Summary
Bereiken is een fundamentele vaardigheid die mensen in staat stelt om met de omgeving te communiceren. Verschillende studies hebben tot doel het bereiken van gedrag te karakteriseren met behulp van een verscheidenheid aan methodologieën. Dit artikel biedt een open-source toepassing van transcraniële magnetische stimulatie om de toestand van corticospinale prikkelbaarheid bij mensen te beoordelen tijdens het bereiken van taakprestaties.
Abstract
Bereiken is een veel bestudeerd gedrag in motorische fysiologie en neurowetenschappelijk onderzoek. Hoewel bereiken is onderzocht met behulp van een verscheidenheid aan gedragsmanipulaties, blijven er aanzienlijke hiaten in het begrip van de neurale processen die betrokken zijn bij het plannen, uitvoeren en controleren van bereiken. De hier beschreven nieuwe benadering combineert een tweedimensionale bereiktaak met transcraniële magnetische stimulatie (TMS) en gelijktijdige elektromyografie (EMG) opname van meerdere spieren. Deze methode maakt de niet-invasieve detectie van corticospinale activiteit op precieze tijdstippen mogelijk tijdens het ontvouwen van bereikende bewegingen. De voorbeeldtaakcode bevat een vertraagde reactie die de taak bereikt met twee mogelijke doelen die worden weergegeven ± 45° van de middellijn. Single pulse TMS wordt geleverd op de meeste taakstudies, hetzij bij het begin van de voorbereidende cue (baseline) of 100 ms voorafgaand aan de imperatieve cue (vertraging). Dit monsterontwerp is geschikt voor het onderzoeken van veranderingen in corticospinale prikkelbaarheid tijdens de bereiding van reach. De monstercode bevat ook een visuomotorische verstoring (d.w.z. cursorrotatie van ± 20°) om de effecten van aanpassing op corticospinale prikkelbaarheid tijdens de bereiding van het bereik te onderzoeken. De taakparameters en TMS-levering kunnen worden aangepast om specifieke hypothesen over de toestand van het motorische systeem tijdens het bereiken van gedrag aan te pakken. In de eerste implementatie werden motor evoked potentials (EP-leden) met succes opgewekt op 83% van de TMS-onderzoeken en werden bereiktrajecten geregistreerd op alle onderzoeken.
Introduction
Doelgericht bereiken is een fundamenteel motorisch gedrag dat mensen in staat stelt om te communiceren met en de externe omgeving te manipuleren. De studie van het bereiken op het gebied van motorfysiologie, psychologie en neurowetenschappen heeft rijke en uitgebreide literatuur opgeleverd die een verscheidenheid aan methodologieën omvat. Vroege studies naar het bereiken gebruikten directe neurale opnames bij niet-menselijke primaten om neurale activiteit op het niveau van enkele neuronen te onderzoeken 1,2. Meer recente studies hebben onderzoek gedaan naar het bereiken van gedragsparadigma's die sensomotorische aanpassing gebruiken om de aard van motorisch leren en controle te onderzoeken 3,4,5. Dergelijke gedragstaken in combinatie met functionele magnetische resonantie beeldvorming en elektro-encefalografie kunnen de hele hersenactiviteit meten tijdens het bereiken bij mensen 6,7. Andere studies hebben online TMS toegepast om verschillende kenmerken van bereikvoorbereiding en uitvoering te onderzoeken 8,9,10,11,12,13,14. Er blijft echter behoefte aan een open-source en flexibele aanpak die de gedragsbeoordeling van bereiken combineert met TMS. Hoewel het nut van het combineren van TMS met gedragsprotocollen zeer goed ingeburgerd is15, onderzoeken we hier specifiek de toepassing van TMS in de context van het bereiken met behulp van een open-source benadering. Dit is nieuw omdat andere groepen die met deze combinatie van methoden hebben gepubliceerd, hun tools niet direct beschikbaar hebben gesteld, waardoor directe replicatie wordt verboden. Deze open-source benadering vergemakkelijkt replicatie, het delen van gegevens en de mogelijkheid van multi-site studies. Bovendien, als anderen nieuwe onderzoeksvragen willen nastreven met vergelijkbare tools, kan de open-sourcecode fungeren als een lanceerplatform voor innovatie, omdat het gemakkelijk kan worden aangepast.
