Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Комбинированная стимуляция периферических нервов и транскраниальная магнитная стимуляция с контролируемым параметром импульса для зондирования сенсомоторного контроля и обучения

Published: April 21, 2023 doi: 10.3791/65212
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Kinesiology and Health Sciences, University of Waterloo
* These authors contributed equally

Summary

Афферентное торможение с короткой латентностью (SAI) - это протокол транскраниальной магнитной стимуляции для зондирования сенсомоторной интеграции. В этой статье описывается, как SAI может быть использован для изучения конвергентных сенсомоторных петель в моторной коре во время сенсомоторного поведения.

Abstract

Квалифицированная моторика зависит от эффективной интеграции сенсорной афферентности в соответствующие двигательные команды. Афферентное торможение является ценным инструментом для исследования процедурного и декларативного влияния на сенсомоторную интеграцию во время квалифицированных двигательных действий. В этой рукописи описывается методология и вклад афферентного торможения (SAI) с короткой латентностью для понимания сенсомоторной интеграции. ВОА количественно оценивает влияние конвергентного афферентного залпа на кортикоспинальный двигательный выход, вызванный транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС). Афферентный залп запускается электрической стимуляцией периферического нерва. Стимул ТМС доставляется в место над первичной моторной корой, которое вызывает надежную моторную реакцию в мышце, обслуживаемой этим афферентным нервом. Степень торможения в моторно-вызванном ответе отражает величину афферентного залпа, сходящегося на моторной коре, и включает центральные ГАМКергические и холинергические вклады. Холинергическое вовлечение в ВОА делает ВОА возможным маркером декларативно-процедурных взаимодействий в сенсомоторной работе и обучении. Совсем недавно исследования начали манипулировать направлением тока ТМС в SAI, чтобы разобрать функциональное значение различных сенсомоторных цепей в первичной моторной коре для квалифицированных двигательных действий. Возможность управления дополнительными параметрами импульса (например, шириной импульса) с помощью современного контролируемого импульсного параметра TMS (cTMS) повысила селективность сенсомоторных цепей, исследуемых стимулом TMS, и предоставила возможность создавать более совершенные модели сенсомоторного контроля и обучения. Таким образом, настоящая рукопись посвящена оценке ВОА с использованием cTMS. Тем не менее, принципы, изложенные здесь, также применимы к ВОА, оцениваемому с использованием обычных стимуляторов ТМС с фиксированной шириной импульса и других форм афферентного ингибирования, таких как афферентное торможение с длительной латентностью (LAI).

Introduction

Множественные сенсомоторные петли сходятся в моторной коре, образуя проекции пирамидного тракта на спинальные двигательные нейроны и интернейроны1. Однако вопрос о том, как эти сенсомоторные петли взаимодействуют, формируя кортикоспинальные проекции и двигательное поведение, остается открытым. Афферентное торможение с короткой латентностью (SAI) предоставляет инструмент для исследования функциональных свойств конвергентных сенсомоторных петель в выходе моторной коры. ВОА сочетает моторную корковую транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС) с электрической стимуляцией соответствующего периферического афферентного нерва.

ТМС - это неинвазивный метод безопасной транссинаптической стимуляции пирамидных двигательных нейронов в головном мозгечеловека 2,3. ТМС включает в себя прохождение большого переходного электрического тока через спиральную проволоку, размещенную на коже головы. Переходный характер электрического тока создает быстро изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует электрический ток в мозге4. В случае однократного стимула ТМС индуцированный ток активирует серию возбуждающих входов в 5-7 пирамидных двигательных нейронов. Если сила генерируемых возбуждающих входов достаточна, нисходящая активность вызывает контралатеральную мышечную реакцию, известную как моторно-вызванный потенциал (MEP). Латентность MEP отражает время кортикомоторной проводимости8. Амплитуда MEP индексирует возбудимость кортикоспинальных нейронов9. Единичному стимулу ТМС, вызывающему MEP, также может предшествовать обусловливающий стимул10,11,12. Эти парадигмы парных импульсов могут быть использованы для индексации влияния различных пулов интернейронов на кортикоспинальный выход. В случае SAI периферический электрический кондиционирующий стимул используется для зондирования влияния афферентного залпа на двигательную корковую возбудимость11,13,14,15. Относительное время стимуляции ТМС и периферической электрической стимуляции выравнивает действие стимула ТМС на моторную кору с приходом афферентных проекций в моторную кору. Для SAI в дистальных мышцах верхних конечностей стимул срединного нерва обычно предшествует стимулу TMS на 18-24 мс11,13,15,16. В то же время SAI увеличивается по мере увеличения силы афферентного залпа, индуцированного периферическим стимулом, 13,17,18.

Несмотря на тесную связь с внешними свойствами афферентной проекции на моторную кору, ВОА является податливым явлением, участвующим во многих процессах двигательного контроля. Например, SAI снижается в мышцах, относящихся к задаче, перед предстоящим движением 19,20,21, но сохраняется в смежных двигательных представлениях, не относящихся к задаче19,20,22. Предполагается, что чувствительность к релевантности задачи отражает механизм23 торможения объемного звучания, направленный на уменьшение нежелательного привлечения эффекторов. Совсем недавно было высказано предположение, что снижение SAI в эффекторе, относящемся к задаче, может отражать феномен стробирования, связанный с движением, предназначенный для подавления ожидаемого сенсорного сродства21 и облегчения коррекции во время сенсомоторного планирования и выполнения24. Независимо от конкретной функциональной роли, SAI коррелирует со снижением ловкости рук и эффективности обработки25. Измененный SAI также связан с повышенным риском падения у пожилых людей 26 и нарушением сенсомоторной функции при болезни Паркинсона 26,27,28 и у лиц с фокальной дистонией рук 29.

Клинические и фармакологические данные указывают на то, что ингибирующие пути, опосредующие ВОА, чувствительны к центральной холинергической модуляции30. Например, введение антагониста мускариновых ацетилхолиновых рецепторов скополамина снижает SAI31. Напротив, увеличение периода полувыведения ацетилхолина с помощью ингибиторов ацетилхолинэстеразы усиливает SAI32,33. В соответствии с фармакологическими данными, SAI чувствителен к нескольким когнитивным процессам с центральным холинергическим вовлечением, включая возбуждение 34, вознаграждение35, распределение внимания 21,36,37 и память38,39,40. ВОА также изменяется в клинических популяциях с когнитивным дефицитом, связанным с потерей холинергических нейронов, таких как болезнь Альцгеймера 41,42,43,44,45,46,47, болезнь Паркинсона (с легкими когнитивными нарушениями)48,49,50 и легкие когнитивные нарушения 47.С. 51,52. Дифференциальная модуляция ВОА различными бензодиазепинами с дифференциальным сродством к различным типам субъединиц рецепторов γ-аминомасляной кислоты типа А (ГАМКА) позволяет предположить, что пути ингибирования ВОА отличаются от путей, опосредующих другие формы ингибирования парных импульсов30. Например, лоразепам снижает SAI, но усиливает кратковременное торможение коры головного мозга (SICI)53. Золпидем снижает SAI, но мало влияет на SICI53. Диазепам увеличивает SICI, но оказывает незначительное влияние на SAI53. Снижение ВОА этими положительными аллостерическими модуляторами функции рецептора ГАМКА в сочетании с наблюдением, что ГАМК контролирует высвобождение ацетилхолина в стволе мозга икоре 54, привело к гипотезе о том, что ГАМК модулирует холинергический путь, который проецируется на сенсомоторную кору, чтобы влиять на ВОА55.

В последнее время SAI используется для исследования взаимодействия между сенсомоторными петлями, которые устанавливают процессы процедурного моторного контроля, и теми, которые согласовывают процедурные процессы с явными нисходящими целями и процессами когнитивного контроля 21,36,37,38. Центральное холинергическое вовлечение в ВОА31 предполагает, что ВОА может индексировать исполнительное влияние на процедурный сенсомоторный контроль и обучение. Важно отметить, что эти исследования начали выявлять уникальные эффекты познания на конкретные сенсомоторные цепи путем оценки ВОА с использованием различных направлений тока ТМС. В исследованиях ВОА обычно используется задне-передний (ПА) индуцированный ток, в то время как только в нескольких исследованиях ВОА использовался передне-задний (АП) индуцированный ток55. Однако использование ТМС для индуцирования АП по сравнению с током ПА во время оценки ВОА задействует различные сенсомоторные цепи16,56. Например, AP-чувствительные, но не PA-чувствительные сенсомоторные цепи изменяются мозжечковой модуляцией37,56. Кроме того, AP-чувствительные, но не PA-чувствительные сенсомоторные цепи модулируются нагрузкойвнимания 36. Наконец, внимание и мозжечковые влияния могут сходиться в одних и тех же AP-чувствительных сенсомоторных цепях, что приводит к дезадаптивным изменениям в этих цепях37.

