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Neuroscience

Beurteilung der kortikospinalen Erregbarkeit während des zielgerichteten Reichweitenverhaltens

Published: December 2, 2022 doi: 10.3791/64238

Summary

Erreichen ist eine grundlegende Fähigkeit, die es dem Menschen ermöglicht, mit der Umwelt zu interagieren. Mehrere Studien haben darauf abgezielt, das Erreichen des Verhaltens mit einer Vielzahl von Methoden zu charakterisieren. Dieser Artikel bietet eine Open-Source-Anwendung der transkraniellen Magnetstimulation zur Beurteilung des Zustands der kortikospinalen Erregbarkeit beim Menschen während des Erreichens der Aufgabenleistung.

Abstract

Reaching ist ein weit verbreitetes Verhalten in der motorischen Physiologie und neurowissenschaftlichen Forschung. Während das Erreichen mit einer Vielzahl von Verhaltensmanipulationen untersucht wurde, gibt es nach wie vor erhebliche Lücken im Verständnis der neuronalen Prozesse, die an der Planung, Ausführung und Kontrolle der Reichweite beteiligt sind. Der hier beschriebene neuartige Ansatz kombiniert eine zweidimensionale Reichweitenaufgabe mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) und gleichzeitiger Elektromyographie-Aufzeichnung (EMG) von mehreren Muskeln. Diese Methode ermöglicht die nichtinvasive Detektion der kortikospinalen Aktivität zu präzisen Zeitpunkten während der Entfaltung von Reichweitenbewegungen. Der Beispiel-Task-Code enthält eine verzögerte Response-Reach-Aufgabe mit zwei möglichen Zielen, die ± 45° von der Mittellinie entfernt angezeigt werden. Einzelpuls-TMS wird bei den meisten Aufgabenversuchen abgegeben, entweder zu Beginn des vorbereitenden Cues (Baseline) oder 100 ms vor dem imperativen Cue (Verzögerung). Dieses Probendesign eignet sich zur Untersuchung von Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit während der Reach-Präparation. Der Beispielcode enthält auch eine visuomotorische Störung (d.h. eine Cursordrehung von ± 20°), um die Auswirkungen der Anpassung auf die kortikospinale Erregbarkeit während der Reach-Vorbereitung zu untersuchen. Die Aufgabenparameter und die TMS-Abgabe können angepasst werden, um spezifische Hypothesen über den Zustand des motorischen Systems während des Reichweitenverhaltens zu berücksichtigen. In der ersten Implementierung wurden bei 83 % der TMS-Studien motorisch evozierte Potenziale (MEPs) erfolgreich ermittelt, und bei allen Studien wurden Reichweitenverläufe aufgezeichnet.

Introduction

Zielgerichtetes Erreichen ist ein grundlegendes motorisches Verhalten, das es dem Menschen ermöglicht, mit der äußeren Umgebung zu interagieren und diese zu manipulieren. Das Studium des Erreichens in den Bereichen Motorphysiologie, Psychologie und Neurowissenschaften hat eine reiche und umfangreiche Literatur hervorgebracht, die eine Vielzahl von Methoden umfasst. Frühe Studien zum Erreichen nutzten direkte neuronale Aufzeichnungen bei nicht-menschlichen Primaten, um die neuronale Aktivität auf der Ebene einzelner Neuronenzu untersuchen 1,2. Neuere Studien haben das Erreichen von Verhaltensparadigmen untersucht, die sensomotorische Anpassung einsetzen, um die Natur des motorischen Lernens und der Kontrolle zu erforschen 3,4,5. Solche Verhaltensaufgaben in Kombination mit funktioneller Magnetresonanztomographie und Elektroenzephalographie können die gesamte Gehirnaktivität während des Erreichens beim Menschen messen 6,7. Andere Studien haben Online-TMS verwendet, um verschiedene Merkmale der Reichweitenvorbereitung und -ausführungzu untersuchen 8,9,10,11,12,13,14. Es besteht jedoch weiterhin Bedarf an einem Open-Source- und flexiblen Ansatz, der die Verhaltensbewertung des Erreichens mit TMS kombiniert. Während der Nutzen der Kombination von TMS mit Verhaltensprotokollen sehr gut etabliert ist15, untersuchen wir hier speziell die Anwendung von TMS im Kontext der Verwendung eines Open-Source-Ansatzes. Dies ist insofern neu, als andere Gruppen, die mit dieser Kombination von Methoden publiziert haben, ihre Werkzeuge nicht ohne weiteres zur Verfügung gestellt haben, was eine direkte Replikation verbietet. Dieser Open-Source-Ansatz erleichtert die Replikation, den Datenaustausch und die Möglichkeit von Multi-Site-Studien. Sollten andere neue Forschungsfragen mit ähnlichen Werkzeugen verfolgen wollen, kann der Open-Source-Code als Sprungbrett für Innovationen dienen, da er leicht anpassbar ist.

