Summary
Att nå är en grundläggande färdighet som gör det möjligt för människor att interagera med miljön. Flera studier har syftat till att karakterisera att nå beteende med hjälp av en mängd olika metoder. Detta papper erbjuder en öppen källkodsapplikation av transkraniell magnetisk stimulering för att bedöma tillståndet för kortikospinal excitabilitet hos människor under att nå uppgiftsprestanda.
Abstract
Att nå är ett allmänt studerat beteende inom motorfysiologi och neurovetenskaplig forskning. Medan räckvidd har undersökts med hjälp av en mängd olika beteendemanipulationer, finns det fortfarande betydande luckor i förståelsen av de neurala processerna som är involverade i räckviddsplanering, utförande och kontroll. Det nya tillvägagångssättet som beskrivs här kombinerar en tvådimensionell räckviddsuppgift med transkraniell magnetisk stimulering (TMS) och samtidig elektromyografi (EMG) inspelning från flera muskler. Denna metod möjliggör icke-invasiv detektion av kortikospinal aktivitet vid exakta tidpunkter under utvecklingen av att nå rörelser. Exempeluppgiftskoden innehåller ett fördröjt svar som når uppgiften med två möjliga mål som visas ± 45° utanför mittlinjen. Enkelpuls-TMS levereras på de flesta uppgiftsprövningar, antingen i början av den förberedande signalen (baslinjen) eller 100 ms före den imperativa signalen (fördröjning). Denna provdesign är lämplig för att undersöka förändringar i kortikospinal excitabilitet under räckviddsberedning. Provkoden inkluderar också en visuomotorisk störning (dvs. markörrotation på ± 20 °) för att undersöka effekterna av anpassning på kortikospinal excitabilitet under räckviddsberedning. Uppgiftsparametrarna och TMS-leveransen kan justeras för att ta itu med specifika hypoteser om motorsystemets tillstånd under uppnåendet av beteende. I den inledande implementeringen framkallades motoriska potentialer (MEPs) framgångsrikt på 83% av TMS-försöken, och räckviddsbanor registrerades på alla prövningar.
Introduction
Målstyrd räckvidd är ett grundläggande motoriskt beteende som gör det möjligt för människor att interagera med och manipulera den yttre miljön. Studien av att nå inom områdena motorfysiologi, psykologi och neurovetenskap har producerat rik och omfattande litteratur som innehåller en mängd olika metoder. Tidiga studier av att nå används direkta neurala inspelningar i icke-mänskliga primater för att undersöka neural aktivitet på nivån av enskilda neuroner 1,2. Nyare studier har undersökt att nå med hjälp av beteendeparadigmer som använder sensorimotorisk anpassning för att utforska arten av motorisk inlärning och kontroll 3,4,5. Sådana beteendeuppgifter i kombination med funktionell magnetisk resonanstomografi och elektroencefalografi kan mäta hela hjärnaktiviteten under att nåhos människor 6,7. Andra studier har tillämpat online TMS för att undersöka olika funktioner i räckviddsförberedelser och utförande 8,9,10,11,12,13,14. Det finns dock fortfarande ett behov av ett flexibelt tillvägagångssätt med öppen källkod som kombinerar beteendebedömningen av att nå med TMS. Även om nyttan av att kombinera TMS med beteendeprotokoll är mycket väl etablerad15, undersöker vi här specifikt tillämpningen av TMS inom ramen för att nå med hjälp av en öppen källkodsmetod. Detta är nytt genom att andra grupper som har publicerat med denna kombination av metoder inte har gjort sina verktyg lättillgängliga, vilket förbjuder direkt replikering. Denna metod med öppen källkod underlättar replikering, datadelning och möjligheten till studier på flera platser. Dessutom, om andra vill driva nya forskningsfrågor med liknande verktyg, kan öppen källkod fungera som en startplatta för innovation, eftersom den är lätt att anpassa.
