tiempo determina el éxito, mientras que el coche deje de tiempo de señal (es decir, dejar señal de retraso; SSD) es el intervalo de tiempo desde el inicio del juicio hasta el punto donde el coche se detiene al azar. Debido al proceso de seguimiento dinámico, el tiempo de la señal de parada converge hacia un promedio de éxito/error de ~ 50%.
- Calcular el tiempo de reacción de señal de Stop (SSRT) restando el tiempo promedio de parada de coche desde el momento de elevación de dedo medio en los ensayos GO (SSRT = tiempo de reacción promedio de GO – promedio de tiempo de señal de parada [es decir, SSD]). Promedio el SSD por el bloque y calcular un SSRT para cada bloque.
7. memorias de traducción informática
- Cuantificar TMS durante cada ensayo produce un diputado con amplitud pico-pico medida en milivoltios. Excluyen los ensayos para los artefactos de movimiento (áreas de EMG bajo la curva mayor que 70 microvoltios sobre 100 ms) antes del pulso TMS.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Análisis de regresión se realiza utilizando un paquete comercial de software estadístico para analizar los datos neurofisiológicos y conductuales por separado. Los datos representativos están de 23 por lo general desarrollo de niños de Cincinnati y a 15 de Baltimore (25 hombres, 13 mujeres). Edad no difirió entre el sitio (10,3 ± 1,3 años para Cincinnati y 10,4 ± 1,2 años Baltimore, t test p = 0,74)
Se utilizó un modelo de regresión para analizar SSRT con la edad como covariable sexo, sitio (Cincinnati y Baltimore) y bloque de prueba como variables independientes. También se analizaron las interacciones entre estas variables. Este análisis reveló que la edad fue la única variable con un efecto significativo sobre el SSRT (p = 0,005).
Los datos neurofisiológicos TMS fue caracterizados utilizando amplitud de pico a pico MEP como variable dependiente para el análisis de regresión. Durante la preparación del movimiento, M1 excitabilidad aumenta antes de que ocurra el movimiento real. Estudios TMS han demostrado que este aumento de la excitabilidad ocurre 100-140 ms antes de la contracción del músculo. 10 , 11 , 31 , 32 en esta tarea de C-S-H, el tiempo entre pulso TMS y dedo-lift para exitosos ensayos de parada siempre es mayor de 150 ms (es decir, última posible pulso TMS se produce a ms de 850 y elevación del dedo se produce > 1000 ms después de la iniciación del juicio). En nuestro análisis, nos interesa comparar la excitabilidad cortical y la inhibición relacionado con la inhibición de la respuesta de motor. Ya que estamos interesados en comparar tres diferentes tareas condiciones (GO, exitosa parada, parada fallido), se analizaron datos de los ensayos cuando el tiempo entre TMS elevación del pulso y el dedo, por lo menos 150 ms amplitud de diputado al Parlamento Europeo más allá de este plazo no se ve afectado por preparación del movimiento. 10 , 11 , 31 , 32 por lo tanto esta latencia de tiempo no fue incluido en el modelo de regresión como covariable. Para nuestro modelo de regresión, se incluyeron la edad como covariable que afecta a la amplitud MEP en la infancia. 33 variables independientes de la clase de sexo modelo incluido, sitio, bloque de prueba, condición TMS pulso (solo-vs junto-pulso) y condición ensayo (STOP GO, éxito, error STOP). La interacción primaria de interés es entre condición de pulso TMS y condición ensayo porque estamos interesados en cómo M1 excitabilidad (TMS de pulso único) e inhibición (pulso apareado TMS) diferencian entre condiciones de trabajo diferentes.
Para amplitudes MEP, las variables independientes sexo, sitio y bloque de prueba no fueron significativas en el modelo de regresión. No fue significativa como covariable en el modelo de regresión de edad (p = 0,28). Las TMS de pulso condición (p < 0.0001) y su interacción con la condición de ensayo (p = 0,009) fueron significativas. La figura 3 muestra a representante neurophysiologic datos en diferentes condiciones de ensayo usando mínimos cuadrados: estimación calculada a partir del modelo de regresión con barras de error que representan los errores estándar. Todas las comparaciones de pares de las amplitudes MEP solo pulso entre las condiciones de la tres tarea eran insignificantes (falso descubrimiento tasa [FDR] ajustado p > 0.05). Sin embargo, para los diputados de junto-pulso inhibitorios, las diferencias entre ir vs error STOP (FDR ajustado p = 0,009) y exitosa vs parada fallido (FDR ajustado p = 0.03) fueron significativas. La comparación de amplitudes MEP de junto-pulso entre GO y exitosos ensayos de parada no fue significativa (FDR ajustado p = 0,56).