TMS bietet ein nicht-invasives Mittel zur Sondierung des motorischen Systems zu genau kontrollierten Zeitpunkten16. Wenn TMS über den primären motorischen Kortex (M1) appliziert wird, kann es eine messbare Ablenkung im Elektromyogramm eines Zielmuskels hervorrufen. Die Amplitude dieser Spannungswelle, die als motorisch evoziertes Potential (MEP) bekannt ist, liefert einen Index für den momentanen Erregbarkeitszustand des kortikospinalen (CS) Weges - ein resultierendes Analogon aller erregenden und hemmenden Einflüsse auf den CS-Weg17. Neben einer zuverlässigen Messung der intrinsischen CS-Erregbarkeit innerhalb des Probanden kann TMS mit anderen Verhaltens- oder kinematischen Metriken kombiniert werden, um die Beziehungen zwischen CS-Aktivität und Verhalten zeitlich präzise zu untersuchen. Viele Studien haben eine Kombination aus TMS und Elektromyographie (EMG) verwendet, um eine Vielzahl von Fragen über das motorische System zu beantworten, zumal diese Kombination von Methoden es ermöglicht, MEPs unter einer Vielzahl von Verhaltensbedingungen zu untersuchen15. Ein Bereich, in dem sich dies als besonders nützlich erwiesen hat, ist die Untersuchung der Aktionsvorbereitung, meistens durch die Untersuchung von Einzelgelenkbewegungen18. Allerdings gibt es vergleichsweise weniger TMS-Studien zu naturalistischen Mehrgelenkbewegungen wie z.B. dem Greifen.

Das aktuelle Ziel war es, eine Aufgabe mit verzögerter Reaktion zu entwickeln, die Verhaltenskinematik, Online-Einzelpuls-TMS-Verabreichung und gleichzeitige EMG-Aufzeichnung von mehreren Muskeln umfasst. Die Aufgabe umfasst ein zweidimensionales Punkt-zu-Punkt-Reichweiten-Paradigma mit visuellem Online-Feedback unter Verwendung eines horizontal ausgerichteten Monitors, so dass das visuelle Feedback mit den Reichweitenbahnen übereinstimmt (d.h. eine 1:1-Beziehung während des veridischen Feedbacks und keine Transformation zwischen visuellem Feedback und Bewegung). Das aktuelle Design beinhaltet auch eine Reihe von Versuchen mit einer visuomotorischen Störung. Im angegebenen Beispiel ist dies eine 20°-Drehverschiebung des Cursor-Feedbacks. Frühere Studien haben ein ähnliches Paradigma verwendet, um Fragen zu den Mechanismen und Berechnungen zu beantworten, die mit der sensomotorischen Anpassung verbunden sind 19,20,21,22,23,24,25. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz, die Erregbarkeitsdynamik des motorischen Systems zu bestimmten Zeitpunkten während des motorischen Online-Lernens zu bewerten.