Достижения в технологии ТМС обеспечивают дополнительную гибкость для манипулирования конфигурацией стимула ТМС, используемого во время одноимпульсных, парных импульсных и повторяющихся применений57,58. Стимуляторы ТМС (цТМС) с контролируемыми параметрами импульса в настоящее время коммерчески доступны для исследовательского использования во всем мире, и они обеспечивают гибкий контроль над шириной и формойимпульса 57. Повышенная гибкость возникает за счет управления длительностью разряда двух независимых конденсаторов, каждый из которых отвечает за отдельную фазу стимула TMS. Двухфазная или монофазная природа стимула определяется относительной амплитудой разряда от каждого конденсатора, параметром, называемым М-соотношением. В исследованиях cTMS сочетались манипуляции с шириной импульса с различными направлениями тока, чтобы продемонстрировать, что фиксированная длительность импульса, используемая обычными стимуляторами ТМС (70-82 мкс)59,60, вероятно, привлекает сочетание функционально различных сенсомоторных цепей во время SAI 56. Таким образом, cTMS является захватывающим инструментом для дальнейшего распутывания функционального значения различных конвергентных сенсомоторных петель в сенсомоторных характеристиках и обучении.

В этой рукописи подробно описывается уникальный подход SAI к изучению сенсомоторной интеграции, который интегрирует периферическую электрическую стимуляцию с cTMS во время сенсомоторного поведения. Этот подход улучшает типичный подход ВОА, оценивая влияние афферентных проекций на отдельные популяции интернейронов в моторной коре, которые регулируют кортикоспинальный выход во время продолжающегося сенсомоторного поведения. Несмотря на то, что cTMS является относительно новым, она дает явное преимущество в изучении сенсомоторной интеграции в типичных и клинических популяциях. Кроме того, современный подход может быть легко адаптирован для использования с традиционными стимуляторами ТМС и для количественной оценки других форм афферентного торможения и фасилитации, таких как афферентное ингибирование с длительной латентностью (LAI)13 или афферентное облегчение с короткой латентностью (SAF)15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Следующий протокол может быть применен к различным экспериментам. Предоставленная информация подробно описывает эксперимент, в котором SAI используется для количественной оценки сенсомоторной интеграции во время реакции пальца на достоверно или неправильно подобранный зонд. В этом протоколе SAI оценивается без задачи, затем одновременно во время сенсомоторной задачи, а затем снова без задачи. Стимулятор цТМС может быть заменен любым коммерчески доступным обычным стимулятором ТМС. Однако ширина импульса обычного стимулятора ТМС будет зафиксирована в пределах 70-82 мкс в зависимости от конкретного аппаратногообеспечения 59,60. Это исследование было одобрено Управлением исследовательской этики Университета Ватерлоо. Все участники дали письменное информированное согласие.

1. Требования к аппаратному/программному обеспечению

ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 1 показана схема аппаратных требований для интеграции периферийных электрических стимуляторов и стимуляторов ТМС с управляемой компьютером сенсомоторной задачей. На рисунке 2A показана установка SAI для тока, индуцированного PA и AP-индуцированного тока. На рисунке 2B показана последовательность событий для сенсомоторной задачи и относительное время оценки ВОА. Стереотаксическая система наведения для отслеживания ориентации катушки ТМС относительно участника настоятельно рекомендуется для снижения вариабельности физиологического ответа, связанного с изменением положения катушки и траектории61.

Figure 1
Рисунок 1: Схема аппаратного обеспечения, используемого для оценки SAI в состоянии покоя и во время одновременного сенсомоторного поведения. PC1, который используется для управления сенсомоторной задачей и синхронизацией стимула cTMS / периферической электрической стимуляции, подключен к цифро-аналоговому преобразователю, способному генерировать выходной триггер TTL 5 В через USB-кабель. Для безусловных испытаний триггер от цифрового канала ввода-вывода 1 отправляется на стимулятор цТМС по кабелю BNC. Для условных испытаний триггеру от цифрового канала ввода-вывода 1, который направляется на стимулятор цТМС, предшествует триггер от цифрового канала ввода-вывода 2 к периферическому электростимулятору. Кабель BNC от канала выхода триггера на блоке cTMS отправляется на аналого-цифровую плату системы ЭМГ для запуска записи усилителя ЭМГ и отображения/сохранения данных программным обеспечением сбора данных ЭМГ на ПК2. Дополнительный кабель BNC от выхода триггера cTMS также отправляется в стереотаксическую систему наведения для записи положения катушки и траектории во время стимуляции cTMS. Сокращения: ПК = персональный компьютер; USB = универсальная последовательная шина; TTL = транзисторно-транзисторный логический триггерный кабель; BNC = байонетный разъем Нила-Консельмана; cTMS = транскраниальный магнитный стимулятор с контролируемым импульсным параметром; ТМС = транскраниальная магнитная стимуляция; A/D = аналого-цифровой; ЭМГ = электромиография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Настройка ВОА и сенсомоторная задача . (А) Схема установки для оценки ВОА в мышце ПИИ. Следует отметить, что индуцированный ток в головном мозге противоположен направлению тока в катушке ТМС. (B) Изображение действительного кия указательного пальца (вверху) и недействительного кия указательного пальца (внизу). Кий всегда изображается как верхний стимул (выделен пунктирным кругом). Цвет кия соответствует определенному отклику пальца. Участники были проинструктированы реагировать на цвет зонда как можно быстрее и точнее. Подсказки и зонды могут быть любого цвета. Вероятность верного сигнала составляла 70%. Неверные сигналы имели место в 30% испытаний. Сокращения: SAI = афферентное торможение с короткой латентностью; PA = задне-передний; АП = передне-задний; ПИИ = первая дорсальная межкостная; ЭМГ = электромиография; MNS = срединный нервный стимул. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Оснастить один персональный компьютер (ПК1) программным обеспечением для управления сенсомоторной задачей через цифро-аналоговую плату USB (или последовательного порта) с двумя цифровыми выходными каналами.
  2. Настройте программную процедуру без выполнения задач для управления порядком безусловных стимулов цТМС и стимулов ТМС, которые будут обусловлены периферической электрической стимуляцией с межстимульным интервалом (ISI) 21 мс. Рандомизируйте интервал между любыми двумя стимулами (например, условными или необусловленными), используя прямоугольное распределение с длительностью от 5 до 8 с.
    1. Убедитесь, что процедура посылает один цифровой выходной триггер на триггер в порту блока cTMS для безусловных стимулов. Убедитесь, что процедура отправляет отдельные цифровые выходы на блок cTMS и периферийный электростимулятор для условных стимулов.
    2. Убедитесь, что триггер периферического стимулятора предшествует триггеру cTMS на 21 мс. Убедитесь, что количество безусловных и условных стимулов составляет от 8 до 24. В идеале порядок безусловных и обусловленных испытаний должен быть рандомизирован.
  3. Настройте программную процедуру для управления сенсомоторной задачей. Убедитесь, что это программное обеспечение также блокирует по времени триггеры цифрового выхода, отправленные на cTMS и периферийные электростимуляторы, в определенную точку (точки) во время поведения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В описанном эксперименте использовалась сенсомоторная задача (рис. 2B). Триггеры периферического стимулятора и стимулятора цТМС были рассчитаны на 225-275 мс после начала сигнала ответа с использованием прямоугольного распределения. Цель этого времени состояла в том, чтобы оценить изменения в сенсомоторной интеграции на основе достоверности между сигналом ответа и сигналом предварительной подготовки, который был действителен в 70% всех испытаний.
  4. Оборудовать второй персональный компьютер (ПК2) двухканальным усилителем электромиографии (ЭМГ), подключенным к аналого-цифровому преобразователю. Убедитесь, что цифро-аналоговый преобразователь имеет цифровой входной канал для временной блокировки ЭМГ на стимул TMS. Убедитесь, что PC2 оснащен программным обеспечением для сбора данных ЭМГ для записи мышечных реакций, вызванных TMS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: PC1 можно использовать для управления сенсомоторной задачей и записи ЭМГ. Тем не менее, исследователи должны независимо проверить время срабатывания триггеров на стимуляторе ТМС, периферическом стимуляторе и системе ЭМГ. Несколько устройств, подключенных к одному ПК, увеличивают вероятность конфликтов центрального процессора, что приводит к нестабильности относительной синхронизации маркеров событий.
  5. Настройте программное обеспечение для сбора данных ЭМГ со следующими настройками: три канала записи, 2 ЭМГ, один входной триггер, триггерные записи с эпохой от −0.3 с до 0.5 с вокруг триггера TTL, коэффициент усиления ЭМГ 1,000x, частота дискретизации 4,000 Гц, полосовой фильтр от 3 Гц до 1 кГц и сетевой фильтр (опционально).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Текущий протокол использует эпохальный метод записи. Программное обеспечение для сбора данных ЭМГ непрерывно отслеживает сигнал ЭМГ. Однако отображаются и записываются только эпохальные данные, привязанные ко времени стимула ТМС.
  6. Подключите один цифровой выходной канал от PC1 к триггерному входу на стимуляторе cTMS. Подключите второй цифровой выходной канал от PC1 к триггерному входу на периферийном электростимуляторе. При использовании операционной системы ПК независимо подтвердите относительную синхронизацию двух цифровых выходов с ПК1.
  7. Подключите триггерный выход к цифровому входу системы ЭМГ. При использовании стереотаксической системы наведения может быть возможно разделить выход триггера на систему наведения для записи испытания по пробному положению катушки cTMS во время стимула cTMS.

