Summary
Raggiungere è un'abilità fondamentale che consente all'uomo di interagire con l'ambiente. Diversi studi hanno mirato a caratterizzare il raggiungimento del comportamento utilizzando una varietà di metodologie. Questo articolo offre un'applicazione open-source della stimolazione magnetica transcranica per valutare lo stato di eccitabilità corticospinale negli esseri umani durante il raggiungimento delle prestazioni del compito.
Abstract
Raggiungere è un comportamento ampiamente studiato nella fisiologia motoria e nella ricerca neuroscientifica. Mentre il raggiungimento è stato esaminato utilizzando una varietà di manipolazioni comportamentali, rimangono lacune significative nella comprensione dei processi neurali coinvolti nella pianificazione, esecuzione e controllo della portata. Il nuovo approccio qui descritto combina un compito di raggiungimento bidimensionale con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) e la registrazione elettromiografica simultanea (EMG) da più muscoli. Questo metodo consente il rilevamento non invasivo dell'attività corticospinale in punti temporali precisi durante lo svolgimento dei movimenti di raggiungimento. Il codice dell'attività di esempio include una risposta ritardata che raggiunge l'attività con due possibili destinazioni visualizzate ± 45° dalla linea mediana. La TMS a impulso singolo viene erogata nella maggior parte delle prove di attività, sia all'inizio del segnale preparatorio (linea di base) o 100 ms prima del segnale imperativo (ritardo). Questo disegno di esempio è adatto per studiare i cambiamenti nell'eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. Il codice di esempio include anche una perturbazione visuomotoria (cioè una rotazione del cursore di ± 20°) per studiare gli effetti dell'adattamento sull'eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. I parametri dell'attività e la consegna TMS possono essere regolati per affrontare ipotesi specifiche sullo stato del sistema motorio durante il raggiungimento del comportamento. Nell'implementazione iniziale, i potenziali evocati motori (MEP) sono stati ottenuti con successo nell'83% degli studi TMS e le traiettorie di raggiungimento sono state registrate in tutti gli studi.
Introduction
Il raggiungimento diretto all'obiettivo è un comportamento motorio fondamentale che consente agli esseri umani di interagire e manipolare l'ambiente esterno. Lo studio del raggiungimento nei campi della fisiologia motoria, della psicologia e delle neuroscienze ha prodotto una letteratura ricca e ampia che include una varietà di metodologie. I primi studi sul raggiungimento hanno utilizzato registrazioni neurali dirette in primati non umani per studiare l'attività neurale a livello di singoli neuroni 1,2. Studi più recenti hanno studiato il raggiungimento utilizzando paradigmi comportamentali che impiegano l'adattamento sensomotorio per esplorare la natura dell'apprendimento motorio e del controllo 3,4,5. Tali compiti comportamentali combinati con la risonanza magnetica funzionale e l'elettroencefalografia possono misurare l'intera attività cerebrale durante il raggiungimento negli esseri umani 6,7. Altri studi hanno applicato TMS online per indagare varie caratteristiche della preparazione e dell'esecuzione della portata 8,9,10,11,12,13,14. Tuttavia, rimane la necessità di un approccio open source e flessibile che combini la valutazione comportamentale del raggiungimento con TMS. Mentre l'utilità di combinare TMS con protocolli comportamentali è molto ben consolidata15, qui, esaminiamo specificamente l'applicazione di TMS nel contesto del raggiungimento utilizzando un approccio open source. Questo è nuovo in quanto altri gruppi che hanno pubblicato utilizzando questa combinazione di metodi non hanno reso i loro strumenti prontamente disponibili, vietando la replica diretta. Questo approccio open source facilita la replica, la condivisione dei dati e la possibilità di studi multi-sito. Inoltre, se altri desiderano perseguire nuove domande di ricerca con strumenti simili, il codice open source può fungere da trampolino di lancio per l'innovazione, in quanto è facilmente adattabile.