TMS erbjuder ett icke-invasivt sätt att undersöka motorsystemet vid exakt kontrollerade tidpunkter16. När det appliceras över den primära motorcortexen (M1) kan TMS framkalla en mätbar avböjning i elektromyogrammet för en riktad muskel. Amplituden för denna spänningsvåg, känd som den motorframkallade potentialen (MEP), ger ett index över det momentana excitabilitetstillståndet för kortikospinal (CS) -vägen - en resulterande analog av alla excitatoriska och hämmande influenser på CS-vägen17. Förutom att tillhandahålla en tillförlitlig mätning inom ämnet av inneboende CS-excitabilitet, kan TMS kombineras med andra beteendemässiga eller kinematiska mätvärden för att undersöka relationerna mellan CS-aktivitet och beteende på ett tidsmässigt exakt sätt. Många studier har använt en kombination av TMS och elektromyografi (EMG) för att ta itu med en mängd olika frågor om motorsystemet, särskilt eftersom denna kombination av metoder gör det möjligt att undersöka parlamentsledamöter under ett brett spektrum av beteendeförhållanden15. Ett område där detta har visat sig vara särskilt användbart är i studiet av åtgärdsförberedelser, oftast genom studier av enledsrörelser18. Det finns dock jämförelsevis färre TMS-studier av naturalistiska flerledsrörelser som att nå.
Det nuvarande målet var att utforma en fördröjd respons som når uppgift som inkluderar beteendekinematik, online enpuls TMS-administration och samtidig EMG-inspelning från flera muskler. Uppgiften inkluderar ett tvådimensionellt punkt-till-punkt-nåsättningsparadigm med visuell feedback online med hjälp av en horisontellt orienterad bildskärm så att visuell feedback matchar räckviddsbanor (dvs. ett 1: 1-förhållande under veridisk feedback och ingen transformation mellan visuell feedback och rörelse). Den nuvarande designen innehåller också en uppsättning försök med en visuomotorisk störning. I det angivna exemplet är detta en 20 ° rotationsförskjutning i marköråterkopplingen. Tidigare studier har använt ett liknande paradigm för att ta itu med frågor om mekanismer och beräkningar associerade med sensorimotorisk anpassning 19,20,21,22,23,24,25. Dessutom gör detta tillvägagångssätt det möjligt att bedöma motorsystemets excitabilitetsdynamik vid exakta tidpunkter under online motorisk inlärning.
Eftersom att nå har visat sig vara ett fruktbart beteende för att undersöka inlärning / anpassning, har bedömning av CS-excitabilitet i samband med detta beteende enorm potential att belysa de neurala substraten som är involverade i dessa beteenden. Dessa kan inkludera lokala hämmande influenser, förändringar i inställningsegenskaper, tidpunkten för neurala händelser etc., som har fastställts i icke-mänsklig primatforskning. Emellertid, dessa funktioner har varit svårare att kvantifiera hos människor och kliniska populationer. Neural dynamik kan också undersökas i frånvaro av öppen rörelse hos människor med hjälp av den kombinerade TMS- och EMG-metoden (dvs. under beredningen av rörelse eller i vila).
Verktygen som presenteras är öppen källkod och koden är lätt att anpassa. Detta nya paradigm kommer att ge viktiga insikter om de mekanismer som är involverade i förberedelse, utförande, avslutning och anpassning av att nå rörelser. Dessutom har denna kombination av metoder potential att avslöja samband mellan elektrofysiologi och att nå beteende hos människor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla metoder som beskrivs här utfördes i enlighet med IRB-protokoll och godkännande (University of Oregon IRB-protokollnummer 10182017.017). Informerat samtycke erhölls från alla försökspersoner.
1. Nå apparatur
- Placera en stor grafikplatta platt på en stationär dator.
- Använd en justerbar 80-20 aluminiumram för att placera uppgiftsmonitorn 6-8 ovanför surfplattan parallellt, med skärmen uppåt (för en ritning, kolla här: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS och kompletterande figur 1).
OBS: Denna inställning gör det möjligt för deltagarna att nå över surfplattan och skaffa mål som presenteras på uppgiftsmonitorn medan de täcker synen på deras räckvidd. - Använd konfigurationen som beskrivs i Kim et al.3 som referens.
2. Maskinens gränssnitt
- Anslut surfplattan till datorn via en USB-port. Anslut uppgiftsmonitorn till datorn via HDMI-porten. Anslut den bakre TMS-porten till datorn via en DB-9-kabel.