2. Скрининг участников и информированное согласие

  1. Проведите скрининг участника на наличие противопоказаний к ТМС 9,62,63,64,65.
  2. Проинформируйте участника о целях и процедурах исследования. Просмотрите риски, изложенные в документе о согласии, утвержденном советом по этике учреждения. Ответьте на любые вопросы о потенциальных рисках. Получите письменное информированное согласие перед началом любых процедур исследования.

3. Электромиография (ЭМГ) размещение электродов

  1. Попросите участника сесть на экспериментальное кресло, положив локти на подлокотники стула и согнувшись, чтобы запястье/рука могли удобно лежать на рабочем месте стола. При необходимости отрегулируйте высоту рабочего пространства стула и стола.
  2. Очистите кожу над первым дорсальным межкостным отростком (FDI), отводящим поллицисом (APB) и локтевым шиловидным отростком с помощью мягко абразивного крема, нанесенного на круглый ватный диск. Сотрите остатки спиртовой салфеткой.
  3. Для каждой мышцы поместите один одноразовый адгезивный электрод Ag-AgCl на мышечный живот. Поместите второй электрод на близлежащий костный ориентир в качестве ориентира. Наконец, поместите один дополнительный адгезивный электрод Ag-AgCl на локтевый шиловидный отросток, чтобы он служил заземлением.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Общим эталонным сайтом ПИИ является костный выступ у основания второй проксимальной фаланги на радиальной стороне руки. Распространенным эталонным местом APB является костный выступ проксимальной фаланги на радиальной стороне большого пальца.
  4. Подключите каждую пару электродов и землю к усилителю ЭМГ и системе сбора данных. Используйте канал 1 для ПИИ и канал 2 для АПБ.

4. Размещение электродов периферийного электростимулятора

  1. Подключите цифровой выходной триггер периферийного стимулятора к входному каналу триггера в системе ЭМГ, чтобы запустить запись ЭМГ при доставке периферийного стимула.
  2. Используйте слегка абразивный крем для очистки кожи на внутренней стороне предплечья. Начните со сгибательной складки запястья и протяните до ~6 см проксимальнее. Распространите чистку на область, начиная от средней линии запястья до лучевой стороны предплечья. Сотрите остатки спиртовой салфеткой.
  3. Нанесите проводящий гель на многоразовый стимулирующий стержневой электрод. Используйте достаточное количество геля, чтобы покрыть металлические диски точек анодного и катодного контактов. Поместите стимулирующий электрод на кожу на ладонной стороне запястья так, чтобы катод находился проксимальнее анода. Расположите катод слегка медиально и проксимальнее радиального шиловидного отростка.
    1. Не используйте чрезмерное количество геля. Если гель создает мост между клеммами анода и катода, очистите электрод, чтобы удалить весь гель, и нанесите его повторно. Гелевый мостик между анодом и катодом будет отводить значительные токи вдоль кожи, что затрудняет стимуляцию срединного нерва.
  4. На периферическом стимуляторе установите селектор типа стимула на монофазный, установите продолжительность стимула на 200 мкс и выберите соответствующее напряжение и силу тока, дважды проверив все коэффициенты умножения. Напряжение (Vmax) было установлено на 200 В для используемого здесь оборудования с начальной силой тока 0,05 x 10 мА.
  5. Удерживая стимулирующий электрод, подайте один электрический стимул, нажав триггерный переключатель на стимуляторе постоянного тока. Затем визуально осмотрите мышцу APB и дисплей ЭМГ (канал 2) на наличие признаков сокращения мышцы. Мышечное сокращение, известное как М-волна, вызывается прямой активацией моторного аксона электрическим стимулом и должно происходить через 6-9 мс после артефакта периферического электрического стимула.
  6. Если нет никаких признаков сокращения мышц, спросите участника, чувствовал ли он покалывание, излучаемое к пальцам или непосредственно под электродом. Оптимальным положением будет положение электрода, которое вызывает наиболее значительное сокращение мышц APB при интенсивности текущего стимула.
    1. Если ощущения отсутствуют или ощущение ограничено кожей непосредственно под электродом, увеличьте силу тока с шагом 0,05 (умноженное на коэффициент 10) до тех пор, пока участник не сообщит об ощущении покалывания, иррадиирующем до пальцев / большого пальца. Если излучающее ощущение сообщается в цифре, отличной от большого пальца, переместите электрод, перемещая электрод радиально, пока ощущение не будет излучаться на большой палец.
  7. После того, как оптимальное положение стимулирующего электрода будет определено, прикрепите электрод к запястью с помощью трех кусков ленты. Поместите первую деталь над серединой электрода, а затем используйте вторую и третью части, чтобы закрепить верхнюю и нижнюю части электрода.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Основываясь на опыте, рекомендуется сначала закрепить ленту ленты на задней части электрода, а затем провести лентой по боковой стороне электрода к коже. Такой подход, по-видимому, закрепляет электрод и сводит к минимуму возможность бокового движения во время эксперимента.
  8. После закрепления электрода попросите участника принять желаемую ориентацию конечности, которая будет использоваться во время стимуляции ТМС. Убедитесь, что подергивание большого пальца по-прежнему вызывается.

5. Определение интенсивности срединного нервного стимула

  1. Определите порог периферического стимула, регулируя силу тока интенсивности периферического стимула до тех пор, пока не будет получена М-волна 0,2 мВ 37,56. Если М-волна превышает желаемую целевую амплитуду 0,2 мВ на трех последовательных стимулах, уменьшите силу тока. Если М-волна ниже желаемой целевой амплитуды 0,2 мВ на трех последующих стимулах, увеличьте силу тока. Порогом является первое значение силы тока, при котором М-волна превышает 0,2 мВ.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Распространенной альтернативой является установка интенсивности либо в 3 раза больше сенсорного порога восприятия, либо в 1 раз превышает двигательный порог 11,16,17,66,67,68. Сенсорный порог - это интенсивность стимула, при которой участники правильно сообщают об ощущении на 5 из 10 электрических стимулов. Моторный порог - это интенсивность стимула, при которой видимое подергивание вызывается при 5 из 10 стимулов.