TMS offre un mezzo non invasivo per sondare il sistema motore in punti temporali controllati con precisione16. Quando applicato sulla corteccia motoria primaria (M1), TMS può provocare una deflessione misurabile nell'elettromiogramma di un muscolo mirato. L'ampiezza di questa onda di tensione, nota come potenziale evocato del motore (MEP), fornisce un indice dello stato di eccitabilità momentanea della via corticospinale (CS), un analogo risultante di tutte le influenze eccitatorie e inibitorie sulla via CS17. Oltre a fornire una misurazione affidabile all'interno del soggetto dell'eccitabilità intrinseca della CS, la TMS può essere combinata con altre metriche comportamentali o cinematiche per indagare le relazioni tra attività e comportamento della CS in modo temporalmente preciso. Molti studi hanno utilizzato una combinazione di TMS ed elettromiografia (EMG) per rispondere a una serie di domande sul sistema motorio, in particolare perché questa combinazione di metodi consente di studiare i MEP in una vasta gamma di condizioni comportamentali15. Un'area in cui ciò si è dimostrato particolarmente utile è lo studio della preparazione all'azione, il più delle volte attraverso lo studio dei movimenti a singola articolazione18. Tuttavia, ci sono relativamente meno studi TMS di movimenti multi-articolari naturalistici come il raggiungimento.
L'obiettivo attuale era quello di progettare un'attività di raggiungimento della risposta ritardata che includesse cinematica comportamentale, somministrazione TMS a impulso singolo online e registrazione EMG simultanea da più muscoli. L'attività include un paradigma di raggiungimento punto-punto bidimensionale con feedback visivo online utilizzando un monitor orientato orizzontalmente in modo tale che il feedback visivo corrisponda alle traiettorie di raggiungimento (cioè una relazione 1: 1 durante il feedback veridico e nessuna trasformazione tra feedback visivo e movimento). Il progetto attuale include anche una serie di prove con una perturbazione visuomotrice. Nell'esempio fornito, si tratta di uno spostamento di rotazione di 20° nel feedback del cursore. Studi precedenti hanno utilizzato un paradigma di raggiungimento simile per affrontare domande sui meccanismi e sui calcoli associati all'adattamento sensomotorio 19,20,21,22,23,24,25. Inoltre, questo approccio consente di valutare le dinamiche di eccitabilità del sistema motorio in punti temporali precisi durante l'apprendimento motorio online.
Poiché il raggiungimento ha dimostrato di essere un comportamento fruttuoso per studiare l'apprendimento / adattamento, valutare l'eccitabilità CS nel contesto di questo comportamento ha un enorme potenziale per far luce sui substrati neurali coinvolti in questi comportamenti. Questi possono includere influenze inibitorie locali, cambiamenti nelle proprietà di sintonizzazione, la tempistica degli eventi neurali, ecc., Come è stato stabilito nella ricerca sui primati non umani. Tuttavia, queste caratteristiche sono state più difficili da quantificare negli esseri umani e nelle popolazioni cliniche. La dinamica neurale può anche essere studiata in assenza di movimento palese negli esseri umani utilizzando l'approccio combinato TMS ed EMG (cioè, durante la preparazione del movimento o a riposo).
Gli strumenti presentati sono open-source e il codice è facilmente adattabile. Questo nuovo paradigma produrrà importanti intuizioni sui meccanismi coinvolti nella preparazione, esecuzione, terminazione e adattamento dei movimenti raggiunti. Inoltre, questa combinazione di metodi ha il potenziale per scoprire le relazioni tra l'elettrofisiologia e il raggiungimento del comportamento negli esseri umani.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tutti i metodi qui descritti sono stati eseguiti in conformità con il protocollo IRB e l'approvazione (numero di protocollo IRB dell'Università dell'Oregon 10182017.017). Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti.
1. Apparato di raggiungimento
- Posizionare una tavoletta grafica di grandi dimensioni su un desktop.
- Utilizzare un telaio regolabile in alluminio 80-20 per posizionare il monitor di 6-8 pollici sopra il tablet in parallelo, con lo schermo rivolto verso l'alto (per un progetto, controllare qui: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS e Figura supplementare 1).
NOTA: questa configurazione consente ai partecipanti di raggiungere il tablet e acquisire obiettivi presentati sul monitor delle attività mentre occludono la visione del braccio che raggiunge. - Utilizzare la configurazione descritta in Kim et al.3 come riferimento.
2. Interfacce macchina
- Collegare il tablet al computer tramite una porta USB. Collegare il task monitor al computer tramite la porta HDMI. Collegare la porta TMS posteriore al computer tramite un cavo DB-9.
- Collegare il sistema EMG al computer tramite una scheda PCI-6220 DAQ. Collegare il fotodiodo al sistema EMG tramite un cavo BNC.