- Anslut EMG-systemet till datorn via ett PCI-6220-kort DAQ. Anslut fotodioden till EMG-systemet via en BNC-kabel.
3. Fotodiodsensor
- Anslut en fotodiodsensor till BNC-kabeln. Fäst fotodiodsensorn med tejp i det övre högra hörnet av uppgiftsmonitorn, med sensorn vänd mot skärmen, ≤ 1 cm bort.
OBS: Detta kommer att registrera tidpunkten för stimuli som presenteras på uppgiftsmonitorn som analoga data i en oberoende ingångskanal.
4. Programvara
- Ladda ner VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) för MATLAB 2018 för gränssnitt med hårdvaran för datainsamling.
- Ladda ner den nåmande uppgiftskoden (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) som utvecklats för kontroll av experimentella parametrar och gränssnitt med surfplattan.
5. Deltagarscreening och informerat samtycke
- Screena ämnet för kontraindikationer för TMS. Exklusionskriterier inkluderar en personlig eller familjehistoria av anfall, huvudvärk, hjärntrauma, svimning, kronisk stress eller ångest, sömnproblem och neuroaktiva läkemedel. Ytterligare uteslutningskriterier inkluderar alla metallimplantat i hjärnan eller skallen och all rekreationsdrog- eller alkoholanvändning under 24 timmar före testning. Inklusionskriterierna inkluderade högerhänthet och ålder mellan 18 och 35 år.
- Ge en skriftlig förklaring av förfarandet och tillhörande risker och klargöra eventuella ytterligare frågor som deltagaren kan ha.
- Få informerat samtycke från deltagarna.
6. Inställning av ämne
- Placera motivet i en bekväm stol som vetter mot surfplattan. Se till att knäna är böjda till 90° med benen under skrivbordet.
- Förbered huden och placera EMG-elektroder.
- Använd finkornigt sandpapper för att försiktigt skada huden på platsen för höger första dorsal interossei (FDI), extensor carpi radialis och främre deltoidmuskler, liksom C4-framträdandet vid nackens botten, för att upptäcka elektriska artefakter som produceras av TMS-pulsen.
OBS: Muskelinspelningsplatser kan anpassas baserat på användarnas behov. - Svabba varje slipat område med en alkoholförberedande dyna en gång per elektrodplats för att rengöra.
- Placera en EMG-elektrod på varje plats. Se till att elektroderna löper vinkelrätt mot muskelfibrerna. Placera jordelektroden på höger armbåges beniga framträdande.
- Säkra varje elektrod med medicinsk tejp.
- Använd finkornigt sandpapper för att försiktigt skada huden på platsen för höger första dorsal interossei (FDI), extensor carpi radialis och främre deltoidmuskler, liksom C4-framträdandet vid nackens botten, för att upptäcka elektriska artefakter som produceras av TMS-pulsen.
- Kontrollera kvaliteten på EMG-inspelningen. Använd VETA-verktygslådan för att visualisera alla EMG-spår och se till att de är fria från artefakter. Om EMG-spåren är bullriga, se till att marken är ordentligt placerad och att alla elektroder kommer i rätt kontakt med huden.
7. Transkraniell magnetisk stimulering
- Slå på TMS-maskinen.
- Hitta TMS hot spot för höger FDI-muskel via stimulering av vänster M1.
- Placera spolen ~ 5 cm i sidled och 2 cm främre mot huvudets topp, orienterad ~ 45 ° från mittlinjen.
- Administrera TMS-pulser en gång var 4:e sekund medan spolen omplaceras i steg om cirka 5 mm i det främre-bakre och mediala sidoplanet.
- Börja med 30% maximal stimulatoreffekt, öka gradvis TMS-intensiteten med 2% steg tills parlamentsledamöterna observeras.
- När den optimala platsen har identifierats, vid vilken parlamentsledamöterna på ett tillförlitligt sätt kan framkallas på majoriteten (~ 75%) av pulser vid lägsta möjliga stimulatorintensitet, bestämmer du vilomotortröskeln (RMT) genom att hitta intensitetsnivån som producerar parlamentsledamöter med en topp-till-topp-amplitud på >50 μV på fem av 10 pulser.