Da sich das Erreichen als fruchtbares Verhalten für die Untersuchung von Lernen / Anpassung erwiesen hat, hat die Bewertung der CS-Erregbarkeit im Kontext dieses Verhaltens ein enormes Potenzial, die neuronalen Substrate zu beleuchten, die an diesen Verhaltensweisen beteiligt sind. Dazu können lokale hemmende Einflüsse, Veränderungen der Tuning-Eigenschaften, das Timing neuronaler Ereignisse usw. gehören, wie sie in der Forschung an nicht-menschlichen Primaten festgestellt wurden. Diese Merkmale waren jedoch bei Menschen und klinischen Populationen schwieriger zu quantifizieren. Die neuronale Dynamik kann auch in Abwesenheit von offener Bewegung beim Menschen mit dem kombinierten TMS- und EMG-Ansatz (d.h. während der Vorbereitung der Bewegung oder in Ruhe) untersucht werden.

Die vorgestellten Tools sind Open-Source, und der Code ist leicht anpassbar. Dieses neuartige Paradigma wird wichtige Erkenntnisse über die Mechanismen liefern, die an der Vorbereitung, Ausführung, Beendigung und Anpassung von Reichweitenbewegungen beteiligt sind. Darüber hinaus hat diese Kombination von Methoden das Potenzial, Zusammenhänge zwischen Elektrophysiologie und Reichweitenverhalten beim Menschen aufzudecken.

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Protocol

Alle hier beschriebenen Methoden wurden in Übereinstimmung mit dem IRB-Protokoll und der Genehmigung (University of Oregon IRB-Protokollnummer 10182017.017) durchgeführt. Von allen Probanden wurde eine Einwilligung nach Aufklärung eingeholt.

1. Greifapparat

  1. Platzieren Sie ein großes Grafiktablett flach auf einem Schreibtisch.
  2. Verwenden Sie einen verstellbaren 80-20-Aluminiumrahmen, um den Aufgabenmonitor 6-8 Zoll über dem Tablet parallel zu positionieren, wobei der Bildschirm nach oben zeigt (eine Blaupause finden Sie hier: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS und ergänzende Abbildung 1).
    HINWEIS: Dieses Setup ermöglicht es den Teilnehmern, über das Tablet zu greifen und Ziele zu erfassen, die auf dem Aufgabenmonitor angezeigt werden, während die Sicht auf ihren ausgestreckten Arm verdeckt wird.
  3. Verwenden Sie den in Kim et al.3 beschriebenen Aufbau als Referenz.

2. Maschinenschnittstellen

  1. Verbinden Sie das Tablet über einen USB-Anschluss mit dem Computer. Schließen Sie den Task-Monitor über den HDMI-Anschluss an den Computer an. Schließen Sie den rückseitigen TMS-Anschluss über ein DB-9-Kabel an den Computer an.
  2. Schließen Sie das EMG-System über eine PCI-6220-Karten-Datenerfassung an den Computer an. Verbinden Sie die Fotodiode über ein BNC-Kabel mit dem EMG-System.

3. Fotodioden-Sensor

  1. Schließen Sie einen Fotodiodensensor an das BNC-Kabel an. Befestigen Sie den Fotodiodensensor mit Klebeband in der oberen rechten Ecke des Aufgabenmonitors, wobei der Sensor ≤ 1 cm entfernt auf den Bildschirm gerichtet ist.
    HINWEIS: Dadurch wird das Timing von Stimuli, die auf dem Aufgabenmonitor als analoge Daten in einem unabhängigen Eingangskanal dargestellt werden, aufgezeichnet.

4. Software

  1. Laden Sie die VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) für MATLAB 2018 herunter, um eine Schnittstelle zur Hardware für die Datenerfassung herzustellen.
  2. Laden Sie den Reaching-Task-Code (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) herunter, der für die Kontrolle der experimentellen Parameter und die Verbindung mit dem Tablet entwickelt wurde.