3. Sensore a fotodiodi
- Collegare un sensore a fotodiodi al cavo BNC. Fissare il sensore a fotodiodi con nastro adesivo nell'angolo superiore destro del monitor delle attività, con il sensore rivolto verso lo schermo, a ≤ di distanza 1 cm.
NOTA: questo registrerà i tempi degli stimoli presentati sul monitor delle attività come dati analogici in un canale di input indipendente.
4. Software
- Scarica VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) per MATLAB 2018 per interfacciarti con l'hardware per la raccolta dei dati.
- Scarica il reaching task code (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) sviluppato per il controllo dei parametri sperimentali e l'interfacciamento con il tablet.
5. Screening dei partecipanti e consenso informato
- Esaminare il soggetto per controindicazioni alla TMS. I criteri di esclusione includono una storia personale o familiare di convulsioni, mal di testa, traumi cerebrali, svenimenti, stress cronico o ansia, problemi con il sonno e qualsiasi farmaco neuroattivo. Ulteriori criteri di esclusione includono qualsiasi impianto metallico nel cervello o nel cranio e qualsiasi uso di droghe ricreative o alcol nelle 24 ore precedenti il test. I criteri di inclusione includevano la mano destra e l'età compresa tra 18 e 35 anni.
- Fornire una spiegazione scritta della procedura e dei rischi associati, chiarendo eventuali ulteriori domande che il partecipante potrebbe avere.
- Ottenere il consenso informato dei partecipanti.
6. Impostazione del soggetto
- Posizionare il soggetto su una comoda sedia rivolta verso il tablet. Assicurarsi che le ginocchia siano flesse a 90° con le gambe sotto la scrivania.
- Preparare la pelle e posizionare gli elettrodi EMG.
- Utilizzare carta vetrata a grana fine per abradere delicatamente la pelle nel sito del primo interossei dorsale destro (FDI), dell'estensore carpi radialis e dei muscoli deltoidi anteriori, nonché della prominenza C4 alla base del collo, per rilevare gli artefatti elettrici prodotti dall'impulso TMS.
NOTA: i siti di registrazione muscolare possono essere adattati in base alle esigenze dell'utente. - Tamponare ogni area abrasa con un tampone di preparazione dell'alcool una volta per sito dell'elettrodo da pulire.
- Posizionare un elettrodo EMG su ciascun sito. Assicurarsi che gli elettrodi funzionino perpendicolarmente alle fibre muscolari. Posizionare l'elettrodo di massa sulla prominenza ossea del gomito destro.
- Fissare ogni elettrodo con nastro medicale.
- Utilizzare carta vetrata a grana fine per abradere delicatamente la pelle nel sito del primo interossei dorsale destro (FDI), dell'estensore carpi radialis e dei muscoli deltoidi anteriori, nonché della prominenza C4 alla base del collo, per rilevare gli artefatti elettrici prodotti dall'impulso TMS.
- Controllare la qualità della registrazione EMG. Utilizza il toolbox VETA per visualizzare tutte le tracce EMG e assicurarti che siano prive di artefatti. Se le tracce EMG sono rumorose, assicurarsi che il terreno sia posizionato correttamente e che tutti gli elettrodi entrino in contatto con la pelle.
7. Stimolazione magnetica transcranica
- Accendere la macchina TMS.
- Trova il punto caldo TMS del muscolo FDI destro tramite la stimolazione della M1 sinistra.
- Posizionare la bobina ~5 cm lateralmente e 2 cm anteriormente al vertice della testa, orientata ~45° rispetto alla linea mediana.
- Somministrare impulsi TMS una volta ogni 4 s riposizionando la bobina con incrementi di circa 5 mm nel piano antero-posteriore e mediale-laterale.
- A partire dal 30% di uscita massima dello stimolatore, aumentare gradualmente l'intensità TMS di incrementi del 2% fino a quando non vengono osservati i MEP.
- Una volta identificata la posizione ottimale, in cui i MEP possono essere suscitati in modo affidabile sulla maggior parte (~ 75%) degli impulsi alla più bassa intensità possibile dello stimolatore, determinare la soglia del motore a riposo (RMT) trovando il livello di intensità che produce MEP con un'ampiezza picco-picco di >50 μV su cinque impulsi su 10.