6. Определение оптимальной траектории катушки для транскраниальной магнитной стимуляции

  1. Используйте шаблонный файл магнитно-резонансного изображения (МРТ) для создания нового файла проекта стереотаксической системы наведения для мониторинга положения участника и ориентации катушки. Затем подключите цифровой выходной триггер от стимулятора TMS к входному каналу триггера в системе ЭМГ, чтобы запустить запись ЭМГ при доставке стимула TMS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При наличии можно использовать МРТ для конкретного субъекта. Тем не менее, MEP достаточно для определения оптимального положения катушки для исследований стимуляции моторной коры.
  2. Прикрепите инструмент слежения за катушкой системы наведения к катушке PA TMS. Используйте инструмент калибровки катушки, чтобы откалибровать ориентацию инструмента слежения за катушкой до середины катушки TMS. Повторите этот шаг, используя второй инструмент слежения за катушкой для катушки AP с геометрией, идентичной катушке PA.
  3. Прикрепите инструмент слежения за субъектом системы наведения ко лбу участника с помощью двух электродов ЭМГ. Используйте маркер сухого стирания с тонким наконечником или аппликатор для подводки глаз, чтобы нанести отметины на середину кончика носа, нос, а также левую и правую преаурикулярные ямки. Используйте инструмент калибровки объекта системы наведения, чтобы коснуться и записать положение каждого маркера.
  4. Установите начальное положение катушки, поместив катушку на голову участника и записав траекторию катушки. Убедитесь, что центральная поверхность катушки находится по касательной к коже головы. Совместите среднюю линию катушки под углом 45° к средней сагиттальной плоскости головы участника.
    1. Чтобы получить начальное приближение горячей точки моторной коры, представьте себе тангенциальную линию, соединяющую точку на 5 см спереди от вершины и на 5 см сбоку от вершины, и поместите катушку диаметром 70 мм примерно в 2 см от передней точки вдоль тангенциальной линии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Альтернативный подход к аппроксимации корковой моторной горячей точки для дистальных мышц контралатеральной руки заключается в том, что экспериментатор помещает указательный палец левой руки (если он стимулирует левую моторную кору участника) на головную макушку, а большой палец левой руки - на преаурикулярную точку левого уха. Положение пястно-фалангового сустава указательного пальца можно использовать для визуализации приблизительного положения, в котором следует разместить центр катушки.
  5. На стимуляторе цТМС установите селектор типа импульса в монофазно-положительное положение, чтобы индуцировать ток PA в нижележащей нервной ткани. Затем установите M-коэффициент на 0,2, а интенсивность стимула (также известную как мощность) на 30% от максимальной выходной мощности стимулятора. Наконец, установите ширину импульса (также известную как продолжительность положительной фазы) на 120 мкс (самая длинная ширина импульса, используемая в исследовании).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Положение катушки и траектория, определенные с использованием тока, индуцированного PA, будут использоваться для тока, индуцированного AP 16,36,37,38,56,69.
  6. Доставьте от трех до пяти стимулов ТМС, в то время как участник поддерживает небольшое сокращение мышцы FDI (~ 5% -10% от максимального произвольного сокращения). Если моторный вызванный потенциал (MEP) не возникает, увеличьте интенсивность стимулятора на 10% и доставьте от трех до пяти дополнительных стимулов ТМС.
  7. Повторяйте предыдущий шаг до тех пор, пока MEP не менее 0,2 мВ не будет последовательно вызван каждым стимулом или пока интенсивность стимулятора не достигнет 60-70% от максимальной мощности стимулятора. Если надежный MEP не вызвался, поддерживайте постоянные параметры стимуляции и перемещайте стимулятор TMS по кругу диаметром ~ 2 см вокруг исходного места стимуляции. Увеличьте диаметр круга на 1 см, если надежный инженерный модуль по-прежнему не обнаружен ни в одной точке исходного круга.
  8. После того, как будет получен надежный MEP, подтвердите точку доступа двигателя FDI, поддерживая постоянные параметры стимуляции и перемещая стимулятор TMS на 2 см к северу, востоку, югу и западу от текущего местоположения катушки. Доставьте от трех до пяти стимулов ТМС в каждом месте70. Запишите новое положение катушки и траекторию, если в любом из четырех квадрантов возникает постоянно больший MEP. Используйте новое положение катушки и траекторию в качестве точки доступа кортикального двигателя.

7. Определение интенсивности стимула для транскраниальной магнитной стимуляции

  1. Запустите свободно доступный инструмент оценки порога двигателя TMS (MTAT 2.1)71,72,73 для определения интенсивности стимула, необходимой для получения MEP 1 мВ (порог 1 мВ)16,67,74. Установите метод оценки «Без априорной информации» и нажмите «Пуск».
    ПРИМЕЧАНИЕ: Текущий протокол использует интенсивность TMS 1 мВ16. Тем не менее, некоторые исследования предпочитают устанавливать интенсивность как 120% от двигательного порога покоя человека. Для тока AP инженерный накопитель 1 мВ может быть недоступен. В таких случаях определите выходную мощность стимулятора, которая вызывает максимальное MEP, вызванное конфигурацией стимула AP, при условии, что максимальное MEP составляет не менее 0,5 мВ.
  2. Определите максимальную выходную мощность стимулятора, доступную для ширины импульса 120 мкс. Затем используйте таблицу преобразования, чтобы изменить масштаб выходной мощности стимулятора от 0 до 100, чтобы выходная мощность стимулятора соответствовала масштабу программного обеспечения MTAT 2.1.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для модели, используемой в настоящем исследовании, максимальный выход стимулятора при ширине импульса 120 мкс составляет 50%. Таким образом, значения, предоставляемые программным обеспечением MTAT 2.1, делятся на 2, чтобы определить значение, установленное на стимуляторе. При длительности импульса 70 мкс максимальная выходная мощность стимулятора составляет 66%, поэтому все значения, предоставляемые программным обеспечением MTAT 2.1, умножаются на 0,66 (и округляются до ближайших 0,5%). При длительности импульса 30 мкс максимальная выходная мощность стимулятора составляет 100%. Таким образом, регулировка масштаба не требуется.
  3. Установите интенсивность стимулятора ТМС на начальный процент максимальной мощности стимулятора, указанный программным обеспечением MTAT 2.1, и выдайте один стимул ТМС. Если записанный MEP в интервале времени 20-50 мс после стимуляции TMS превышает 1 мВ, укажите «да», нажав клавишу Y . Если записанный MEP составляет менее 1 мВ, укажите «нет», нажав клавишу N . Повторяйте этот шаг до тех пор, пока интенсивность стимула, отображаемая программным обеспечением MTAT, не изменится с черного на зеленый.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Начальное значение, указанное программным обеспечением MTAT 2.1, всегда составляет 37%. При длительности импульса 120 мкс фактическое значение стимулятора составляет 18,5%. При ширине импульса 70 мкс фактическое значение стимулятора составляет 24%. При длительности импульса 30 мкс значение стимулятора составляет 37%.
  4. Повторите для каждой комбинации текущего направления и продолжительности стимула. Для тока AP поверните направление тока на 180 °, физически повернув катушку, чтобы индуцировать ток PA на 180 °, или используйте специальную катушку, изготовленную для индуцирования тока AP.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании нескольких направлений тока TMS и ширины импульсов все пороговые значения могут быть определены до сбора данных или непосредственно перед использованием этой конкретной комбинации направления тока и ширины импульса в протоколе.

8. Афферентное торможение с короткой задержкой (без базового уровня задачи)

  1. Прикрепите катушку, которая будет индуцировать ток PA в мозге, к стимулятору cTMS. Установите тип импульса на монофазно-положительный, а М-отношение на 0,2. Установите длительность импульса на 120 мкс. Наконец, установите интенсивность стимула на порог 1 мВ, определенный на шаге 7.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании текущих направлений PA и AP порядок, в котором выполняется шаг 8, должен быть рандомизирован среди участников. При использовании нескольких ширин импульсов порядок, в котором выполняется шаг 8, должен быть уравновешен между участниками. PA120 и AP30 были единственными текущими конфигурациями, используемыми в описанном эксперименте.
  2. Установите интенсивность периферического электрического стимула на интенсивность, определенную на шаге 5. Затем запустите программную процедуру без задач на ПК1. Затем установите межстимульный интервал между периферическими электрическими стимулами и стимулами ТМС на 21 мс.
  3. Расположите катушку TMS над точкой доступа двигателя FDI, определенной на шаге 6. Попросите участника провести небольшое сокращение мышцы FDI (~ 5% -10% от максимального произвольного сокращения). Затем запустите программное обеспечение без задач на ПК1, чтобы запустить как периферические, так и цТМС стимуляторы.
  4. Повторите шаги для конфигурации тока AP30 , используя катушку, которая индуцирует ток AP в мозге.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется повторить базовый уровень без задач в конце эксперимента, если позволит время. Настоятельно рекомендуется проводить оценки ВОА до и после отсутствия задач, чтобы обеспечить базовый уровень ВОФК и установить любые ранее существовавшие различия между группами (если применимо).