5. Teilnehmer-Screening und Einwilligungserklärung

  1. Untersuchen Sie das Subjekt auf Kontraindikationen für TMS. Zu den Ausschlusskriterien gehören eine persönliche oder familiäre Vorgeschichte von Krampfanfällen, Kopfschmerzen, Hirntrauma, Ohnmacht, chronischem Stress oder Angstzuständen, Schlafstörungen und neuroaktiven Medikamenten. Weitere Ausschlusskriterien sind Metallimplantate im Gehirn oder Schädel sowie Drogen- oder Alkoholkonsum in den 24 Stunden vor dem Test. Zu den Einschlusskriterien gehörten Rechtshändigkeit und ein Alter zwischen 18 und 35 Jahren.
  2. Geben Sie eine schriftliche Erklärung des Verfahrens und der damit verbundenen Risiken ab und klären Sie alle weiteren Fragen, die der Teilnehmer möglicherweise hat.
  3. Einholung der Einverständniserklärung der Teilnehmer.

6. Einrichtung des Betreffs

  1. Positionieren Sie das Subjekt in einem bequemen Stuhl, der dem Tablet zugewandt ist. Stellen Sie sicher, dass die Knie um 90° gebeugt sind und die Beine unter dem Schreibtisch liegen.
  2. Bereiten Sie die Haut vor und platzieren Sie EMG-Elektroden.
    1. Verwenden Sie feinkörniges Schleifpapier, um die Haut an der Stelle des rechten ersten dorsalen Interossei (FDI), des Extensor carpi radialis und der vorderen Deltamuskeln sowie der C4-Prominenz an der Basis des Halses sanft abzuschleifen, um elektrische Artefakte zu erkennen, die durch den TMS-Impuls erzeugt werden.
      HINWEIS: Muskelaufzeichnungsseiten können je nach Benutzerbedürfnissen angepasst werden.
    2. Tupfen Sie jeden abgeschliffenen Bereich einmal pro Elektrodenstelle mit einem Alkoholvorbereitungspad ab, um ihn zu reinigen.
    3. Platzieren Sie eine EMG-Elektrode an jeder Stelle. Stellen Sie sicher, dass die Elektroden senkrecht zu den Muskelfasern verlaufen. Platzieren Sie die Erdungselektrode auf dem knöchernen Vorsprung des rechten Ellenbogens.
    4. Sichern Sie jede Elektrode mit medizinischem Klebeband.
  3. Überprüfen Sie die Qualität der EMG-Aufnahme. Verwenden Sie die VETA-Toolbox, um alle EMG-Leiterbahnen zu visualisieren und sicherzustellen, dass sie frei von Artefakten sind. Wenn EMG-Spuren laut sind, stellen Sie sicher, dass der Boden richtig platziert ist und dass alle Elektroden den richtigen Kontakt mit der Haut haben.

7. Transkranielle Magnetstimulation

  1. Schalten Sie das TMS-Gerät ein.
  2. Finden Sie den TMS-Hotspot des rechten FDI-Muskels durch Stimulation des linken M1.
    1. Platzieren Sie die Spule ~ 5 cm seitlich und 2 cm vor dem Scheitelpunkt des Kopfes, ~ 45 ° von der Mittellinie entfernt.
    2. TMS-Impulse alle 4 s verabreichen, während die Spule in Schritten von ca. 5 mm in der anterior-posterioren und medial-lateralen Ebene neu positioniert wird.
    3. Beginnen Sie mit einer maximalen Stimulatorleistung von 30 % und erhöhen Sie die TMS-Intensität schrittweise um 2 %, bis MEPs beobachtet werden.
    4. Sobald der optimale Ort identifiziert ist, an dem MEPs bei der Mehrheit (~ 75%) der Impulse mit der geringstmöglichen Stimulatorintensität zuverlässig ausgelöst werden können, bestimmen Sie die Ruhemotorschwelle (RMT), indem Sie das Intensitätsniveau ermitteln, das MEPs mit einer Spitze-Spitze-Amplitude von >50 μV bei fünf von 10 Impulsen erzeugt.
    5. Markieren Sie die Position, indem Sie vorsichtig dünne Streifen reflektierendes Klebeband auf den Kopf des Teilnehmers entlang des Umfangs der Spule legen. Halten Sie die Spulenpositionierung aufrecht, indem Sie die Spule entweder manuell halten oder einen Ständer verwenden, um sie zu stützen.