TMS biedt een niet-invasieve manier om het motorsysteem op nauwkeurig geregelde tijdstippen te onderzoeken16. Wanneer tms over de primaire motorische cortex (M1) wordt aangebracht, kan het een meetbare afbuiging in het elektromyogram van een gerichte spier veroorzaken. De amplitude van deze spanningsgolf, bekend als de motor evoked potential (MEP), biedt een index van de kortstondige prikkelbaarheidstoestand van de corticospinale (CS) pathway - een resulterend analoog van alle exciterende en remmende invloeden op de CS-route17. Naast het bieden van een betrouwbare interne meting van intrinsieke CS-exciteerbaarheid, kan TMS worden gecombineerd met andere gedrags- of kinematische metrieken om de relaties tussen CS-activiteit en gedrag op een temporeel precieze manier te onderzoeken. Veel studies hebben een combinatie van TMS en elektromyografie (EMG) gebruikt om een verscheidenheid aan vragen over het motorische systeem te beantwoorden, vooral omdat deze combinatie van methoden het mogelijk maakt om EP-leden te onderzoeken onder een breed scala aan gedragsomstandigheden15. Een gebied waar dit bijzonder nuttig is gebleken, is in de studie van actievoorbereiding, meestal door de studie van bewegingen met één gewricht18. Er zijn echter relatief minder TMS-studies van naturalistische multi-gewrichtsbewegingen zoals reiken.
Het huidige doel was om een vertraagde respons bereikende taak te ontwerpen die gedragskinematica, online tms-administratie met één puls en gelijktijdige EMG-opname van meerdere spieren omvat. De taak omvat een tweedimensionaal point-to-point bereikend paradigma met online visuele feedback met behulp van een horizontaal georiënteerde monitor, zodat visuele feedback overeenkomt met bereiktrajecten (d.w.z. een 1: 1-relatie tijdens veridical feedback en geen transformatie tussen visuele feedback en beweging). Het huidige ontwerp omvat ook een reeks proeven met een visuomotorische verstoring. In het gegeven voorbeeld is dit een rotatieverschuiving van 20° in de cursorfeedback. Eerdere studies hebben een vergelijkbaar bereikend paradigma gebruikt om vragen te beantwoorden over de mechanismen en berekeningen die verband houden met sensomotorische aanpassing 19,20,21,22,23,24,25. Bovendien maakt deze aanpak het mogelijk om de prikkelbaarheidsdynamiek van het motorische systeem op precieze tijdstippen tijdens online motorisch leren te beoordelen.
Omdat bereiken een vruchtbaar gedrag is gebleken voor het onderzoeken van leren / aanpassing, heeft het beoordelen van cs-prikkelbaarheid in de context van dit gedrag een enorm potentieel om licht te werpen op de neurale substraten die betrokken zijn bij dit gedrag. Deze kunnen lokale remmende invloeden, veranderingen in afstemmingseigenschappen, de timing van neurale gebeurtenissen, enz. Omvatten, zoals is vastgesteld in niet-menselijk onderzoek naar primaten. Deze kenmerken zijn echter moeilijker te kwantificeren bij mensen en klinische populaties. Neurale dynamica kan ook worden onderzocht in de afwezigheid van openlijke beweging bij mensen met behulp van de gecombineerde TMS- en EMG-benadering (d.w.z. tijdens de voorbereiding van beweging of in rust).