- Markera positionen genom att försiktigt placera tunna remsor av reflekterande tejp på deltagarens huvud längs spolens omkrets. Behåll spolens positionering antingen genom att manuellt hålla spolen eller använda ett stativ för att stödja den.
8. Nå uppgiftsinställning
- Sätt en kardborrehandske på deltagarens högra hand för att underlätta en avslappnad kraftgreppsställning.
- Fäst pennan i handsken och råda motivet att hålla handen avslappnad mellan att nå rörelser.
- Kommunicera uppgiftsinstruktionerna, som är följande: Styr markören till hempositionen längst ner på skärmen. Du kommer att se en ledtråd på en av två målplatser. När målet fylls i med färg, nå genom målet så snabbt och så exakt som möjligt. Återvänd sedan till hemmapositionen. Ange platser för hempositioner, ledtrådar och mål (figur 1A).
- Coacha deltagaren att skära igenom mål med pennan så snabbt och så exakt som möjligt. Stäng av lamporna i uppgiftsrummet för att dölja deltagarens syn på armrörelser och förbättra synligheten för uppgiftsmonitorn.
9. Uppgiftens utformning
- Kontrollera visuell stimulanspresentation med Psychtoolbox 3.0 i Matlab 2018 (Kompletterande kodningsfil 1).
- Använd följande parametrar för att matcha aktuella data: 20 övningsförsök; 270 testförsök; TMS på 4/5 av testförsöken; TMS sammanfaller antingen med den förberedande cue-debuten (baslinje-TMS) eller 100 ms före imperativ cue (fördröjning TMS) med samma frekvens; 1/10 av de totala försöken är fångstförsök, där den tvingande ledtråden inte visas; hempositionen är en cirkel med en radie på 2 cm placerad i arbetsytans nedre mitt; Två cirkulära mål med 1 cm radie placeras 15 cm från hempositionen vid +45° och -45° bort från mittlinjen.
- Ange händelseordningen och varaktigheterna enligt följande: förberedande ledtråd vid 900 ms och imperativ cue vid 900 ms.
10. TMS-administration
- VETA-verktygslådan administrerar samtidigt TMS och registrerar EMG-https://github.com/greenhouselab/Veta.
- Kontrollera tidpunkten för TMS-pulserna med VETA-verktygslådan så att den sammanfaller med de valda beteendehändelserna (dvs. början av den förberedande ledtråden eller 100 ms före måldebuten).
- Leverera TMS med tillräcklig frekvens för att säkerställa ett tillräckligt antal parlamentsledamöter för analys.
OBS: Som skrivet kommer uppgiftskoden att leverera en TMS-puls på 4/5 av de totala försöken antingen i början av den förberedande ledtråden för att framkalla baslinje-parlamentsledamöter - eller 100 ms före den tvingande ledtråden för att framkalla försenade parlamentsledamöter. Parametrar kan justeras i koden enligt användarens behov. Försök utan TMS kan användas för att utvärdera beteendeprestanda i frånvaro av TMS. Detta är användbart för att bestämma eventuell påverkan av TMS på prestanda.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Framgångsrikt utförande av de beskrivna metoderna inkluderar registrering av tablettdata, EMG-spår och tillförlitlig elicitering av parlamentsledamöter. Ett experiment slutfördes som inkluderade 270 testförsök med TMS som levererades på 4/5 av försöken (216 försök).
Data samlades in från 16 deltagare (åtta kvinnor; åtta män) i åldern 25 ± 10 år, som alla självrapporterade som högerhänta. Vi bedömde effektiviteten av den visuella störningen på beteendeprestanda genom att härleda en inlärningsfunktion för en representativ deltagare. Dessa data presenteras i figur 1B och visar att deltagarens handmålfel justerats till störnings- och tvättförhållandena som förväntat. Vi utvärderade också målfelets standardavvikelse under baslinjens räckvidd, som ungefär var 4,5° (figur 1B). Detta överensstämmer med tidigare studier24.