8. Erreichen des Task-Setups

  1. Legen Sie einen Velcro Handschuh auf die rechte Hand des Teilnehmers, um eine entspannte Power-Grip-Haltung zu ermöglichen.
  2. Befestigen Sie den Stift am Handschuh und weisen Sie das Subjekt an, die Hand zwischen den Bewegungen entspannt zu halten.
  3. Kommunizieren Sie die Aufgabenanweisungen, die wie folgt lauten: Führen Sie den Cursor zur Ausgangsposition am unteren Bildschirmrand. Sie sehen einen Hinweis an einem von zwei Zielorten. Wenn sich das Ziel mit Farbe füllt, erreichen Sie das Ziel so schnell und so genau wie möglich. Kehren Sie dann in die Ausgangsposition zurück. Geben Sie die Positionen von Ausgangspositionen, Hinweisen und Zielen an (Abbildung 1A).
  4. Trainieren Sie den Teilnehmer, Ziele mit dem Stift so schnell und genau wie möglich zu schneiden. Schalten Sie die Lichter im Aufgabenraum aus, um die Sicht des Teilnehmers auf die Armbewegungen zu verdecken und die Sichtbarkeit des Aufgabenmonitors zu verbessern.

9. Aufgabengestaltung

  1. Steuern Sie die visuelle Stimuluspräsentation mit Psychtoolbox 3.0 in Matlab 2018 (Supplementary Coding File 1).
  2. Verwenden Sie die folgenden Parameter, um die aktuellen Daten abzugleichen: 20 Praxisversuche; 270 Testversuche; TMS bei 4/5 der Testversuche; TMS fällt entweder mit dem vorbereitenden Cue-Beginn (Baseline-TMS) oder 100 ms vor dem imperativen Cue (Verzögerungs-TMS) mit gleicher Häufigkeit zusammen; 1/10 aller Versuche sind Fangversuche, bei denen der imperative Hinweis nicht erscheint; Die Ausgangsposition ist ein Kreis mit einem Radius von 2 cm, der in der unteren Mitte des Arbeitsbereichs positioniert ist. Zwei kreisförmige Ziele mit einem Radius von 1 cm werden 15 cm von der Ausgangsposition entfernt bei +45° und -45° von der Mittellinie entfernt.
  3. Legen Sie die Ereignisreihenfolge und -dauer wie folgt fest: vorbereitender Hinweis auf 900 ms und imperativer Hinweis auf 900 ms.

10. TMS-Verwaltung

  1. Die VETA-Toolbox verwaltet gleichzeitig das TMS und zeichnet EMG-https://github.com/greenhouselab/Veta auf.
  2. Kontrollieren Sie das Timing der TMS-Impulse mit der VETA-Toolbox so, dass sie mit den ausgewählten Verhaltensereignissen übereinstimmen (z. B. dem Beginn des vorbereitenden Hinweises oder 100 ms vor dem Zielbeginn).
  3. Bereitstellung von TMS mit ausreichender Häufigkeit, um eine ausreichende Anzahl von Abgeordneten für die Analyse zu gewährleisten.
    HINWEIS: Wie geschrieben, liefert der Aufgabencode einen TMS-Impuls bei 4/5 der gesamten Versuche, entweder zu Beginn des vorbereitenden Hinweises, um Basis-MEPs hervorzurufen, oder 100 ms vor dem imperativen Cue, um verzögerte MEPs hervorzurufen. Parameter können im Code entsprechend den Benutzerbedürfnissen angepasst werden. Studien ohne TMS können verwendet werden, um die Verhaltensleistung ohne TMS zu bewerten. Dies ist nützlich, um einen möglichen Einfluss von TMS auf die Leistung zu ermitteln.

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Representative Results

Die erfolgreiche Durchführung der beschriebenen Methoden umfasst die Aufzeichnung von Tablettendaten, EMG-Spuren und die zuverlässige Erhebung von MEPs. Es wurde ein Experiment durchgeführt, das 270 Testversuche mit TMS umfasste, die in 4/5 der Studien (216 Studien) durchgeführt wurden.