De gepresenteerde tools zijn open-source en de code is gemakkelijk aan te passen. Dit nieuwe paradigma zal belangrijke inzichten opleveren in de mechanismen die betrokken zijn bij de voorbereiding, uitvoering, beëindiging en aanpassing van het bereiken van bewegingen. Bovendien heeft deze combinatie van methoden het potentieel om relaties tussen elektrofysiologie en bereikgedrag bij mensen bloot te leggen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle methoden die hier worden beschreven, zijn uitgevoerd in overeenstemming met het IRB-protocol en de goedkeuring (IRB-protocolnummer 10182017.017 van de Universiteit van Oregon). Van alle proefpersonen werd geïnformeerde toestemming verkregen.
1. Bereikapparatuur
- Plaats een grote grafische tablet plat op een bureaublad.
- Gebruik een verstelbaar aluminium frame van 80-20 om de taakmonitor 6-8 boven de tablet parallel te plaatsen, met het scherm naar boven gericht (voor een blauwdruk, kijk hier: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS en aanvullende figuur 1).
OPMERKING: Met deze opstelling kunnen deelnemers over de tablet reiken en doelen verwerven die op de taakmonitor worden gepresenteerd, terwijl ze het zicht op hun reikarm afsluiten. - Gebruik de in Kim et al.3 beschreven opstelling als referentie.
2. Machine-interfaces
- Sluit de tablet aan op de computer via een USB-poort. Sluit de taakmonitor aan op de computer via de HDMI-poort. Sluit de TMS-poort aan de achterzijde aan op de computer via een DB-9-kabel.
- Sluit het EMG-systeem aan op de computer via een PCI-6220-kaart DAQ. Sluit de fotodiode aan op het EMG-systeem via een BNC-kabel.
3. Fotodiode sensor
- Sluit een fotodiodesensor aan op de BNC-kabel. Bevestig de fotodiodesensor met tape in de rechterbovenhoek van de taakmonitor, met de sensor naar het scherm gericht, ≤ 1 cm afstand.
OPMERKING: Hiermee wordt de timing van stimuli die op de taakmonitor worden gepresenteerd, vastgelegd als analoge gegevens in een onafhankelijk invoerkanaal.
4. Programmatuur
- Download VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) voor MATLAB 2018 om te communiceren met de hardware voor gegevensverzameling.
- Download de bereikbare taakcode (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) die is ontwikkeld voor de controle van experimentele parameters en de koppeling met de tablet.
5. Screening van deelnemers en geïnformeerde toestemming
- Screen het onderwerp op contra-indicaties voor TMS. Uitsluitingscriteria omvatten een persoonlijke of familiegeschiedenis van inbeslagname, hoofdpijn, hersentrauma, flauwvallen, chronische stress of angst, slaapproblemen en neuroactieve medicatie. Aanvullende uitsluitingscriteria omvatten metalen implantaten in de hersenen of schedel en elk recreatief drugs- of alcoholgebruik in de 24 uur voorafgaand aan het testen. Inclusiecriteria omvatten rechtshandigheid en leeftijd tussen 18 en 35 jaar.
- Geef een schriftelijke uitleg van de procedure en de bijbehorende risico's, waarbij eventuele verdere vragen van de deelnemer worden verduidelijkt.
- Verkrijg geïnformeerde toestemming van deelnemers.
6. Onderwerp instellen
- Plaats het onderwerp in een comfortabele stoel tegenover de tablet. Zorg ervoor dat de knieën tot 90° worden gebogen met de benen onder het bureau.
- Bereid de huid voor en plaats EMG-elektroden.
- Gebruik fijnkorrelig schuurpapier om de huid voorzichtig te schuren op de plaats van de rechter eerste dorsale interossei (FDI), extensor carpi radialis en anterieure deltaspier, evenals de C4-prominentie aan de basis van de nek, om elektrische artefacten te detecteren die door de TMS-puls worden geproduceerd.
OPMERKING: Spierregistratiesites kunnen worden aangepast op basis van de behoeften van de gebruiker. - Wattenstaaf elk geschuurd gebied met een alcoholvoorbereidingspad eenmaal per elektrodeplaats om schoon te maken.