9. Афферентное торможение с короткой латентностью (сенсомоторная задача)

  1. Прикрепите катушку PA к стимулятору cTMS. Установите тип импульса на монофазно-положительный, а М-отношение на 0,2. Установите длительность импульса на 120 мкс. Наконец, установите интенсивность стимула на порог 1 мВ, определенный на шаге 7.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании нескольких текущих конфигураций TMS (например, PA120, AP30) текущая конфигурация, используемая во время сенсомоторной задачи, должна быть уравновешена участниками. Рекомендуется использовать тот же уравновешивающий фактор, который используется для определения порядка оценки базовых показателей без задач.
  2. Установите интенсивность периферического электрического стимула на интенсивность, определенную на шаге 5. Затем запустите программную процедуру сенсомоторной задачи на ПК1. Установите межстимульный интервал между периферическими электрическими стимулами и стимулами ТМС равным 21 мс.
  3. Расположите катушку TMS над точкой доступа двигателя FDI, определенной на шаге 6. Попросите участника провести небольшое сокращение мышцы FDI (~ 5% -10% от максимального произвольного сокращения).
  4. Запустите программную процедуру сенсомоторной задачи, чтобы управлять сенсомоторной задачей и отправлять цифровые триггеры с блокировкой поведения на периферические стимуляторы и стимуляторы cTMS. Держите желаемое количество безусловных и условных испытаний от 8 до 24 стимулов для каждого состояния.
  5. Повторите шаги для конфигурации тока AP30 , используя катушку, чтобы индуцировать ток AP в мозге.

10. Обработка и анализ данных

  1. Визуально проверьте данные ЭМГ в автономном режиме и отбросьте любые следы, в которых среднеквадратичный корень ЭМГ до стимула (от -50 до начала стимула) превышает амплитуду критерия. Вычислите среднеквадратичную ошибку для каждого испытания следующим образом:
    Equation 1
    где N — количество точек данных между −50 и началом стимула, а ЭМГ — напряжение в точке n. Для САИ, проводимого с мышцей в состоянии покоя, используют критерий амплитуды 10-15 мкВ. Для ВОА, оцениваемого с легким тоническим сокращением, используйте критерий амплитуды, который представляет собой среднее среднеквадратичное значение во всех испытаниях плюс два стандартных отклонения, предполагая, что уровни сокращения контролировались во время исследования.
  2. Для каждого испытания рассчитайте амплитуду MEP от пика до пика для FDI как разницу между минимальным и максимальным значениями во временном окне от 20 мс до 50 мс после артефакта стимула ТМС в канале 170.
  3. Для условных испытаний рассчитайте амплитуду М-волны от пика до пика для APB как амплитуду от пика до пика от 5 мс до 15 мс после артефакта периферического стимула в канале 2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Расчет амплитуды М-волны от пика к пику - это метод, подтверждающий, что интенсивность стимула не менялась в зависимости от условий на протяжении всего эксперимента.
  4. Рассчитайте среднюю амплитуду MEP для необусловленных и кондиционированных испытаний и среднюю М-волну для условных испытаний для каждой комбинации направления тока ТМС, ширины импульса и поведенческого состояния.
  5. Выразите обусловленную амплитуду MEP как отношение необусловленной амплитуды MEP для каждого участника, используя уравнение ниже11:
    Equation 2
    ПРИМЕЧАНИЕ: Более низкие коэффициенты отражают более мощное торможение. Умножение коэффициента на 100% обычно выражает обусловленную амплитуду MEP в процентах от необусловленной амплитуды MEP.
  6. Рассчитайте среднее значение для всех участников для каждого текущего направления ТМС, ширины импульса и комбинации поведенческих состояний. Сообщите об этих значениях. Хотя средние значения, как правило, сообщаются, по возможности демонстрируйте отдельные данные в цифрах.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 3 показаны примеры необусловленных и обусловленных MEP от одного участника, вызванных в мышце FDI во время сенсомоторной задачи с использованием индуцированного тока PA120 и AP30- (нижний индекс обозначает ширину импульса). Гистограммы в среднем столбце иллюстрируют необработанные средние амплитуды MEP от пика до пика для необусловленных и обусловленных испытаний. Гистограммы справа показывают задержки начала SAI и MEP для тока, индуцированного PA120 и AP30, для одного и того же участника.

Средний эффект периферического электрического кондиционирующего стимула заключается в подавлении кортикоспинального выхода, вызванного стимулом ТМС, о чем свидетельствуют меньшие необработанные средние амплитуды MEP от пика к пику для условных по сравнению с необусловленными MEP и коэффициентами SAI менее 1. Более длительная задержка начала MEP для AP30 SAI отражает более длительную латентность входа в кортикоспинальный нейрон.

Figure 3
Рисунок 3: Примерные следы MEP и амплитуды от пика до пика для безусловных (твердая трасса) и обусловленных (пунктирная трасса) стимулов с использованием индуцированного тока PA 120- (вверху) и AP 30- (внизу). (A) Примеры необработанных сигналов MEP, вызванных током, индуцированным PA120 и AP30, во время испытания указательного пальца с действительным сигналом. (B) Средняя амплитуда от пика до пика некондиционированных и кондиционированных MEP для тока, индуцированного PA120 и AP30, во время испытания указательным пальцем с действительным сигналом. Полосы погрешностей представляют собой стандартную ошибку. (C) Вверху: Отношение амплитуды условного и необусловленного MEP (например, SAI) для тока, индуцированного PA120 и AP30, во время испытания указательным пальцем с правильным сигналом. Внизу: Начальные задержки некондиционированных MEP, вызванные током, индуцированным PA120 и AP30, во время испытания указательного пальца. На задержку начала MEP валидность подсказки не влияет. Сокращения: ТМС = транскраниальная магнитная стимуляция; MNS = срединный нервный стимул; MEP = двигательно-вызванный потенциал; SAI = афферентное торможение с короткой латентностью; PA = задне-передний; AP = передне-задний. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 4 показаны дифференциальные эффекты кондиционирующего стимула для стимулов PA120 и AP30 TMS, основанные на достоверности информационного сигнала для одного участника. На верхней левой и верхней правой панелях изображены PA120 SAI и AP30 SAI во время правильного ответа указательным пальцем и неправильного ответа указательным пальцем, в котором участники должны были переназначить свой ответ на неуказательный палец. На нижней левой и нижней панелях изображены PA120 SAI и AP30 SAI во время правильного ответа без указательного пальца и неправильного ответа без указательного пальца, в котором участники должны были переназначить свой ответ на указательный палец.

У этого участника PA120 SAI был аналогичным образом улучшен для ответа указательным пальцем независимо от того, был ли участник вызван указательным пальцем (верхняя левая панель) или должен был переназначить свой ответ на указательный палец после неверного сигнала на неуказательный палец (нижняя левая панель). Напротив, AP30 SAI, по-видимому, дифференциально модулирован в зависимости от того, требовал ли недопустимый сигнал переназначения (верхняя правая панель) или указательного пальца (нижняя правая панель).

Figure 4
Рисунок 4: SAI для допустимых и недопустимых типов сигналов в зависимости от пальца (указательного и неиндексного), разделенного током, индуцированным PA120 и AP30. Слева вверху: PA120 SAI для правильного ответа указательным пальцем и неправильного ответа, который требовал переназначения для ответа с использованием неуказательного пальца. Вверху справа: AP30 SAI для правильного ответа указательным пальцем и неправильного ответа, который требовал переназначения для ответа с использованием неуказательного пальца. Внизу слева: PA120 SAI для правильного ответа неуказательным пальцем и неправильного ответа, требующего переназначения для ответа указательным пальцем. Внизу справа: AP30 SAI для правильного ответа неуказательным пальцем и неправильного ответа, требующего переназначения для ответа указательным пальцем. Сокращения: SAI = афферентное торможение с короткой латентностью; PA = задне-передний; AP = передне-задний. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Описанный здесь метод SAI исследует подмножество нейронных путей, которые играют роль в сенсомоторных характеристиках и обучении. Оценка ВОА, в то время как участники выполняют контролируемые сенсомоторные задачи, имеет решающее значение для распутывания сложного вклада многочисленных сенсомоторных петель, которые сходятся на моторных кортикоспинальных нейронах для формирования двигательного выхода в здоровых и клинических популяциях. Например, аналогичная методология была использована для идентификации влияния мозжечка на процессыпроцедурного моторного контроля 37,56 и конкретных целей, с помощью которых декларативная система памяти может влиять на процедурный двигательный контроль и обучение у здоровых 21,36,37,38 и ранее сотрясенных мозга популяций 75.