Die Daten wurden von 16 Teilnehmern (acht Frauen, acht Männer) im Alter von 25 ± 10 Jahren erhoben, die sich alle als Rechtshänder bezeichneten. Wir bewerteten die Wirksamkeit der visuellen Störung auf die Verhaltensleistung, indem wir eine Lernfunktion für einen repräsentativen Teilnehmer ableiteten. Diese Daten sind in Abbildung 1B dargestellt und zeigen, dass sich der Handzielfehler des Teilnehmers wie erwartet an die Störungs- und Auswaschbedingungen angepasst hat. Wir bewerteten auch die Standardabweichung des Zielfehlers während der Baseline-Reichweiten, die etwa 4,5° betrug (Abbildung 1B). Dies steht im Einklang mit früheren Studien24.

Bei jedem Versuch wurde ein TMS-Impuls abgegeben. Die Hälfte der Impulse wurde zu Beginn und die andere Hälfte während einer vorbereitenden Verzögerungsphase abgegeben (Abbildung 2A). Pro Teilnehmer wurden durchschnittlich 91 ± 23 Baseline- und 88 ± 20 Delay-Abgeordnete erfolgreich registriert, was einer Erfolgsquote von 84 % bzw. 81 % entspricht. MEPs wurden nur gezählt, wenn Amplituden 0,05 mV überschritten. Die Reichweitenverläufe wurden bei allen Versuchen erfolgreich vom Grafiktablett erfasst, mit Ausnahme von Fangversuchen (d. h. Versuche, in denen der "Go"-Queue nicht präsentiert wurde, und Trials, in denen die Teilnehmer entweder keine Reichweite initiierten oder vor dem imperativen Queue initiierten).

Die durchschnittliche Verzögerungszeit (Dauer zwischen dem vorbereitenden und dem imperativen Hinweis) betrug 915 ± 0,5 ms (Mittelwert ± Standardabweichung). Die Baseline-TMS wurde 26 ± 8 ms nach dem Beginn der vorbereitenden Cues verabreicht, und die Delay-TMS betrug 126 ± 3 ms vor dem Beginn des imperativen Cue-Beginns (Abbildung 2B). Die konsequente Abweichung von der jeweils vorgesehenen TMS-Administrationszeit weist darauf hin, dass weitere Optimierungen erforderlich sind, um unerwünschte Latenzen zu berücksichtigen, die durch Hardware- oder Softwarekomponenten verursacht werden. Die relativ geringe proportionale Varianz dieser Latenzen deutet jedoch darauf hin, dass es sich meist um feste Verzögerungen handelt, die mit zusätzlichen Pilottests kontrolliert werden können, und darauf hindeuten, dass das Timing von Ereignissen im Allgemeinen über Studien hinweg zuverlässig ist.

Figure 1
Abbildung 1: Verhaltensdaten, die vom Tablet gesammelt wurden . (A) Der Arbeitsbereich enthält die Ausgangsposition (dunkelblau), zwei Ziele (Cyan) und einen repräsentativen Satz von Reichweitentrajektorien aus dem Vorbelichtungsblock eines einzelnen Teilnehmers. (B) Der Zielfehler wurde berechnet als der Abstand in Grad vom Endpunkt der Reichweite bis zur Mitte des Ziels. Versuchsbehälter sind der Mittelwert von zwei aufeinanderfolgenden Versuchen pro Behälter, und die Daten sind durch experimentelle Blöcke getrennt: Vorbelichtung (nicht schattiert), Belichtung (rot), Auswaschung ohne Rückkopplung (grün) und Auswaschung mit veridischer Rückkopplung (nicht schattiert). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: Beispiel-MEP-Traces. (A) Repräsentative MEPs und korrespondierende Photodioden-Spur für beide experimentellen Epochen (Baseline und Delay). (B) Die negative MEP-Latenz (-26 ± 8 ms) zeigt an, dass der TMS-Stimulus nach dem vorbereitenden Reiz eingetroffen ist, während die MEP-Latenz mit positiver Verzögerung (126 ± 3 ms) anzeigt, dass der TMS-Stimulus vor dem gewünschten Zeitpunkt (100 ms vor dem imperativen Reiz) angekommen ist. Die Latenzen werden über alle Teilnehmer gemittelt (n = 16). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Ergänzende Abbildung 1: Bauplan des Greifapparates. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Kodierungsdatei 1: Code für visuelle Stimulation. Die delayed_reach_TMS.m-Datei enthält einen Aufgabencode für die Steuerung der Tablette, die Stimuluspräsentation, die transkranielle Magnetstimulation und die Elektromyographie-Aufzeichnung. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