- Plaats één EMG-elektrode op elke locatie. Zorg ervoor dat de elektroden loodrecht op de spiervezels lopen. Plaats de grondelektrode op de benige prominentie van de rechterelleboog.
- Beveilig elke elektrode met medische tape.
- Gebruik fijnkorrelig schuurpapier om de huid voorzichtig te schuren op de plaats van de rechter eerste dorsale interossei (FDI), extensor carpi radialis en anterieure deltaspier, evenals de C4-prominentie aan de basis van de nek, om elektrische artefacten te detecteren die door de TMS-puls worden geproduceerd.
- Controleer de kwaliteit van de EMG-opname. Gebruik de VETA-toolbox om alle EMG-sporen te visualiseren en ervoor te zorgen dat ze vrij zijn van artefacten. Als EMG-sporen luidruchtig zijn, zorg er dan voor dat de grond goed is geplaatst en dat alle elektroden goed contact maken met de huid.
7. Transcraniële magnetische stimulatie
- Schakel het TMS-apparaat in.
- Vind de TMS-hotspot van de rechter FDI-spier via stimulatie van de linker M1.
- Plaats de spoel ~5 cm lateraal en 2 cm vooraan op het hoekpunt van de kop, ~45° van de middellijn georiënteerd.
- Dien TMS-pulsen eenmaal per 4 s toe terwijl de spoel in stappen van ongeveer 5 mm in het voorste achterste en mediale laterale vlak wordt verplaatst.
- Begin bij 30% maximale stimulatoroutput, verhoog geleidelijk de TMS-intensiteit met stappen van 2% totdat ep-leden worden geobserveerd.
- Zodra de optimale locatie is geïdentificeerd, waar EP-leden betrouwbaar kunnen worden opgewekt op de meerderheid (~ 75%) van de pulsen met de laagst mogelijke stimulatorintensiteit, bepaalt u de rustmotordrempel (RMT) door het intensiteitsniveau te vinden dat EP-leden produceert met een piek-tot-piekamplitude van > 50 μV op vijf van de 10 pulsen.
- Markeer de positie door voorzichtig dunne stroken reflecterende tape op het hoofd van de deelnemer langs de omtrek van de spoel te plaatsen. Behoud de positie van de spoel door de spoel handmatig vast te houden of door een standaard te gebruiken om deze te ondersteunen.
8. Taak instellen bereiken
- Leg een klittenbandhandschoen aan de rechterhand van de deelnemer om een ontspannen power grip houding te vergemakkelijken.
- Bevestig de stylus aan de handschoen en adviseer het onderwerp om de hand ontspannen te houden tussen het bereiken van bewegingen.
- Communiceer de taakinstructies, die als volgt zijn: Leid de cursor naar de startpositie onder aan het scherm. U ziet een aanwijzing op een van de twee doellocaties. Wanneer het doel kleur invult, bereik dan zo snel en zo nauwkeurig mogelijk door het doel. Keer dan terug naar de thuispositie. Geef locaties van thuisposities, signalen en doelen aan (figuur 1A).
- Coach de deelnemer om met de stylus zo snel en zo nauwkeurig mogelijk door doelen te snijden. Doe de lichten in de taakruimte uit om het zicht van de deelnemer op armbewegingen te verbergen en de zichtbaarheid van de taakmonitor te verbeteren.
9. Taakontwerp
- Bedien visuele stimuluspresentatie met Psychtoolbox 3.0 in Matlab 2018 (Supplementary Coding File 1).
- Gebruik de volgende parameters om overeen te komen met de huidige gegevens: 20 oefenproeven; 270 testproeven; TMS op 4/5 van de testproeven; TMS valt samen met het begin van de voorbereidende cue (baseline TMS) of 100 ms vóór de imperatieve cue (delay TMS) met gelijke frequentie; 1/10 van de totale proeven zijn vangstproeven, waarbij de imperatieve aanwijzing niet voorkomt; de thuispositie is een cirkel met een straal van 2 cm in het onderste midden van de werkruimte; twee cirkelvormige doelen met een straal van 1 cm bevinden zich op 15 cm van de thuispositie op +45° en -45° van de middellijn.