Здесь изложено несколько преимуществ оценки сенсомоторной интеграции. Во-первых, протокол выходит за рамки стандартной оценки ВОА с использованием тока, индуцированного ПА. В исследованиях ВОА при оценкеВОА 55,76 почти исключительно использовался ток, индуцированный ПА. Однако ПА-индуцированный ток, вероятно, только задействует подмножество сенсомоторных цепей в моторной коре 36,37,56,77, что дает неполную картину происходящих сенсомоторных процессов и ассоциаций мозга с поведением 55. Во-вторых, протокол использует переменную ширину импульса для повышения специфичности популяции интернейронов, рекрутируемых стимулом77 ТМС. Фиксированная длительность импульса обычных монофазных стимуляторов ТМС, обычно в пределах 70-82 мкс 59,60, может задействовать смесь сенсомоторных цепей в пределах определенного направления тока56,77,78. Использование цТМС для манипулирования шириной импульса во время оценки ВОА может улучшить понимание функционального значения различных сенсомоторных петель, которые регулируют кортикоспинальный выброс в здоровых 56,78,79 и клинических популяциях 75. Наконец, в этой работе оценки ВОА проводились в состоянии покоя и были привязаны по времени к определенному процессу во время параллельного поведения. Такой подход относительно редко встречается в сенсомоторном контроле и изучении литературы по ВОА 14,19,20,21,36,37,80. Более распространенным является оценка ВОА и сенсомоторных характеристик / обучения отдельно 34,81,82,83,84,85,86. Тем не менее, оценки ВОА в состоянии покоя основаны на корреляции поведения и физиологических измерений, измеренных в разные моменты времени. Кроме того, оценка влияния на кортикальный выброс позвоночника в состоянии покоя, вероятно, не отражает их значимость, связанную с задачей. Оценка ВОА в состоянии покоя может иметь смысл только для количественной оценки исходных различий между группами или оценки эффектов фундаментальных изменений в структуре/функции мозга в клинической популяции, например, у людей с болезнью Паркинсона 26,27,28, болезнью Альцгеймера87,88 и фокальной дистонией кисти 29.

Пользователи также должны тщательно рассмотреть несколько критических элементов описанного протокола ВОФК. Во-первых, интенсивность стимула, необходимая для вызова MEP 1 мВ с использованием тока AP с заданной шириной импульса, неизменно выше, чем эквивалентный ток PA 16,36,37,38,56. Более высокие пороговые значения увеличивают вероятность того, что интенсивность стимула, необходимая для достижения MEP 1 мВ, превышает стимулирующую способность для подмножества людей, особенно при использовании тока AP с короткой ширинойимпульса 59. В таких случаях исследователь должен решить, следует ли исключить участника или определить другой стабильный порог. Для обычного стимулятора с фиксированной шириной импульса ~80 мкс на величину AP SAI не влияют амплитуды тестового стимула MEP в диапазоне от 0,5 мВ до 2мВ 16. Во-вторых, протокол, изложенный выше, требует, чтобы участники поддерживали минимальное сокращение (5-10% от максимального добровольного сокращения) ПИИ. Незначительное сокращение усиливает селективность популяции интернейронов, рекрутируемых импульсами различной ширины АП, за счет снижения требуемой интенсивности стимула 56,78. Однако вопрос о том, следует ли использовать небольшое сокращение для токов, индуцированных ПА, остается под вопросом. Незначительное сжатие не усиливает селективность индуцированных ПА токовпеременной длительности импульса 78, а сенсорное стробирование89, связанное с сокращением, может маскировать другие функциональные вклады чувствительных к ПА цепей во время некоторых состояний задачи. Двигаясь вперед, возможно, имеет смысл оценивать PA SAI в состоянии покоя, но AP SAI, особенно при короткой ширине импульса, с небольшим сокращением. Наконец, внешняя обоснованность редукционистского подхода протокола ВОА, описанного здесь, является спорной. Описанный протокол нацелен на одну мышцу, относящуюся к задаче, в контролируемой задаче, включающей селективные реакции пальцев. Редукционистский подход, изложенный здесь, может дать существенное представление о конкретных механизмах в данной точке сенсомоторного поведения. Однако связь между SAI в конкретном моторном представлении и сенсомоторным поведением может варьироваться в зависимости от различных элементов сложной задачи (например, планирования и двигательного выполнения). Кроме того, связь между ВОА и поведением может быть менее очевидной по мере увеличения сложности сенсомоторного поведения. Оценка SAI во многих мышцах при многомерном подходе может быть необходима для учета взаимодействия между соседними двигательными представлениями агониста, синергиста и антагониста по мере увеличения сложности задачи.

Традиционные оценки ТМС связывают ВОА с несколькими двигательными и психическими расстройствами. Повышенная селективность цТМС-ВОА может способствовать выявлению все более надежных биомаркеров сенсомоторных и психических расстройств. В предварительном отчете подчеркивается потенциал cTMS, предполагая, что AP30 SAI может быть маркером стойких латентных когнитивно-моторных нарушений у молодых людей с сотрясением мозга в анамнезе75. Тем не менее, диагностическая полезность cTMS-SAI при двигательных и психических расстройствах, таких как хроническое сотрясение мозга, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, легкие когнитивные нарушения, дистония и инсульт, еще предстоит изучить. Одним из существенных ограничений для клинического применения цТМС-ВОА в области двигательных расстройств является необходимость проведения более масштабных исследований для установления надежности и нормативных диапазонов, как это было сделано для ВОА, оцениваемого с помощью импульса PA фиксированной ширины90,91,92,93. Кроме того, клиническое применение выиграет от расширенного понимания того, как различные сенсомоторные петли, исследуемые cTMS-SAI, взаимодействуют с другими облегчающими и тормозными путями, сходящимися на моторных корковых пирамидных нейронах. Например, традиционные исследования ТМС ВОА показывают, что зондируемые сенсомоторные петли могут дополнять функцию короткоинтервальной корковой фасилитации (SICF)74, SICI 66,94 и длинноинтервального коркового ингибирования (LICI)67. Однако функциональная значимость таких взаимодействий не ясна.

Одной из захватывающих перспектив является сочетание cTMS-SAI с электроэнцефалографией (ЭЭГ). ЭЭГ может быть использована для количественной оценки влияния афферентных проекций на пирамидный выход, вызванный ТМС по моторным77,95 и немоторным областям95, известным как вызванные ТМС потенциалы (ТЭП). Оценка SAI в лобной коре, а не в моторной коре, дает уникальную возможность непосредственно оценить целостность холинергической функции в нейронных субстратах, которые опосредуют когнитивную функцию. Например, снижение афферентного торможения ТЭП N100, вызванное обычной ТМС над префронтальной корой, коррелирует со снижением исполнительной функции у пожилых людей96 и пациентов с шизофренией97. Использование cTMS-SAI с ЭЭГ может помочь определить, включает ли холинергический профиль снижения исполнительной функции при здоровом старении и нервно-психических расстройствах одну и ту же префронтальную схему.

cTMS все еще является относительно зарождающейся технологией. Как и у любой новой техники, есть ограничения и неизвестные. Тем не менее, ранние данные исследований cTMS-SAI, которые варьируют направление индуцированного тока и ширину импульса, демонстрируют захватывающие возможности для лучшего понимания функционального значения различных конвергентных сенсомоторных цепей в текущем поведении в здоровых и клинических популяциях.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам раскрывать нечего.