En TMS-puls levererades vid varje försök. Hälften av pulserna levererades vid baslinjen och hälften levererades under en förberedande fördröjningsperiod (figur 2A). I genomsnitt registrerades 91 ± 23 utgångsvärden och 88 ± 20 försenade ledamöter per deltagare, vilket motsvarar 84 % respektive 81 % framgångsgrad. Ledamöterna räknades endast när amplituderna översteg .05 mV. Räckviddsbanor fångades framgångsrikt från grafikplattan på alla försök, exklusive fångstförsök (dvs. försök där "go" -ledtråden inte presenterades och försök där deltagarna antingen misslyckades med att initiera en räckvidd eller initierades före den tvingande ledtråden).
Den genomsnittliga fördröjningsperioden (varaktighet mellan den förberedande och tvingande signalen) var 915 ± 0,5 ms (medelvärde ± standardavvikelse). Baslinje-TMS administrerades 26 ± 8 ms efter förberedande cue-start, och fördröjnings-TMS var 126 ± 3 ms före imperativ cue-debut (figur 2B). Den konsekventa avvikelsen från den avsedda TMS-administrationstiden indikerar i varje fall att ytterligare optimering behövs för att ta hänsyn till oönskade latenser som introduceras av hårdvaru- eller programvarukomponenter. Den relativt låga proportionella variansen i dessa latenser tyder dock på att dessa mestadels är fasta fördröjningar som kan kontrolleras med ytterligare pilottester och indikerar att tidpunkten för händelser i allmänhet är tillförlitlig i alla prövningar.
Figur 1: Beteendedata som samlas in från surfplattan . (A) Arbetsytan innehåller hempositionen (mörkblå), två mål (cyan) och en representativ uppsättning räckviddsbanor från blocket före exponering för en enda deltagare. (B) Målfelet beräknades som avståndet i grader från räckviddens slutpunkt till målets mittpunkt. Testfack är medelvärdet av två på varandra följande försök per fack, och data separeras av experimentella block: Förexponering (oskuggad), exponering (röd), tvätt i frånvaro av feedback (grön) och tvättning med veridisk feedback (oskuggad). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Exempel på MEP-spårningar. (A) Representativa parlamentsledamöter och motsvarande fotodiodspår för båda försöksepokerna (baslinje och fördröjning). (B) Negativ baslinje-MEP-latens (-26 ± 8 ms) indikerar att TMS-stimulansen anlände efter den förberedande signalen, medan positiv fördröjning MEP-latens (126 ± 3 ms) indikerar att TMS-stimulansen anlände före önskad tidpunkt (100 ms före imperativ cue). Latenser beräknas i genomsnitt för alla deltagare (n = 16). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande figur 1: Ritning av den nåde apparaten. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 1: Kod för visuell stimulering. Den delayed_reach_TMS.m filen innehåller en uppgiftskod för att styra tabletten, stimulanspresentation, transkraniell magnetisk stimulering och elektromyografi inspelning. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Metoderna som beskrivs ovan erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att studera motorisk förberedelse i samband med att nå beteenden. Även om att nå representerar en populär modelluppgift i studien av motorstyrning och lärande, finns det ett behov av att exakt utvärdera CS-dynamiken i samband med att nå beteende. TMS erbjuder en icke-invasiv, tidsmässigt exakt metod för att fånga CS-aktivitet vid diskreta tidpunkter under räckhåll. Tillvägagångssättet som beskrivs här kombinerar två oberoende delfält - TMS och når in i ett enda paradigm som involverar samtidig inspelning av kinematiska och elektrofysiologiska mätvärden.
Även om de beskrivna metoderna har potential att avslöja viktiga insikter i handlingskontroll i samband med att nå, finns det vissa begränsningar och överväganden. Viktigast av allt är att tillförlitligheten i MEP-mätningar beror på stabiliteten i EMG-aktiviteten före TMS-administrationen, liksom antalet parlamentsledamöter som fångats27. Det är viktigt att EMG-datakvaliteten utvärderas före datainsamling. För tillräcklig statistisk styrka rekommenderas minst 20 MEP-mätningar per uppgiftsvillkor. Dessutom, medan förändringar i parlamentsledamoten representerar en kvantitativ förändring i CS-excitabilitet, ger TMS och den resulterande MEP: s natur ett ganska grovt, sammanfattande mått på CS-aktivitet, och deras orsakssamband med beteende bör tolkas med försiktighet15. Dessutom kräver grafikplattan att pennan håller kontakt med surfplattans yta, vilket begränsar utbudet av räckviddsuppgifter och greppöppningar som kan användas.