- Stel de volgorde en duur van de gebeurtenis als volgt in: voorbereidende cue op 900 ms en imperatieve cue op 900 ms.
10. TMS-administratie
- De VETA-toolbox beheert gelijktijdig TMS en registreert EMG-https://github.com/greenhouselab/Veta.
- Controleer de timing van de TMS-pulsen met de VETA-toolbox om samen te vallen met de gekozen gedragsgebeurtenissen (d.w.z. het begin van de voorbereidende cue of 100 ms voorafgaand aan het begin van het doel).
- Lever TMS met voldoende frequentie om een voldoende aantal EP-leden voor analyse te garanderen.
OPMERKING: Zoals geschreven, zal de taakcode een TMS-puls leveren op 4/5 van de totale proeven, hetzij aan het begin van de voorbereidende cue- om baseline EP-leden uit te lokken - of 100 ms vóór de imperatieve cue - om vertraagde EP-leden uit te lokken. Parameters kunnen in de code worden aangepast aan de behoeften van de gebruiker. Studies zonder TMS kunnen worden gebruikt om gedragsprestaties te evalueren bij afwezigheid van TMS. Dit is handig voor het bepalen van een mogelijke invloed van TMS op de prestaties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Succesvolle uitvoering van de beschreven methoden omvat de registratie van tabletgegevens, EMG-sporen en betrouwbare elicitatie van EP-leden. Een experiment werd voltooid dat 270 testproeven met TMS omvatte die op 4/5 van de onderzoeken werden afgeleverd (216 onderzoeken).
Gegevens werden verzameld van 16 deelnemers (acht vrouwen; acht mannen) in de leeftijd van 25 ± 10 jaar, die allemaal zelf als rechtshandig rapporteerden. We beoordeelden de effectiviteit van de visuele verstoring op gedragsprestaties door een leerfunctie af te leiden voor één representatieve deelnemer. Deze gegevens zijn weergegeven in figuur 1B en laten zien dat de handdoelfout van de deelnemer zich aanpaste aan de verstorings- en uitspoelingsomstandigheden zoals verwacht. We evalueerden ook de standaarddeviatie van de doelfout tijdens baseline-bereiken, die ongeveer 4,5 ° bedroeg (figuur 1B). Dit komt overeen met eerdere studies24.
Bij elke proef werd één TMS-puls afgeleverd. De helft van de pulsen werd geleverd bij baseline en de helft werd geleverd tijdens een voorbereidende vertragingsperiode (figuur 2A). Een gemiddelde van 91 ± 23 basislijn en 88 ± 20 vertraagde EP-leden werden met succes geregistreerd per deelnemer, wat overeenkomt met respectievelijk 84% en 81% slagingspercentages. Europarlementariërs werden alleen geteld wanneer de amplitudes de 0,05 mV overschreden. Reach-trajecten werden met succes vastgelegd van de grafische tablet op alle onderzoeken, met uitzondering van vangstproeven (d.w.z. onderzoeken waarin de "go" -cue niet werd gepresenteerd en onderzoeken waarin deelnemers er niet in slaagden een bereik te initiëren of vóór de imperatieve cue werden gestart).
De gemiddelde vertragingsperiode (duur tussen de voorbereidende en imperatieve cue) was 915 ± 0,5 ms (gemiddelde ± standaarddeviatie). Baseline TMS werd toegediend 26 ± 8 ms na het begin van de voorbereidende cue, en de vertraging TMS was 126 ± 3 ms voorafgaand aan het begin van de imperatieve cue (figuur 2B). De consistente afwijking van de beoogde TMS-toedieningstijd geeft in elk geval aan dat verdere optimalisatie nodig is om rekening te houden met ongewenste latenties die door hardware- of softwarecomponenten worden geïntroduceerd. De relatief lage proportionele variantie in deze latenties suggereert echter dat dit meestal vaste vertragingen zijn die kunnen worden gecontroleerd met aanvullende pilottests en aangeven dat de timing van gebeurtenissen over het algemeen betrouwbaar is in verschillende onderzoeken.
Figuur 1: Gedragsgegevens verzameld van de tablet. (A) De werkruimte omvat de thuispositie (donkerblauw), twee doelen (cyaan) en een representatieve reeks bereiktrajecten uit het pre-blootstellingsblok van een enkele deelnemer. (B) Doelfout werd berekend als de afstand in graden van het eindpunt van het bereik tot het midden van het doel. Proefbakken zijn het gemiddelde van twee opeenvolgende onderzoeken per bak en de gegevens worden gescheiden door experimentele blokken: pre-blootstelling (onbeschaduwd), blootstelling (rood), uitwassen bij afwezigheid van feedback (groen) en uitwassen met veridische feedback (niet-overschaduwd). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Voorbeeld traceringen van EP-leden. (A) Representatieve EP-leden en overeenkomstige fotodiodespoor voor beide experimentele tijdperken (baseline en delay). (B) Negatieve baseline MEP-latentie (-26 ± 8 ms) geeft aan dat de TMS-stimulus arriveerde na de voorbereidende cue, terwijl positieve vertraging MEP-latentie (126 ± 3 ms) aangeeft dat de TMS-stimulus vóór het gewenste tijdstip (100 ms voorafgaand aan de imperatieve cue) is aangekomen. Latenties worden gemiddeld over alle deelnemers (n = 16). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende figuur 1: Blauwdruk van het bereikapparaat. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 1: Code voor visuele stimulatie. Het delayed_reach_TMS.m-bestand bevat een taakcode voor het besturen van de tablet, stimuluspresentatie, transcraniële magnetische stimulatie en elektromyografie-opname. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De hierboven beschreven methoden bieden een nieuwe benadering voor het bestuderen van motorische voorbereiding in de context van het bereiken van gedrag. Hoewel bereiken een populaire modeltaak is in de studie van motorische controle en leren, is er behoefte aan een nauwkeurige evaluatie van de CS-dynamiek die verband houdt met het bereiken van gedrag. TMS biedt een niet-invasieve, temporeel nauwkeurige methode voor het vastleggen van CS-activiteit op discrete tijdstippen tijdens het bereiken. De hier beschreven aanpak combineert twee onafhankelijke deelgebieden - TMS en reiken - in een enkel paradigma dat de gelijktijdige registratie van kinematische en elektrofysiologische metrieken omvat.
Hoewel de beschreven methoden het potentieel hebben om belangrijke inzichten in actiebeheersing in de context van bereiken te onthullen, zijn er bepaalde beperkingen en overwegingen. Het belangrijkste is dat de betrouwbaarheid van mep-metingen afhangt van de stabiliteit van de EMG-activiteit voorafgaand aan tms-administratie, evenals het aantal ep-leden dat27 gevangen heeft genomen. Het is van cruciaal belang dat de kwaliteit van EMG-gegevens wordt beoordeeld voordat gegevens worden verzameld. Voor voldoende statistische kracht worden minimaal 20 MEP-metingen per taakconditie aanbevolen. Bovendien, terwijl veranderingen in de MEP een kwantitatieve verandering in CS-exciteerbaarheid vertegenwoordigen, produceren de aard van TMS en de resulterende MEP een nogal ruwe, samenvattende metriek van CS-activiteit, en hun causale relatie met gedrag moet met voorzichtigheid worden geïnterpreteerd15. Bovendien vereist de grafische tablet dat de stylus contact houdt met het tabletoppervlak, wat het bereik van taken en gripopeningen die kunnen worden gebruikt, beperkt.