Acknowledgments

Авторы признают финансирование со стороны Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC), Канадского фонда инноваций (CFI) и Исследовательского фонда Онтарио (ORF), присужденное S.K.M.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acquisition software (for EMG) AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA PL3504/P LabChart Pro version 8
Alcohol prep pads Medline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada 211-MM-05507 Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG) AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA FE234 Quad Bio Amp
Cotton round Cliganic, San Francisco, CA, USA ‎CL-BE-019-6PK Premium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coils Rogue Research, Montréal, QC, Canada COIL70F80301 70 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coils Rogue Research, Montréal, QC, Canada COIL70F80301-IC 70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulator Rogue Research, Montréal, QC, Canada CTMSMU0101 Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG) AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA PL3504 PowerLab 4/35
Digital to analog board National Instruments, Austin, TX, USA 782251-01 NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG) Covidien, Dublin, Ireland 31112496 Kendal 130 Foam Electrodes
Electrogel Electrodestore.com E9 Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
Nuprep Weaver and Company, Aurora, CO, USA 10-30 Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes) 
Peripheral electrical stimulator Digitimer, Hertfordshire, UK DS7R  DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrode Electrodestore.com DDA-30 Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering) National Instruments, Austin, TX, USA 784503-35 Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance system Rogue Research, Montréal, QC, Canada KITBSF0404 BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape 3M, Saint Paul, MN, USA 50707387794571 Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bizzi, E., Ajemian, R. From motor planning to execution: a sensorimotor loop perspective. Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1815-1823 (2020).
  2. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerve Supplement. 9, S26-S32 (2000).
  3. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: A primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
  4. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  5. Day, B. L., et al. Electric and magnetic stimulation of human motor cortex - Surface EMG and single motor unit responses. Journal of Physiology. 412, 449-473 (1989).
  6. Di Lazzaro, V., et al. Comparison of descending volleys evoked by transcranial magnetic and electric stimulation in conscious humans. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Electromyography and Motor Control. 109 (5), 397-401 (1998).
  7. Di Lazzaro, V., Rothwell, J. C. Corticospinal activity evoked and modulated by non-invasive stimulation of the intact human motor cortex. Journal of Physiology. 592 (19), 4115-4128 (2014).
  8. Chen, R., et al. The clinical diagnostic utility of transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 119 (3), 504-532 (2008).
  9. Rossini, P. M. 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), 1071-1107 (2015).
  10. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. The Journal of Physiology. 471, 501-519 (1993).
  11. Tokimura, H., et al. Short latency inhibition of human hand motor cortex by somatosensory input from the hand. The Journal of Physiology. 523, 503-513 (2000).
  12. Nakamura, H., Kitagawa, H., Kawaguchi, Y., Tsuji, H. Intracortical facilitation and inhibition after transcranial magnetic stimulation in conscious humans. The Journal of Physiology. 498, 817-823 (1997).
  13. Chen, R., Corwell, B., Hallett, M. Modulation of motor cortex excitability by median nerve and digit stimulation. Experimental Brain Research. 129 (1), 77-86 (1999).
  14. Asmussen, M. J., Jacobs, M. F., Lee, K. G., Zapallow, C. M., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition modulation during finger movement. PLoS One. 8 (4), e60496 (2013).
  15. Devanne, H. Afferent-induced facilitation of primary motor cortex excitability in the region controlling hand muscles in humans. European Journal of Neuroscience. 30 (3), 439-448 (2009).
  16. Ni, Z., et al. Transcranial magnetic stimulation in different current directions activates separate cortical circuits. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 749-756 (2011).
  17. Bailey, A. Z., Asmussen, M. J., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition determined by the sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 116 (2), 637-644 (2016).
  18. Fischer, M., Orth, M. Short-latency sensory afferent inhibition: conditioning stimulus intensity, recording site, and effects of 1 Hz repetitive TMS. Brain Stimulation. 4 (4), 202-209 (2011).
  19. Voller, B., et al. Short-latency afferent inhibition during selective finger movement. Experimental Brain Research. 169 (2), 226-231 (2006).
  20. Asmussen, M. J., et al. Modulation of short-latency afferent inhibition depends on digit and task-relevance. PLoS One. 9 (8), e104807 (2014).
  21. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention focus modulates afferent input to motor cortex during skilled action. Human Movement Science. 74, 102716 (2020).
  22. Bonassi, G., et al. Selective sensorimotor modulation operates during cognitive representation of movement. Neuroscience. 409, 16-25 (2019).
  23. Beck, S., Hallett, M. Surround inhibition in the motor system. Experimental Brain Research. 210 (2), 165-172 (2011).
  24. Seki, K., Fetz, E. E. Gating of sensory input at spinal and cortical levels during preparation and execution of voluntary movement. Journal of Neuroscience. 32 (3), 890-902 (2012).
  25. Young-Bernier, M., Davidson, P. S., Tremblay, F. Paired-pulse afferent modulation of TMS responses reveals a selective decrease in short latency afferent inhibition with age. Neurobiology of Aging. 33 (4), 1-11 (2012).
  26. Pelosin, E., et al. Attentional control of gait and falls: Is cholinergic dysfunction a common substrate in the elderly and Parkinson's disease. Frontiers in Aging Neuroscience. 8, 104 (2016).
  27. Dubbioso, R., Manganelli, F., Siebner, H. R., Di Lazzaro, V. Fast intracortical sensory-motor integration: A window into the pathophysiology of Parkinson's disease. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 111 (2019).
  28. Oh, E., et al. Olfactory dysfunction in early Parkinson's disease is associated with short latency afferent inhibition reflecting central cholinergic dysfunction. Clinical Neurophysiology. 128 (6), 1061-1068 (2017).
  29. Richardson, S. P., et al. Changes in short afferent inhibition during phasic movement in focal dystonia. Muscle & Nerve. 37 (3), 358-363 (2008).
  30. Ziemann, U., et al. TMS and drugs revisited 2014. Clinical Neurophysiology. 126 (10), 1847-1868 (2015).
  31. Di Lazzaro, V. Muscarinic receptor blockade has differential effects on the excitability of intracortical circuits in the human motor cortex. Experimental Brain Research. 135 (4), 455-461 (2000).
  32. Di Lazzaro, V., et al. Neurophysiological predictors of long term response to AChE inhibitors in AD patients. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 76 (8), 1064-1069 (2005).
  33. Fujiki, M., Hikawa, T., Abe, T., Ishii, K., Kobayashi, H. Reduced short latency afferent inhibition in diffuse axonal injury patients with memory impairment. Neuroscience Letters. 405 (3), 226-230 (2006).
  34. Koizume, Y., Hirano, M., Kubota, S., Tanaka, S., Funase, K. Relationship between the changes in M1 excitability after motor learning and arousal state as assessed by short-latency afferent inhibition. Behavioral Brain Research. 330, 56-62 (2017).
  35. Thabit, M. N., et al. Momentary reward induce changes in excitability of primary motor cortex. Clinical Neurophysiology. 122 (9), 1764-1770 (2011).
  36. Mirdamadi, J. L., Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention modulates specific motor cortical circuits recruited by transcranial magnetic stimulation. Neuroscience. 359, 151-158 (2017).
  37. Mirdamadi, J. L., Meehan, S. K. Specific sensorimotor interneuron circuits are sensitive to cerebellar-attention interactions. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 920526 (2022).
  38. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Verbal working memory modulates afferent circuits in motor cortex. European Journal of Neuroscience. 48 (10), 3117-3125 (2018).
  39. Mineo, L., et al. Modulation of sensorimotor circuits during retrieval of negative autobiographical memories: Exploring the impact of personality dimensions. Neuropsychologia. 110, 190-196 (2018).
  40. Bonnì, S., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Koch, G. Real-time activation of central cholinergic circuits during recognition memory. European Journal of Neuroscience. 45 (11), 1485-1489 (2017).
  41. Nardone, R., et al. Abnormal short latency afferent inhibition in early Alzheimer's disease: A transcranial magnetic demonstration. Journal of Neural Transmission. 115 (11), 1557-1562 (2008).
  42. Nardone, R., Bratti, A., Tezzon, F. Motor cortex inhibitory circuits in dementia with Lewy bodies and in Alzheimer's disease. Journal of Neural Transmission. 113 (11), 1679-1684 (2006).
  43. Di Lazzaro, V., et al. In vivo cholinergic circuit evaluation in frontotemporal and Alzheimer dementias. Neurology. 66 (7), 1111-1113 (2006).
  44. Di Lazzaro, V., et al. Functional evaluation of cerebral cortex in dementia with Lewy bodies. NeuroImage. 37 (2), 422-429 (2007).
  45. Di Lazzaro, V., et al. In vivo functional evaluation of central cholinergic circuits in vascular dementia. Clinical Neurophysiology. 119 (11), 2494-2500 (2008).
