At nå er en grundlæggende færdighed, der gør det muligt for mennesker at interagere med miljøet. Flere undersøgelser har haft til formål at karakterisere at nå adfærd ved hjælp af en række forskellige metoder. Dette papir tilbyder en open source-anvendelse af transkraniel magnetisk stimulering til at vurdere tilstanden af kortikospinal excitabilitet hos mennesker under opnåelse af opgaveudførelse.
Reach er en bredt studeret adfærd inden for motorfysiologi og neurovidenskabelig forskning. Mens rækkevidde er blevet undersøgt ved hjælp af en række adfærdsmæssige manipulationer, er der stadig betydelige huller i forståelsen af de neurale processer, der er involveret i rækkeviddeplanlægning, udførelse og kontrol. Den nye tilgang, der beskrives her, kombinerer en todimensionel nående opgave med transkraniel magnetisk stimulering (TMS) og samtidig elektromyografi (EMG) optagelse fra flere muskler. Denne metode muliggør ikke-invasiv påvisning af kortikospinal aktivitet på præcise tidspunkter under udfoldelsen af nående bevægelser. Eksempelopgavekoden indeholder en forsinket respons, der når opgaven, med to mulige mål vist ± 45° fra midterlinjen. Single pulse TMS leveres på de fleste opgaveforsøg, enten ved begyndelsen af den forberedende cue (baseline) eller 100 ms før den imperative cue (forsinkelse). Dette prøvedesign er velegnet til at undersøge ændringer i kortikospinal excitabilitet under forberedelse af rækkevidde. Prøvekoden inkluderer også en visuomotorisk forstyrrelse (dvs. markørrotation på ± 20 °) for at undersøge virkningerne af tilpasning på kortikospinal excitabilitet under forberedelse af rækkevidde. Opgaveparametrene og TMS-leveringen kan justeres for at adressere specifikke hypoteser om motorsystemets tilstand under nåadfærd. I den indledende implementering blev motorfremkaldte potentialer (MEP’er) med succes fremkaldt på 83% af TMS-forsøgene, og rækkeviddebaner blev registreret på alle forsøg.
Målrettet rækkevidde er en grundlæggende motorisk adfærd, der gør det muligt for mennesker at interagere med og manipulere det ydre miljø. Undersøgelsen af at nå inden for motorfysiologi, psykologi og neurovidenskab har produceret rig og omfattende litteratur, der indeholder en række forskellige metoder. Tidlige undersøgelser af at nå brugte direkte neurale optagelser i ikke-menneskelige primater til at undersøge neural aktivitet på niveau med enkelte neuroner 1,2. Nyere undersøgelser har undersøgt at nå ved hjælp af adfærdsparadigmer, der anvender sensorimotorisk tilpasning til at udforske karakteren af motorisk læring og kontrol 3,4,5. Sådanne adfærdsmæssige opgaver kombineret med funktionel magnetisk resonansbilleddannelse og elektroencefalografi kan måle hele hjerneaktiviteten under opnåelse hos mennesker 6,7. Andre undersøgelser har anvendt online TMS til at undersøge forskellige funktioner i forberedelse og udførelse af rækkevidde 8,9,10,11,12,13,14. Der er dog stadig behov for en open source og fleksibel tilgang, der kombinerer adfærdsvurderingen af at nå med TMS. Mens nytten af at kombinere TMS med adfærdsprotokoller er meget veletableret15, undersøger vi her specifikt anvendelsen af TMS inden for rammerne af at nå ved hjælp af en open source-tilgang. Dette er nyt, fordi andre grupper, der har offentliggjort ved hjælp af denne kombination af metoder, ikke har gjort deres værktøjer let tilgængelige og forbyder direkte replikation. Denne open source-tilgang letter replikering, datadeling og muligheden for undersøgelser på flere steder. Derudover, hvis andre ønsker at forfølge nye forskningsspørgsmål med lignende værktøjer, kan open source-koden fungere som en affyringsrampe for innovation, da den let kan tilpasses.
TMS tilbyder et ikke-invasivt middel til at undersøge motorsystemet på præcist kontrollerede tidspunkter16. Når TMS påføres over den primære motoriske cortex (M1), kan TMS fremkalde en målbar afbøjning i elektromyogrammet af en målrettet muskel. Amplituden af denne spændingsbølge, kendt som det motorfremkaldte potentiale (MEP), giver et indeks for den øjeblikkelige excitabilitetstilstand af den kortikospinale (CS) vej – en resulterende analog af alle excitatoriske og hæmmende påvirkninger på CS-vejen17. Ud over at give en pålidelig måling inden for emnet af iboende CS-excitabilitet kan TMS kombineres med andre adfærdsmæssige eller kinematiske målinger for at undersøge forholdet mellem CS-aktivitet og adfærd på en tidsmæssigt præcis måde. Mange undersøgelser har brugt en kombination af TMS og elektromyografi (EMG) til at løse en række spørgsmål om motorsystemet, især da denne kombination af metoder gør det muligt at undersøge MEP’er under en lang række adfærdsmæssige forhold15. Et område, hvor dette har vist sig særlig nyttigt, er i studiet af handlingsforberedelse, oftest gennem studiet af enkeltledsbevægelser18. Der er dog forholdsvis færre TMS-undersøgelser af naturalistiske flerledsbevægelser såsom at nå.