Ondanks de beperkingen van dit specifieke protocol, is de combinatie van TMS en EMG voor het indexeren van de prikkelbaarheid van het motorische systeem tijdens gedragstaken anders dan bereiken goed ingeburgerd15. Voordelen van deze gecombineerde aanpak zijn onder meer de mogelijkheid om cs-prikkelbaarheidsdynamiek te meten, zelfs bij afwezigheid van openlijke beweging, evenals in taak-irrelevante spieren. Deze aanpak biedt ook een hoge temporele precisie, in de orde van milliseconden. Bovendien kan het hier beschreven protocol worden aangepast om te werken met een willekeurig aantal EMG-apparaten die rechtstreeks communiceren met een stimuluspresentatiecomputer via de vermelde invoer- / uitvoerapparaten.
Gezien deze voordelen kan het protocol helpen de kloof tussen menselijke en dierlijke studies te overbruggen. Een grote hoeveelheid onderzoek bij niet-menselijke primaten heeft de elektrofysiologische mechanismen onderzocht die verband houden met bereiken en motorisch leren in de context van bereiken. Verder onderzoek bij mensen met behulp van de gecombineerde TMS- en EMG-benadering kan helpen om niet-menselijke elektrofysiologie en menselijke gedragsbevindingen te overbruggen. Eerdere studies van europarlementariërs in de context van bereiken hebben een faciliterend effect van TMS aangetoond tijdens de voorbereiding op bereik en greep wanneer de pariëtale cortex, premotorische cortex en pariëtale M1-circuits werden gestimuleerd voorafgaand aan beweging 8,14. De amplitudes van rust evoked potentials gemeten met elektro-encefalografie 75 tot 150 ms na TMS over de M1 werden echter verminderd na krachtveldadapatatie13. De genuanceerde relatie tussen het bereiken van voorbereiding, aanpassing en veranderingen in CS rechtvaardigt verder onderzoek. Bovendien zal replicatie, door dezelfde set hulpmiddelen en methoden in laboratoria te gebruiken, haalbaarder zijn, en dit zal de interpreteerbaarheid van studieresultaten ten goede komen.
Hoewel de focus hier ligt op TMS van de M1, hebben verschillende studies dual-site TMS gebruikt om interacties tussen corticale gebieden (bijv. Pariëtale cortex en M1) te onderzoeken. Hoewel veel van deze studies tijdens rust werden uitgevoerd, onderzocht een handvol studies cortico-corticale interacties in de context van bereikplanning en -uitvoering. Dual-site TMS toonde stimulatie van de posterieure pariëtale cortex vergemakkelijkte M1 prikkelbaarheid bij 50 ms en ~ 100 ms na een auditieve "go" -cue om een voorbereid contralateraal bereik28 te initiëren. Er zijn aanvullende methoden vastgesteld voor tms-benaderingen met dubbele spoel die toepassingen omvatten tijdens doelgericht bereik-om-te-grijpen-gedrag29. Het hier beschreven protocol vormt een aanvulling op deze eerdere studies en methoden en kan ook gemakkelijk worden aangepast voor tms-studies met twee locaties.
De voorbeeldtaakcode bestaat uit een vertraagde reactietaak met twee potentiële doelen. Parameters zoals proefnummers, doel- en cursorkenmerken, visuele feedback en TMS-levering kunnen worden aangepast om een verscheidenheid aan onderzoeksvragen te beantwoorden. Gegevens die met deze aanpak zijn geregistreerd, omvatten gedragskinematica van de tablet en elektrofysiologische metingen van het EMG. Voorlopige resultaten toonden aan dat TMS- en gedragsmetingen een betrouwbare timing vertonen en voldoende gevoeligheid voor variabiliteit in bereikrichtingen in onderzoeken. Deze methoden en resultaten zijn een proof of concept voor toekomstig onderzoek naar de neurale mechanismen van het bereiken via TMS met behulp van deze aanpak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Alle auteurs verklaren dat er geen sprake is van belangenconflicten
Acknowledgments
Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door de genereuze financiering van het Knight Campus Undergraduate Scholars-programma en de Phil and Penny Knight Foundation
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T. On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex. The Journal of Neuroscience. 2 (11), 1527-1537 (1982).
- Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).