Figura 1: posición de mano y del dedo durante carreras S H. Ambas manos se reclinaron sobre la almohada. Dedo índice dominante se extiende y se basa en un botón del gamepad. Aducción del dedo índice dominante presiona el botón y activa cada ensayo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Esquema de ensayo.
(A) esquema de ensayo ir. Aducción del dedo índice dominante sobre un botón activa el coche para moverse por la pantalla. Los participantes se esperan que levante el dedo entre los 700-800 MS. después de comienzo del juicio para dejar el coche cerca, pero antes de la meta de 800 ms. Pulso TMS se da a 650 ms después del inicio del juicio.
(B) intercaladas entre GO ensayos son ensayos de parada durante el cual los participantes fueron instruidos para evitar la elevación de dedo en respuesta a una señal de parada (es decir, coche se para de repente en algún momento antes de la marca de 800 ms). Pulsos de EMT se entregaron 150 ms después de la señal de parada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Amplitudes MEP durante carreras S H. Amplitudes MEP (en milivoltios) para mediciones de TMS de pulso único y emparejado M1 se trazan para diferentes condiciones de esta tarea en línea de S-H/TMS (GO, exitosa parada, error STOP). Mínimos cuadrados implica estimaciones calculadas a partir del análisis de regresión se utilizaron para esta figura. Barras de error representan el error estándar calculado a partir del modelo de regresión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Este protocolo es un método novedoso de amigos de la infancia de combinar una tarea de señal de parada y TMS para examinar la inhibición cortical relacionado con eventos. Observación clínica de los déficits inhibitorios motor y bajo rendimiento en tareas de señal de parada se han demostrado en numerosas afecciones neuropsiquiátricas. 3 relativamente pocos investigadores han utilizado FTM en línea para estudiar la excitabilidad cortical y la inhibición durante las tareas de inhibición de respuesta. Algunos grupos han utilizado con éxito TMS durante la tarea GNG para mostrar diferencias en la fisiología cortical en niños y adultos. 14 , 23 , 34 sin embargo, la tarea GNG idealmente se realizará en un relativamente rápido ritmo provocar prepotente respuesta motor a lo largo de la tarea para que control inhibitorio puede ser examinada adecuadamente en ensayos no pasa. 35 , 36 desde punto de vista metodológico, una trepidante tarea GNG impone dificultades para experimentos de FTM en línea como condensadores de dispositivo requieren tiempo para recargar el siguiente pulso de estimulación. Por ejemplo, nuestro pulso monofásico generar dispositivo TMS necesita al menos un Inter-ensayo intervalos de 4 segundos limitando así rápido online experimentos TMS/GNG. Además, trastornos neuropsiquiátricos o de desarrollo subyacentes pueden afectar la capacidad de los niños para completar una tarea GNG trepidante. Una de las características de la tarea de Slater-Hammel es que es su ritmo y así permite la integración de memorias de traducción para llevar a cabo las mediciones fisiológicas en línea. 16 Coxon et al usaron tarea FTM/clockhand C-S-H en línea en adultos sanos que inhibición cortical, medida por IECI, es más robusta durante la parada que los ensayos de GO. Un estudio separado en línea FTM/SST mostraron resultados similares en que M1 excitabilidad disminuye significativamente después de la parada de cue en exitosos ensayos de parada. 15 Comparado con el protocolo S/FTM-H Coxon del16, hemos realizado dos modificaciones importantes. En primer lugar, hemos creado la versión de "carreras" de tarea de señal de parada de C-S-H que es más interesante para los niños participantes. Usando este diseño, típicamente desarrollo de los niños (figura 3) y aquellos con TDAH (datos no publicados) fueron capaces de completar por lo menos 120 ensayos. La otra característica que hemos construido en la tarea de FTM/C-s-H en línea es el algoritmo de seguimiento dinámico para ajustar la temporización de la señal de paro tal que la tasa de éxito ensayo de parada es ~ 50% al final de todo el experimento. Esto es importante porque permite comparaciones de la inhibición cortical durante la exitosa vs sin éxito parar ensayos y elimina también el desempeño de la tarea como una variable de confusión.
Ensayos de pulso único en este protocolo permiten el estudio de la excitabilidad cortical durante la preparación del movimiento. Sin embargo, en el contexto de la tarea de inhibición de respuesta de señal de parada, también estamos interesados en la cuantificación de SICI M1 durante ensayos de parada. Para la cuantificación de SICI, el subliminal acondicionado intensidad de estímulo de pulso es un parámetro experimental importante. Estudios previos han documentado el efecto de la dosificación del condicionamiento pulso intensidad en SICI. 37 , 38 estos estudios muestran que un fuerte pulso de acondicionado provoca SICI más profundo. Sin embargo, nuestro laboratorio utiliza históricamente 60% * RMT como el condicionamiento intensidad para detectar diferencias SICI en Pediatría estudios de caso-control TMS de pulso. 19 , 20 puesto que este condicionamiento intensidad de pulso también provoca importantes M1 SICI29, usamos 60% * RMT para acondicionar el pulso en esta tarea S/FTM-H.