Det nuværende mål var at designe en forsinket respons nå opgave, der omfatter adfærdsmæssig kinematik, online single-pulse TMS administration og samtidig EMG optagelse fra flere muskler. Opgaven omfatter et todimensionelt punkt-til-punkt-nåparadigme med online visuel feedback ved hjælp af en vandret orienteret skærm, således at visuel feedback matcher rækkeviddebaner (dvs. et 1: 1-forhold under veridisk feedback og ingen transformation mellem visuel feedback og bevægelse). Det nuværende design omfatter også et sæt forsøg med en visuomotorisk forstyrrelse. I det angivne eksempel er dette et 20° rotationsskift i markørfeedbacken. Tidligere undersøgelser har brugt et lignende vidtrækkende paradigme til at løse spørgsmål om de mekanismer og beregninger, der er forbundet med sensorimotorisk tilpasning 19,20,21,22,23,24,25. Desuden gør denne tilgang det muligt at vurdere motorsystemets excitabilitetsdynamik på præcise tidspunkter under online motorisk læring.
Fordi opnåelse har vist sig at være en frugtbar adfærd til undersøgelse af læring / tilpasning, har vurdering af CS-spænding i sammenhæng med denne adfærd et enormt potentiale til at kaste lys over de neurale substrater, der er involveret i denne adfærd. Disse kan omfatte lokale hæmmende påvirkninger, ændringer i tuning egenskaber, timing af neurale begivenheder, etc., som er blevet fastslået i ikke-menneskelige primater forskning. Disse træk har imidlertid været vanskeligere at kvantificere hos mennesker og kliniske populationer. Neurale dynamikker kan også undersøges i fravær af åbenlys bevægelse hos mennesker ved hjælp af den kombinerede TMS- og EMG-tilgang (dvs. under forberedelse af bevægelse eller i hvile).
De præsenterede værktøjer er open source, og koden kan let tilpasses. Dette nye paradigme vil producere vigtig indsigt i de mekanismer, der er involveret i forberedelse, udførelse, afslutning og tilpasning af at nå bevægelser. Desuden har denne kombination af metoder potentialet til at afdække forholdet mellem elektrofysiologi og opnåelse af adfærd hos mennesker.
De ovenfor skitserede metoder tilbyder en ny tilgang til at studere motorforberedelse i forbindelse med at nå adfærd. Selvom rækkevidde repræsenterer en populær modelopgave i studiet af motorisk kontrol og læring, er der behov for præcist at evaluere CS-dynamikken forbundet med at nå adfærd. TMS tilbyder en ikke-invasiv, tidsmæssigt præcis metode til at fange CS-aktivitet på diskrete tidspunkter under rækkevidde. Den her beskrevne tilgang kombinerer to uafhængige underfelter-TMS og når ind…
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev muliggjort delvist af den generøse finansiering af Knight Campus Undergraduate Scholars-programmet og Phil and Penny Knight Foundation
2-Port Native PCI Express | StarTech.com | RS232 Card with 16950 UART | Must be compatible with desktop computer |
Adjustable 80-20 aluminum frame | any | ||
Alcohol prep pads | any | EMG preparation | |
Bagnoli Bipolar Electrodes | Delsys | DE 2.1 | |
Bagnoli Reference Electrode | Delsys | USX2000 | 2” (5cm) Round |
Bagnoli-8 EMG System | Delsys | ||
Chair | any | ||
Computer monitor for EMG/TMS | n/a | ||
Desk | any | ||
Desktop Computer | Dell | xps 8930 | RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB |
EMG electrodes | Delsys | Sensor Adhesive Interface | |
Fine grain sandpaper | any | EMG preparation | |
Graphics tablet | Wacom | Intuos-4 XL | |
Handle of paint roller | any | to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside | |
Medical tape | any | To secure EMG electrodes | |
PCI-6220 card DAQ | National Instruments | To interface EMG system | |
Photodiode Sensor | Vishay | BPW21R | To record timing of task events into EMG trace. |
Rear TMS port | Magstim | Included with TMS machine | |
Right-handed polyethylene glove | any | Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle | |
Sensory Adhesive Interface, 2-slot | Delsys | SC-F01 | |
Stylus | Wacom | Intuos-4 grip pen | |
Tablet-to-Computer USB cable | any | Included in Tablet purchase | |
Task Monitor | Asus | VG248 | |
TMS coil | Magstim | D70 Remote Coil | 7cm diameter, figure-of-eight coil |
TMS machine | Magstim | 200-2 | |
TMS-to-Computer DB9 cable | any | Connects to PCIe Serial Card | |
Velcro | any | To be placed on glove and stylus handle |