- Segna la posizione posizionando delicatamente sottili strisce di nastro riflettente sulla testa del partecipante lungo il perimetro della bobina. Mantenere il posizionamento della bobina tenendo manualmente la bobina o utilizzando un supporto per supportarla.
8. Raggiungere la configurazione dell'attività
- Metti un guanto Velcro sulla mano destra del partecipante per facilitare una postura di presa di potenza rilassata.
- Attaccare lo stilo al guanto e consigliare al soggetto di mantenere la mano rilassata tra i movimenti di raggiungimento.
- Comunicare le istruzioni per l'attività, che sono le seguenti: Guidare il cursore verso la posizione iniziale nella parte inferiore dello schermo. Vedrai un segnale in una delle due posizioni di destinazione. Quando il bersaglio si riempie di colore, raggiungilo il bersaglio il più velocemente e nel modo più accurato possibile. Quindi tornare alla posizione di partenza. Indicare le posizioni delle posizioni di casa, i segnali e gli obiettivi (Figura 1A).
- Istruisci il partecipante a tagliare i bersagli con lo stilo nel modo più rapido e preciso possibile. Spegnere le luci nella sala delle attività per oscurare la visione dei movimenti delle braccia da parte del partecipante e migliorare la visibilità del monitor delle attività.
9. Progettazione delle attività
- Controlla la presentazione visiva degli stimoli con Psychtoolbox 3.0 in Matlab 2018 (Supplementary Coding File 1).
- Utilizzare i seguenti parametri per abbinare i dati attuali: 20 prove pratiche; 270 prove di prova; TMS su 4/5 delle prove di prova; TMS coincide con l'inizio del segnale preparatorio (TMS basale) o 100 ms prima del segnale imperativo (TMS ritardato) con uguale frequenza; 1/10 delle prove totali sono prove di cattura, in cui il segnale imperativo non appare; la posizione di casa è un cerchio con un raggio di 2 cm posizionato in basso al centro dello spazio di lavoro; Due bersagli circolari con raggio di 1 cm sono posizionati a 15 cm dalla posizione di casa a +45° e -45° di distanza dalla linea mediana.
- Imposta l'ordine e la durata degli eventi come segue: segnale preparatorio a 900 ms e segnale imperativo a 900 ms.
10. Amministrazione TMS
- Il toolbox VETA amministra contemporaneamente TMS e registra EMG https://github.com/greenhouselab/Veta.
- Controlla la temporizzazione degli impulsi TMS con il toolbox VETA in modo che coincida con gli eventi comportamentali scelti (ad esempio, l'inizio del segnale preparatorio o 100 ms che precede l'inizio del target).
- Fornire TMS con frequenza sufficiente a garantire un numero sufficiente di deputati per l'analisi.
NOTA: Come scritto, il codice dell'attività fornirà un impulso TMS su 4/5 delle prove totali all'inizio del segnale preparatorio - per suscitare i MEP di base - o 100 ms prima del segnale imperativo - per suscitare deputati ritardati. I parametri possono essere regolati nel codice in base alle esigenze dell'utente. Gli studi senza TMS possono essere utilizzati per valutare le prestazioni comportamentali in assenza di TMS. Ciò è utile per determinare qualsiasi possibile influenza di TMS sulle prestazioni.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
L'esecuzione di successo dei metodi descritti include la registrazione dei dati delle compresse, le tracce EMG e l'elicitazione affidabile dei deputati al Parlamento europeo. È stato completato un esperimento che comprendeva 270 prove di prova con TMS consegnato su 4/5 delle prove (216 prove).
I dati sono stati raccolti da 16 partecipanti (otto femmine; otto maschi) di età compresa tra 25 ± 10 anni, tutti auto-segnalati come destrorsi. Abbiamo valutato l'efficacia della perturbazione visiva sulle prestazioni comportamentali derivando una funzione di apprendimento per un partecipante rappresentativo. Questi dati sono presentati nella Figura 1B e mostrano che l'errore del bersaglio della mano del partecipante si è adattato alle condizioni di perturbazione e washout come previsto. Abbiamo anche valutato la deviazione standard dell'errore target durante i raggiungimenti di base, che si avvicinava a 4,5 ° (Figura 1B). Ciò è coerente con gli studi precedenti24.