- Kim, H. E., Morehead, J. R., Parvin, D. E., Moazzezi, R., Ivry, R. B. Invariant errors reveal limitations in motor correction rather than constraints on error sensitivity. Communications Biology. 1, 19 (2018).
- Huberdeau, D. M., Krakauer, J. W., Haith, A. M. Dual-process decomposition in human sensorimotor adaptation. Current Opinion in Neurobiology. 33, 71-77 (2015).
- Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control. Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 89-108 (2010).
- Filimon, F., Nelson, J. D., Hagler, D. J., Sereno, M. I. Human cortical representations for reaching: Mirror neurons for execution, observation, and imagery. NeuroImage. 37 (4), 1315-1328 (2007).
- Hammon, P. S., Makeig, S., Poizner, H., Todorov, E., de Sa, V. R. Predicting reaching targets from human EEG. IEEE Signal Processing Magazine. 25 (1), 69-77 (2008).
- Busan, P., et al. Effect of transcranial magnetic stimulation (TMS) on parietal and premotor cortex during planning of reaching movements. PloS One. 4 (2), 4621 (2009).
- Busan, P., et al. Transcranial magnetic stimulation and preparation of visually-guided reaching movements. Frontiers in Neuroengineering. 5, 18 (2012).
- Lega, C., et al. The topography of visually guided grasping in the premotor cortex: a dense-transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping study. The Journal of Neuroscience. 40 (35), 6790-6800 (2020).
- Marigold, D. S., Lajoie, K., Heed, T. No effect of triple-pulse TMS medial to intraparietal sulcus on online correction for target perturbations during goal-directed hand and foot reaches. PloS One. 14 (10), 0223986 (2019).
- Savoie, F. -A., Dallaire-Jean, L., Thenault, F., Whittingstall, K., Bernier, P. -M. Single-pulse TMS over the parietal cortex does not impair sensorimotor perturbation-induced changes in motor commands. eNeuro. 7 (2), (2020).
- Taga, M., et al. Motor adaptation and internal model formation in a robot-mediated forcefield. Psychoradiology. 1 (2), 73-87 (2021).
- Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1110 (2015).
- Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Boyd, S., Marsden, C. D. Stimulation of the human motor cortex through the scalp. Experimental Physiology. 76 (2), 159-200 (1991).
- Bestmann, S., Duque, J. Transcranial magnetic stimulation: decomposing the processes underlying action preparation. The Neuroscientist. 22 (4), 392-405 (2016).
- Kim, H. E., Avraham, G., Ivry, R. B. The psychology of reaching: action selection, movement implementation, and sensorimotor learning. Annual Review of Psychology. 72 (1), 61-95 (2021).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Explicit and implicit processes constitute the fast and slow processes of sensorimotor learning. The Journal of Neuroscience. 35 (26), 9568-9579 (2015).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Implications of plan-based generalization in sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 383-393 (2017).
- McDougle, S. D., Ivry, R. B., Taylor, J. A. Taking aim at the cognitive side of learning in sensorimotor adaptation tasks. Trends in Cognitive Sciences. 20 (7), 535-544 (2016).
- Morehead, J. R., Qasim, S. E., Crossley, M. J., Ivry, R. Savings upon re-aiming in visuomotor adaptation. The Journal of Neuroscience. 35 (42), 14386-14396 (2015).
- Taylor, J. A., Krakauer, J. W., Ivry, R. B. Explicit and implicit contributions to learning in a sensorimotor adaptation task. The Journal of Neuroscience. 34 (8), 3023-3032 (2014).
- Tsay, J. S., Kim, H. E., Parvin, D. E., Stover, A. R., Ivry, R. B. Individual differences in proprioception predict the extent of implicit sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 125 (4), 1307-1321 (2021).
- Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
- 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).
- Koch, G., et al. Functional interplay between posterior parietal and ipsilateral motor cortex revealed by twin-coil transcranial magnetic stimulation during reach planning toward contralateral space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
- Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments. (156), e60706 (2020).