Otro factor a considerar en la cuantificación de SICI es el solo pulso inducido por amplitud MEP. La amplitud promedio solo pulso inducida MEP se utiliza como denominador para el cálculo del cociente de exposición SICI. Esta amplitud de línea de base es dependiente en diferentes Estados como descanso, observación e imaginario motor, preparación motor intensidad de estímulo de pulso de prueba. 10 , 39 , 40 en esta tarea S/FTM-H online, MEP amplitudes es típicamente 3 a 4 veces mayor durante la tarea en comparación con línea base resto (datos no mostrados). En el original SICI estudio28, los autores indicaron que SICI es menor con un estímulo más fuerte de la prueba. Sin embargo, los datos apoyan esta conclusión no se mostró en el manuscrito. Estudios posteriores han examinado una amplia gama de las amplitudes inicial resto MEP (mV 0.2, 1 y 4) y demostró que la amplitud de referencia MEP no afectó SICI. 41 , 42 otro estudio examinó los efectos de la condición de motor (resto, contracciones isométricas ipsilateral contralateral) e intensidades de estímulo de pulso de prueba (90-150% * RMT) en SICI. 37 SICI es inferior durante la contracción isométrica del dedo y variados dependiendo de la intensidad de estímulo de pulso de prueba. Sin embargo, ANOVA de medidas repetidas no identificó una interacción estadísticamente significativa entre intensidad de estímulo de pulso estado y prueba. Análisis post-hoc mostraron que SICI durante la contracción isométrica contralateral fue significativa para una gama de intensidades de estímulo de pulso de prueba (110, 120, 130 y 140% de RMT). Debido al alto umbral motor en niños33, es ideal para mantener la intensidad del pulso de prueba tan bajo como sea posible debido a posibles limitaciones de hardware TMS y la comodidad de los participantes. Por estas razones, elegimos 120% * RMT como la intensidad de pulso de prueba. Sin embargo, esta tarea S-H/TMS en línea podría ser aplicable a niños aún más jóvenes iban a bajar la intensidad del pulso de prueba a 105-110% * RMT para experimentos futuros.
Una limitación potencial del presente Protocolo es que pulsos TMS más fuertes, más fuertes es necesario para los niños pueden afectar su rendimiento de tarea S-H. También es posible que la media y mayor intensidad de los pulsos de EMT podría interrumpir circuitos tal que se afecte la inhibición de respuesta. Otra posibilidad es que el pulso más fuerte es más fuerte y podría distraer a los niños durante la tarea. Para futuros experimentos, esto puede ser probado por volver a hacer la tarea de Slater-Hammel con TMS pulsos entregados a intensidades similares en una región que no participan en la inhibición de la respuesta de motor, o mediante una farsa bobina de TMS. Otra limitación es el escaso número de ensayos de parada. Esta tarea de FTM requiere a los participantes completar 120 ensayos, estos son los 30 ensayos de parada. Nuestro algoritmo de seguimiento dinámico debe resultar en una tasa de éxito de ~ 50%; por lo tanto, sólo hay 15 ensayos fracasados exitosos y 15 para el análisis. Si el artefacto de movimiento importante se detecta en algunos de estos ensayos, entonces trazado no se incluye para el análisis y poder estadístico se disminuye. Esto es probablemente cierto si los datos se representan como amplitud MEP media de cada individuo para cada tipo de ensayo (resto, GO, STOP). Utilizando un modelo estadístico de medidas repetidas que estima los diputados juicio tipo basados en todos los ensayos, como lo hemos hecho, puede permitir resultados más significativos.
En conclusión, hemos desarrollado un método no invasivo, bien tolerado e interactivo para la cuantificación de la inhibición cortical para detectar diferencias en la tarea de inhibición de respuesta. Esto puede aplicarse a las condiciones neuropsiquiátricas para estudiar la inhibición cortical en niños. Hay numerosos métodos de ampliar sobre este protocolo de FTM. Estudios recientes han utilizado paradigmas TMS de pulso empareja dos bobina para estudiar la conectividad cortical durante la tarea conductual en adultos. 43 , 44 uso de Neuronavegación, este enfoque puede extenderse a la población pediátrica para examinar los efectos de los nodos prefrontales en inhibición de respuesta. TMS repetidor (rTMS) proporciona otra opción para modular las regiones del cerebro que son críticas para la inhibición de respuestas motoras. 43 , 45 , 46 por otra parte, otra potencial aplicación futura es combinar este protocolo con EEG simultáneo para cuantificar potenciales corticales evocados TMS en M1 no regiones47 caracterizar fisiología cortical asociada a respuesta de motor inhibición.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Salud Mental (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).