Trots begränsningarna i detta specifika protokoll är kombinationen av TMS och EMG för indexering av motorsystemets excitabilitet under andra beteendeuppgifter än att nå väl etablerad15. Fördelarna med detta kombinerade tillvägagångssätt inkluderar förmågan att mäta CS excitabilitetsdynamik även i frånvaro av öppen rörelse, såväl som i uppgiftsirrelevanta muskler. Detta tillvägagångssätt erbjuder också hög tidsmässig precision, i storleksordningen millisekunder. Dessutom kan protokollet som beskrivs här anpassas för att fungera med valfritt antal EMG-enheter som gränssnitt direkt med en stimulanspresentationsdator via de listade inmatnings- / utmatningsenheterna.
Med tanke på dessa fördelar kan protokollet hjälpa till att överbrygga klyftan mellan studier på människor och djur. En stor mängd forskning på icke-mänskliga primater har undersökt de elektrofysiologiska mekanismerna i samband med att nå och motorisk inlärning i samband med att nå. Ytterligare undersökningar på människor med hjälp av den kombinerade TMS- och EMG-metoden kan hjälpa till att överbrygga icke-mänsklig elektrofysiologi och mänskliga beteendefynd. Tidigare studier av parlamentsledamöter i samband med att nå har visat en underlättande effekt av TMS under räckvidds- och greppberedning när parietal cortex, premotorisk cortex och parietal-M1-kretsar stimulerades före rörelse 8,14. Amplituderna för vilopotential som mättes med elektroencefalografi 75 till 150 ms efter TMS över M1 reducerades emellertid efter kraftfältsadapation13. Det nyanserade förhållandet mellan att nå förberedelser, anpassning och förändringar i CS motiverar ytterligare utredning. Dessutom, genom att använda samma uppsättning verktyg och metoder över laboratorier, kommer replikering att vara mer uppnåelig, och detta kommer att underlätta tolkningen av studieresultat.
Medan fokus här ligger på TMS för M1, har flera studier använt TMS med dubbla platser för att undersöka interaktioner mellan kortikala områden (t.ex. parietal cortex och M1). Medan många av dessa studier genomfördes under vila, undersökte en handfull studier kortiko-kortikala interaktioner i samband med räckviddsplanering och genomförande. Dual-site TMS visade stimulering av den bakre parietala cortex underlättade M1 excitabilitet vid 50 ms och ~ 100 ms efter en auditiv "go" -ledtråd för att initiera en beredd kontralateral räckvidd28. Ytterligare metoder har etablerats för TMS-metoder med dubbla spolar som inkluderar applikationer under målstyrda reach-to-grasp-beteenden29. Protokollet som beskrivs här kompletterar dessa tidigare studier och metoder och kan enkelt anpassas även för TMS-studier med dubbla platser.
Exempeluppgiftskoden består av en fördröjd svarsuppgift med två potentiella mål. Parametrar som försöksnummer, mål- och marköregenskaper, visuell feedback och TMS-leverans kan justeras för att hantera en mängd olika forskningsfrågor. Data som registrerats med detta tillvägagångssätt inkluderar beteendekinematik från tabletten och elektrofysiologiska mätningar från EMG. Preliminära resultat visade att TMS och beteendemätningar uppvisar tillförlitlig timing och tillräcklig känslighet för variationer i räckviddsriktningar mellan prövningar. Dessa metoder och resultat står som bevis på koncept för framtida undersökningar av de neurala mekanismerna för att nå via TMS med hjälp av detta tillvägagångssätt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Alla författare förklarar att det inte finns några intressekonflikter
Acknowledgments
Denna forskning möjliggjordes delvis av den generösa finansieringen av Knight Campus Undergraduate Scholars-programmet och 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).