Die oben skizzierten Methoden bieten einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung der motorischen Vorbereitung im Zusammenhang mit dem Erreichen von Verhaltensweisen. Obwohl das Erreichen eine beliebte Modellaufgabe in der Erforschung der motorischen Kontrolle und des Lernens darstellt, besteht die Notwendigkeit, die CS-Dynamik, die mit dem Reichverhalten verbunden ist, genau zu bewerten. TMS bietet eine nicht-invasive, zeitlich präzise Methode zur Erfassung der CS-Aktivität zu diskreten Zeitpunkten während des Erreichens. Der hier beschriebene Ansatz kombiniert zwei unabhängige Teilbereiche - TMS und das Erreichen eines einzigen Paradigmas, das die gleichzeitige Erfassung von kinematischen und elektrophysiologischen Metriken beinhaltet.

Während die beschriebenen Methoden das Potenzial haben, wichtige Erkenntnisse zur Handlungssteuerung im Kontext des Erreichens zu liefern, gibt es bestimmte Einschränkungen und Überlegungen. Am wichtigsten ist, dass die Zuverlässigkeit der MEP-Messungen von der Stabilität der EMG-Aktivität vor der TMS-Verabreichung sowie von der Anzahl der erfassten MEPsabhängt 27. Es ist wichtig, dass die EMG-Datenqualität vor der Datenerhebung bewertet wird. Für eine ausreichende statistische Aussagekraft werden mindestens 20 MEP-Messungen pro Aufgabenbedingung empfohlen. Während Änderungen im MEP eine quantitative Änderung der CS-Erregbarkeit darstellen, ergeben die Art des TMS und das daraus resultierende MEP eine ziemlich grobe, zusammenfassende Metrik der CS-Aktivität, und ihr kausaler Zusammenhang mit dem Verhalten sollte mit Vorsicht interpretiert werden15. Darüber hinaus erfordert das Grafiktablett, dass der Stift Kontakt mit der Tablettoberfläche hält, was den Bereich der Reichweitenaufgaben und die Grifföffnungen, die verwendet werden können, einschränkt.

Trotz der Einschränkungen dieses spezifischen Protokolls ist die Kombination von TMS und EMG zur Indexierung der Erregbarkeit des motorischen Systems bei anderen Verhaltensaufgaben als dem Erreichen gut etabliert15. Zu den Vorteilen dieses kombinierten Ansatzes gehört die Fähigkeit, die CS-Erregbarkeitsdynamik auch ohne offene Bewegung sowie in aufgabenirrelevanten Muskeln zu messen. Dieser Ansatz bietet auch eine hohe zeitliche Genauigkeit in der Größenordnung von Millisekunden. Darüber hinaus kann das hier beschriebene Protokoll so angepasst werden, dass es mit einer beliebigen Anzahl von EMG-Geräten arbeitet, die über die aufgeführten Ein-/Ausgabegeräte direkt mit einem Stimulus-Präsentationscomputer verbunden sind.

Angesichts dieser Vorteile kann das Protokoll dazu beitragen, die Lücke zwischen Human- und Tierstudien zu schließen. Eine große Anzahl von Forschungen an nichtmenschlichen Primaten hat die elektrophysiologischen Mechanismen untersucht, die mit dem Erreichen und dem motorischen Lernen im Zusammenhang mit dem Erreichen verbunden sind. Weitere Untersuchungen am Menschen mit dem kombinierten TMS- und EMG-Ansatz können dazu beitragen, eine Brücke zwischen nicht-humaner Elektrophysiologie und menschlichen Verhaltensbefunden zu schlagen. Frühere Studien mit MEPs im Zusammenhang mit dem Erreichen haben eine erleichternde Wirkung von TMS während der Reichweiten- und Greifvorbereitung gezeigt, wenn der parietale Kortex, der prämotorische Kortex und die parietalen M1-Schaltkreise vor der Bewegung stimuliert wurden 8,14. Die Amplituden der im Ruhezustand evozierten Potentiale, die mit der Elektroenzephalographie 75 bis 150 ms nach TMS über dem M1 gemessen wurden, waren jedoch nach der Kraftfeldanpassungreduziert 13. Die nuancierte Beziehung zwischen dem Erreichen von Vorbereitung, Anpassung und Veränderungen in CS rechtfertigt weitere Untersuchungen. Darüber hinaus wird durch die Verwendung der gleichen Werkzeuge und Methoden in allen Laboratorien die Replikation besser erreichbar sein, was die Interpretierbarkeit der Studienergebnisse verbessert.

Während der Fokus hier auf der TMS des M1 liegt, haben mehrere Studien Dual-Site-TMS verwendet, um Wechselwirkungen zwischen kortikalen Bereichen (z. B. parietaler Kortex und M1) zu untersuchen. Während viele dieser Studien in Ruhe durchgeführt wurden, untersuchte eine Handvoll Studien kortiko-kortikale Interaktionen im Zusammenhang mit der Reichweitenplanung und -durchführung. Dual-Site-TMS zeigte, dass die Stimulation des posterioren parietalen Kortex die Erregbarkeit von M1 bei 50 ms und ~100 ms nach einem auditiven "Go"-Hinweis erleichterte, um eine vorbereitete kontralaterale Reichweite zu initiieren28. Zusätzliche Methoden wurden für Dual-Coil-TMS-Ansätze etabliert, die Anwendungen während des zielgerichteten Reichweiten-zu-Greifen-Verhaltens einschließen29. Das hier beschriebene Protokoll ergänzt diese bisherigen Studien und Methoden und kann auch für Dual-Site-TMS-Studien angepasst werden.

Der Beispielaufgabencode besteht aus einer Aufgabe mit verzögerter Reaktion und zwei potenziellen Zielen. Parameter wie Studiennummern, Ziel- und Cursoreigenschaften, visuelles Feedback und TMS-Bereitstellung können angepasst werden, um eine Vielzahl von Forschungsfragen zu beantworten. Zu den Daten, die mit diesem Ansatz aufgezeichnet werden, gehören Verhaltenskinematiken aus der Tablette und elektrophysiologische Messungen aus dem EMG. Vorläufige Ergebnisse zeigten, dass TMS- und Verhaltensmessungen ein zuverlässiges Timing und eine ausreichende Empfindlichkeit gegenüber Variabilität der Reichweitenrichtungen über Studien hinweg aufweisen. Diese Methoden und Ergebnisse dienen als Proof of Concept für zukünftige Untersuchungen der neuronalen Mechanismen des Erreichens über TMS mit diesem Ansatz.

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Disclosures

Alle Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen

Acknowledgments

Diese Forschung wurde zum Teil durch die großzügige Finanzierung des Knight Campus Undergraduate Scholars-Programms und der Phil and Penny Knight Foundation ermöglicht

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Neuroscience Ausgabe 190
Beurteilung der kortikospinalen Erregbarkeit während des zielgerichteten Reichweitenverhaltens
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Gomez, I. N., Orsinger, S. R., Kim,More

Gomez, I. N., Orsinger, S. R., Kim, H. E., Greenhouse, I. Assessing Corticospinal Excitability During Goal-Directed Reaching Behavior. J. Vis. Exp. (190), e64238, doi:10.3791/64238 (2022).

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