Un impulso TMS è stato erogato su ogni prova. La metà degli impulsi è stata erogata al basale e l'altra metà è stata erogata durante un periodo di ritardo preparatorio (Figura 2A). Una media di 91 ± 23 deputati di riferimento e 88 ± 20 deputati di ritardo sono stati registrati con successo per partecipante, corrispondenti rispettivamente a tassi di successo dell'84% e dell'81%. I deputati sono stati contati solo quando le ampiezze hanno superato 0,05 mV. Le traiettorie di reach sono state acquisite con successo dalla tavoletta grafica in tutte le prove, escluse le prove di cattura (cioè le prove in cui il segnale "go" non è stato presentato e le prove in cui i partecipanti non sono riusciti a iniziare una reach o sono iniziate prima del segnale imperativo).
Il periodo medio di ritardo (durata tra il segnale preparatorio e imperativo) è stato di 915 ± 0,5 ms (deviazione media ± standard). La TMS basale è stata somministrata 26 ± 8 ms dopo l'insorgenza del segnale preparatorio e la TMS ritardata è stata di 126 ± 3 ms prima dell'insorgenza del segnale imperativo (Figura 2B). La deviazione costante dal tempo di somministrazione TMS previsto in ciascun caso indica che è necessaria un'ulteriore ottimizzazione per tenere conto delle latenze indesiderate introdotte dai componenti hardware o software. Tuttavia, la varianza proporzionale relativamente bassa in queste latenze suggerisce che si tratta per lo più di ritardi fissi che possono essere controllati con ulteriori test pilota e indicano che la tempistica degli eventi è generalmente affidabile tra gli studi.
Figura 1: Dati comportamentali raccolti dal tablet . (A) Lo spazio di lavoro include la posizione iniziale (blu scuro), due obiettivi (ciano) e un insieme rappresentativo di traiettorie di portata dal blocco pre-esposizione di un singolo partecipante. (B) L'errore del bersaglio è stato calcolato come la distanza in gradi dal punto finale della portata al centro del bersaglio. I contenitori di prova sono la media di due prove consecutive per contenitore e i dati sono separati da blocchi sperimentali: pre-esposizione (non ombreggiato), esposizione (rosso), washout in assenza di feedback (verde) e washout con feedback veridico (non ombreggiato). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Esempi di tracce MEP. (A) Deputati rappresentativi e traccia di fotodiodi corrispondenti per entrambe le epoche sperimentali (linea di base e ritardo). (B) La latenza MEP al basale negativa (-26 ± 8 ms) indica che lo stimolo TMS è arrivato dopo il segnale preparatorio, mentre la latenza MEP con ritardo positivo (126 ± 3 ms) indica che lo stimolo TMS è arrivato prima del punto temporale desiderato (100 ms prima del segnale imperativo). Le latenze sono mediate tra tutti i partecipanti (n = 16). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura supplementare 1: Progetto dell'apparato di raggiungimento. Clicca qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 1: Codice per la stimolazione visiva. Il file delayed_reach_TMS.m contiene un codice di attività per il controllo della compressa, la presentazione dello stimolo, la stimolazione magnetica transcranica e la registrazione elettromiografica. Clicca qui per scaricare questo file.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I metodi sopra descritti offrono un nuovo approccio allo studio della preparazione motoria nel contesto del raggiungimento dei comportamenti. Sebbene il raggiungimento rappresenti un compito modello popolare nello studio del controllo motorio e dell'apprendimento, è necessario valutare con precisione le dinamiche CS associate al raggiungimento del comportamento. TMS offre un metodo non invasivo e temporalmente preciso per catturare l'attività CS in punti temporali discreti durante il raggiungimento. L'approccio qui descritto combina due sottocampi indipendenti - TMS e raggiungere - in un unico paradigma che comporta la registrazione simultanea di metriche cinematiche ed elettrofisiologiche.
Mentre i metodi descritti hanno il potenziale per rivelare importanti intuizioni sul controllo delle azioni nel contesto del raggiungimento, ci sono alcune limitazioni e considerazioni. Ancora più importante, l'affidabilità delle misurazioni MEP dipende dalla stabilità dell'attività EMG prima della somministrazione TMS, nonché dal numero di MEP catturati27. È fondamentale che la qualità dei dati EMG sia valutata prima della raccolta dei dati. Per una potenza statistica sufficiente, si raccomanda un minimo di 20 misurazioni MEP per condizione di attività. Inoltre, mentre i cambiamenti nel MEP rappresentano un cambiamento quantitativo nell'eccitabilità della CS, la natura della TMS e del MEP risultante producono una metrica piuttosto grezza e sommaria dell'attività della CS, e la loro relazione causale con il comportamento dovrebbe essere interpretata con cautela15. Inoltre, la tavoletta grafica richiede che lo stilo mantenga il contatto con la superficie della tavoletta, il che limita la gamma di attività di raggiungimento e le aperture di presa che possono essere impiegate.
Nonostante i limiti di questo protocollo specifico, la combinazione di TMS ed EMG per l'indicizzazione dell'eccitabilità del sistema motorio durante compiti comportamentali diversi dal raggiungimento è ben consolidata15. I vantaggi di questo approccio combinato includono la capacità di misurare le dinamiche di eccitabilità CS anche in assenza di movimenti evidenti, nonché in muscoli irrilevanti per il compito. Questo approccio offre anche un'elevata precisione temporale, dell'ordine dei millisecondi. Inoltre, il protocollo qui descritto può essere adattato per funzionare con qualsiasi numero di dispositivi EMG che si interfacciano direttamente con un computer di presentazione dello stimolo tramite i dispositivi di input / output elencati.
Dati questi vantaggi, il protocollo può aiutare a colmare il divario tra studi sull'uomo e sugli animali. Un ampio corpo di ricerca sui primati non umani ha esaminato i meccanismi elettrofisiologici associati al raggiungimento e all'apprendimento motorio nel contesto del raggiungimento. Ulteriori indagini sugli esseri umani utilizzando l'approccio combinato TMS ed EMG possono aiutare a collegare l'elettrofisiologia non umana e i risultati comportamentali umani. Precedenti studi su MEP nel contesto del raggiungimento hanno mostrato un effetto facilitatore della TMS durante la preparazione della presa e della presa quando la corteccia parietale, la corteccia premotoria e i circuiti parietali-M1 sono stati stimolati prima del movimento 8,14. Tuttavia, le ampiezze dei potenziali evocati a riposo misurati con elettroencefalografia da 75 a 150 ms dopo TMS su M1 sono state ridotte in seguito all'adattamento del campo di forza13. La relazione sfumata tra il raggiungimento della preparazione, l'adattamento e i cambiamenti nella CS merita ulteriori indagini. Inoltre, utilizzando lo stesso insieme di strumenti e metodi in tutti i laboratori, la replica sarà più realizzabile e ciò aiuterà l'interpretabilità dei risultati dello studio.
Mentre l'attenzione qui è sulla TMS della M1, diversi studi hanno utilizzato TMS a doppio sito per indagare le interazioni tra aree corticali (ad esempio, corteccia parietale e M1). Mentre molti di questi studi sono stati condotti durante il riposo, una manciata di studi ha esaminato le interazioni cortico-corticali nel contesto della pianificazione e dell'esecuzione della portata. La TMS a doppio sito ha mostrato che la stimolazione della corteccia parietale posteriore ha facilitato l'eccitabilità di M1 a 50 ms e ~ 100 ms seguendo un segnale uditivo "go" per iniziare un reach controlaterale preparato28. Sono stati stabiliti metodi aggiuntivi per gli approcci TMS a doppia bobina che includono applicazioni durante comportamenti reach-to-grasp diretti all'obiettivo29. Il protocollo qui descritto integra questi studi e metodi precedenti e può essere facilmente adattato anche per studi TMS a doppio sito.
Il codice dell'attività di esempio è costituito da un'attività a risposta ritardata con due potenziali destinazioni. Parametri come i numeri di prova, le caratteristiche del target e del cursore, il feedback visivo e la consegna TMS possono essere regolati per rispondere a una varietà di domande di ricerca. I dati registrati con questo approccio includono la cinematica comportamentale dal tablet e le misurazioni elettrofisiologiche dall'EMG. I risultati preliminari hanno rivelato che la TMS e le misurazioni comportamentali mostrano tempi affidabili e sufficiente sensibilità alla variabilità nelle direzioni di portata tra gli studi. Questi metodi e risultati rappresentano la prova del concetto per future indagini sui meccanismi neurali di raggiungimento tramite TMS utilizzando questo approccio.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Tutti gli autori dichiarano che non ci sono conflitti di interesse
Acknowledgments
Questa ricerca è stata resa possibile in parte dal generoso finanziamento del programma Knight Campus Undergraduate Scholars e della 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).