  46. Marra, C., et al. Central cholinergic dysfunction measured "in vivo" correlates with different behavioral disorders in Alzheimer's disease and dementia with Lewy body. Brain Stimulation. 5 (4), 533-538 (2012).
  47. Mimura, Y., et al. Neurophysiological biomarkers using transcranial magnetic stimulation in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment: A systematic review and meta-analysis. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 121, 47-59 (2021).
  48. Yarnall, A. J., et al. Short latency afferent inhibition: a biomarker for mild cognitive impairment in Parkinson's disease. Movement Disorders. 28 (9), 1285-1288 (2013).
  49. Celebi, O., Temuçin, C. M., Elibol, B., Saka, E. Short latency afferent inhibition in Parkinson's disease patients with dementia. Movement Disorders. 27 (8), 1052-1055 (2012).
  50. Martin-Rodriguez, J. F., Mir, P. Short-afferent inhibition and cognitive impairment in Parkinson's disease: A quantitative review and challenges. Neuroscience Letters. 719, 133679 (2020).
  51. Nardone, R., et al. Short latency afferent inhibition differs among the subtypes of mild cognitive impairment. Journal of Neural Transmission. 119 (4), 463-471 (2012).
  52. Tsutsumi, R., et al. Reduced interhemispheric inhibition in mild cognitive impairment. Experimental Brain Research. 218 (1), 21-26 (2012).
  53. Di Lazzaro, V., et al. Segregating two inhibitory circuits in human motor cortex at the level of GABAA receptor subtypes: A TMS study. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2207-2214 (2007).
  54. Giorgetti, M., et al. Local GABAergic modulation of acetylcholine release from the cortex of freely moving rats. European Journal of Neuroscience. 12 (6), 1941-1948 (2000).
  55. Turco, C. V., Toepp, S. L., Foglia, S. D., Dans, P. W., Nelson, A. J. Association of short- and long-latency afferent inhibition with human behavior. Clinical Neurophysiology. 132 (7), 1462-1480 (2021).
  56. Hannah, R., Rothwell, J. C. Pulse duration as well as current direction determines the specificity of transcranial magnetic stimulation of motor cortex during contraction. Brain Stimulation. 10 (1), 106-115 (2017).
  57. Peterchev, A. V., D'Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023 (2014).
  58. Peterchev, A. V., Murphy, D. L., Lisanby, S. H. Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters (cTMS). Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2010, 2922-2926 (2010).
  59. Rothkegel, H., Sommer, M., Paulus, W., Lang, N. Impact of pulse duration in single pulse TMS. Clinical Neurophysiology. 121 (11), 1915-1921 (2010).
  60. MagPro Family User Guide. MagVenture A/S. , Available from: https://tsgdoc.socsci.ru.nl/images/a/ac/Magpro_family.pdf (2022).
  61. Bashir, S., Edwards, D., Pascual-Leone, A. Neuronavigation increases the physiologic and behavioral effects of low-frequency rTMS of primary motor cortex in healthy subjects. Brain Topography. 24 (1), 54-64 (2011).
  62. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  63. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112 (4), 720 (2001).
  64. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108 (1), 1-16 (1998).
  65. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  66. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Effects of short latency afferent inhibition on short interval intracortical inhibition. Journal of Neurophysiology. 111 (6), 1350-1361 (2013).
  67. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Interactions between short latency afferent inhibition and long interval intracortical inhibition. Experimental Brain Research. 199 (2), 177-183 (2009).
  68. Turco, C. V., El-Sayes, J., Fassett, H. J., Chen, R., Nelson, A. J. Modulation of long-latency afferent inhibition by the amplitude of sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 610-618 (2017).
  69. Sakai, K., et al. Preferential activation of different I waves by transcranial magnetic stimulation with a figure-of-eight-shaped coil. Experimental Brain Research. 113 (1), 24-32 (1997).
  70. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  71. ClinicalResearcher.org. , Available from: https://www.clinicalresearcher.org/software.htm (2022).
  72. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  73. Silbert, B. I., Patterson, H. I., Pevcic, D. D., Windnagel, K. A., Thickbroom, G. W. A comparison of relative-frequency and threshold-hunting methods to determine stimulus intensity in transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 124 (4), 708-712 (2013).
  74. Cash, R. F., Isayama, R., Gunraj, C. A., Ni, Z., Chen, R. The influence of sensory afferent input on local motor cortical excitatory circuitry in humans. Journal of Physiology. 593 (7), 1667-1684 (2015).
  75. Hayes, K. D., Khan, M. E. R., Barclay, N. E., Meehan, S. K. The persistent effects of sports-related concussion during adolescence on sensorimotor integration. Canadian Association for Neuroscience Meeting. , Canadian Association for Neuroscience. Victoria, Canada. (2022).
  76. Turco, C. V., et al. Short- and long-latency afferent inhibition; Uses, mechanisms and influencing factors. Brain Stimulation. 11 (1), 59-74 (2018).
  77. Casula, E. P., Rocchi, L., Hannah, R., Rothwell, J. C. Effects of pulse width, waveform and current direction in the cortex: A combined cTMS-EEG study. Brain Stimulation. 11 (5), 1063-1070 (2018).
  78. D'Ostilio, K., et al. Effect of coil orientation on strength-duration time constant and I-wave activation with controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 675-683 (2016).
  79. Barclay, N. E., Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, S. K. Program No. 474.08.The contribution of oscillatory activity to the modulation of different sensorimotor circuits under varying working memory load. Society for Neuroscience Annual Meeting. , Society for Neuroscience. Washington, D.C. (2022).
  80. Dubbioso, R., Raffin, E., Karabanov, A., Thielscher, A., Siebner, H. R. Centre-surround organization of fast sensorimotor integration in human motor hand area. NeuroImage. 158, 37-47 (2017).
  81. Adams, F. C., et al. Tactile sensorimotor training does not alter short- and long-latency afferent inhibition. Neuroreport. 34 (3), 123-127 (2023).
  82. Paparella, G., Rocchi, L., Bologna, M., Berardelli, A., Rothwell, J. Differential effects of motor skill acquisition on the primary motor and sensory cortices in healthy humans. Journal of Physiology. 598 (18), 4031-4045 (2020).
  83. Deveci, S., et al. Effect of the brain-derived neurotrophic factor gene Val66Met polymorphism on sensory-motor integration during a complex motor learning exercise. Brain Research. 1732, 146652 (2020).
  84. Turco, C. V., Locke, M. B., El-Sayes, J., Tommerdahl, M., Nelson, A. J. Exploring behavioral correlates of afferent inhibition. Brain Sciences. 8 (4), 64 (2018).
  85. Mang, C. S., Bergquist, A. J., Roshko, S. M., Collins, D. F. Loss of short-latency afferent inhibition and emergence of afferent facilitation following neuromuscular electrical stimulation. Neuroscience Letters. 529 (1), 80-85 (2012).
  86. Mirdamadi, J. L., Block, H. J. Somatosensory changes associated with motor skill learning. Journal of Neurophysiology. 123 (3), 1052-1062 (2020).
  87. Bologna, M., et al. Bradykinesia in Alzheimer's disease and its neurophysiological substrates. Clinical Neurophysiology. 131 (4), 850-858 (2020).
  88. Schirinzi, T. Amyloid-mediated cholinergic dysfunction in motor impairment related to Alzheimer's disease. Journal of Alzheimer's Disease. 64 (2), 525-532 (2018).
  89. Cohen, L. G., Starr, A. Localization, timing and specificity of gating of somatosensory evoked potentials during active movement in man. Brain. 110 (2), 451-467 (1987).
  90. Brown, K. E., et al. The reliability of commonly used electrophysiology measures Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. Brain Stimulation. 10 (6), 1102-1111 (2017).
  91. Turco, C. V., Pesevski, A., McNicholas, P. D., Beaulieu, L. D., Nelson, A. J. Reliability of transcranial magnetic stimulation measures of afferent inhibition. Brain Research. 1723, 146394 (2019).
  92. Rehsi, R. S., et al. Investigating the intra-session reliability of short and long latency afferent inhibition. Clinical Neurophysiology Practice. 8, 16-23 (2023).
  93. Toepp, S. L., Turco, C. V., Rehsi, R. S., Nelson, A. J. The distribution and reliability of TMS-evoked short- and long-latency afferent interactions. PLoS One. 16 (12), e0260663 (2021).
  94. Alle, H., Heidegger, T., Krivanekova, L., Ziemann, U. Interactions between short-interval intracortical inhibition and short-latency afferent inhibition in human motor cortex. Journal of Physiology-London. 587 (21), 5163-5176 (2009).
  95. Noda, Y., et al. A combined TMS-EEG study of short-latency afferent inhibition in the motor and dorsolateral prefrontal cortex. Journal of Neurophysiology. 116 (3), 938-948 (2016).
  96. Noda, Y. Reduced prefrontal short-latency afferent inhibition in older adults and its relation to executive function: A TMS-EEG study. Frontiers in Aging Neuroscience. 9, 119 (2017).
  97. Noda, Y., et al. Reduced short-latency afferent inhibition in prefrontal but not motor cortex and its association with executive function in schizophrenia: A combined TMS-EEG study. Schizophrenia Bulletin. 44 (1), 193-202 (2018).

Tags

Неврология выпуск 194
Комбинированная стимуляция периферических нервов и транскраниальная магнитная стимуляция с контролируемым параметром импульса для зондирования сенсомоторного контроля и обучения
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, … More

Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, S. K. Combined Peripheral Nerve Stimulation and Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Sensorimotor Control and Learning. J. Vis. Exp. (194), e65212, doi:10.3791/65212 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter