Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Kombinerad perifer nervstimulering och kontrollerbar pulsparameter Transkraniell magnetisk stimulering för att undersöka sensorimotorisk kontroll och inlärning

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

Afferent inhibition (SAI) med kort latens är ett transkraniellt magnetiskt stimuleringsprotokoll för att undersöka sensomotorisk integration. Denna artikel beskriver hur SAI kan användas för att studera de konvergerande sensorimotoriska slingorna i motorcortex under sensorimotoriskt beteende.

Abstract

Skicklig motorisk förmåga beror på att effektivt integrera sensorisk afferens i lämpliga motorkommandon. Afferent hämning ger ett värdefullt verktyg för att undersöka det processuella och deklarativa inflytandet över sensomotorisk integration under skickliga motoriska åtgärder. Detta manuskript beskriver metodiken och bidragen för afferent hämning (SAI) med kort latens för att förstå sensomotorisk integration. SAI kvantifierar effekten av en konvergent afferent volley på kortikospinalmotorutgången framkallad av transkraniell magnetisk stimulering (TMS). Den afferenta volleyen utlöses av elektrisk stimulering av en perifer nerv. TMS-stimulansen levereras till en plats över den primära motorcortexen som framkallar ett tillförlitligt motoriskt framkallat svar i en muskel som betjänas av den afferenta nerven. Graden av hämning i det motorframkallade svaret återspeglar storleken på den afferenta volleyn som konvergerar på motorcortexen och involverar centrala GABAerga och kolinerga bidrag. Det kolinerga engagemanget i SAI gör SAI till en möjlig markör för deklarativa-procedurella interaktioner i sensorimotorisk prestanda och inlärning. På senare tid har studier börjat manipulera TMS nuvarande riktning i SAI för att reta isär den funktionella betydelsen av distinkta sensorimotoriska kretsar i den primära motorcortexen för skickliga motoriska åtgärder. Förmågan att styra ytterligare pulsparametrar (t.ex. pulsbredden) med toppmodern kontrollerbar pulsparameter TMS (cTMS) har förbättrat selektiviteten hos de sensorimotoriska kretsar som undersökts av TMS-stimulansen och gett möjlighet att skapa mer förfinade modeller av sensorimotorisk kontroll och inlärning. Därför fokuserar det nuvarande manuskriptet på SAI-bedömning med hjälp av cTMS. De principer som beskrivs här gäller dock även för SAI som bedöms med konventionella TMS-stimulatorer med fast pulsbredd och andra former av afferent hämning, såsom afferent hämning (LAI) med lång latens.

Introduction

Flera sensorimotoriska slingor konvergerar i motorcortexen för att forma pyramidala kanalprojektioner till ryggradsmotorneuroner och interneuroner1. Hur dessa sensorimotoriska slingor interagerar för att forma kortikospinalprojektioner och motoriskt beteende är dock fortfarande en öppen fråga. Afferent inhibition (SAI) med kort latens ger ett verktyg för att undersöka de funktionella egenskaperna hos konvergerande sensorimotoriska slingor i motorcortexutgången. SAI kombinerar motorisk kortikal transkraniell magnetisk stimulering (TMS) med elektrisk stimulering av motsvarande perifera afferenta nerv.

TMS är en icke-invasiv metod för att på ett säkert sätt stimulera pyramidala motorneuroner transsynaptiskt i den mänskliga hjärnan 2,3. TMS innebär att man leder en stor, övergående elektrisk ström genom en lindad tråd placerad i hårbotten. Den elektriska strömmens övergående natur skapar ett snabbt föränderligt magnetfält som inducerar en elektrisk ström i hjärnan4. I fallet med en enda TMS-stimulans aktiverar den inducerade strömmen en serie excitatoriska ingångar till de pyramidala motorneuronerna 5-7. Om styrkan hos de genererade excitatoriska ingångarna är tillräcklig, framkallar den nedåtgående aktiviteten ett kontralateralt muskulärt svar som kallas motor-evoked potential (MEP). MEP: s latens återspeglar den kortikomotoriska ledningstiden8. MEP: s amplitud indexerar excitabiliteten hos kortikospinalneuronerna9. Den enda TMS-stimulans som framkallar MEP kan också föregås av en konditioneringsstimulans10,11,12. Dessa parade pulsparadigmer kan användas för att indexera effekterna av olika interneuropooler på kortikospinalutgången. När det gäller SAI används den perifera elektriska konditioneringsstimulansen för att undersöka effekten av den afferenta volleyen på motorns kortikala excitabilitet11,13,14,15. Den relativa tidpunkten för TMS-stimulans och perifer elektrisk stimulering anpassar TMS-stimulansens verkan på motorcortexen med ankomsten av de afferenta utsprången till motorcortexen. För SAI i de distala övre extremitetsmusklerna föregår mediannervstimulansen vanligtvis TMS-stimulansen med 18-24 ms11,13,15,16. Samtidigt ökar SAI när styrkan hos den afferenta volleyn inducerad av den perifera stimulansen ökar13,17,18.

Trots sin starka koppling till de yttre egenskaperna hos den afferenta projektionen till motorcortexen är SAI ett formbart fenomen som är involverat i många motorstyrningsprocesser. Till exempel reduceras SAI i uppgiftsrelevanta muskler före en förestående rörelse 19,20,21 men bibehålls i angränsande uppgiftsirrelevanta motoriska representationer19,20,22. Känsligheten för uppgiftsrelevans antas återspegla en omgivande hämningsmekanism23 som syftar till att minska oönskad effektorrekrytering. På senare tid har det föreslagits att minskningen av högre revisionsorgan i den uppgiftsrelevanta effektorn kan återspegla ett rörelserelaterat grindfenomen som är utformat för att undertrycka förväntad sensorisk afferens21 och underlätta korrigeringar under sensorimotorisk planering och utförande24. Oavsett den specifika funktionella rollen är SAI korrelerat med minskad manuell fingerfärdighet och bearbetningseffektivitet25. Förändrad SAI är också förknippad med en ökad risk att falla hos äldre vuxna 26 och nedsatt sensomotorisk funktion vid Parkinsons sjukdom 26,27,28 och individer med fokal handdystoni 29.

Kliniska och farmakologiska bevis tyder på att de hämmande vägar som förmedlar SAI är känsliga för central kolinerg modulering30. Till exempel minskar administrering av muskarinacetylkolinreceptorantagonisten skopolamin SAI31. Däremot ökar halveringstiden för acetylkolin via acetylkolinesterashämmare ökar SAI32,33. I överensstämmelse med farmakologiska bevis är SAI känslig för flera kognitiva processer med central kolinerg involvering, inklusive upphetsning 34, belöning35, fördelning av uppmärksamhet 21,36,37 och minne38,39,40. SAI förändras också i kliniska populationer med kognitiva underskott associerade med förlust av kolinerga neuroner, såsom Alzheimers sjukdom 41,42,43,44,45,46,47, Parkinsons sjukdom (med mild kognitiv försämring)48,49,50 och mild kognitiv försämring 47,51,52. Den differentiella moduleringen av SAI av olika bensodiazepiner med differentiella affiniteter för olika γ-aminosmörsyra typ A (GABAA) receptorsubenhetstyper tyder på att SAI-hämmande vägar skiljer sig från vägar som förmedlar andra former av parpulshämning30. Till exempel minskar lorazepam SAI men förbättrar kortikal hämning (SICI)53. Zolpidem minskar SAI men har liten effekt på SICI53. Diazepam ökar SICI men har liten inverkan på SAI53. Minskningen av SAI av dessa positiva allosteriska modulatorer av GABAA-receptorfunktion, tillsammans med observationen att GABA kontrollerar frisättningen av acetylkolin i hjärnstammen och cortex 54, har lett till hypotesen att GABA modulerar den kolinerga vägen som projicerar till den sensorimotoriska cortexen för att påverka SAI55.

Nyligen har SAI använts för att undersöka interaktioner mellan de sensorimotoriska slingorna som sätter procedurmotoriska kontrollprocesser och de som anpassar procedurprocesser till uttryckliga top-down-mål och kognitiva kontrollprocesser 21,36,37,38. Det centrala kolinerga engagemanget i SAI31 tyder på att SAI kan indexera ett verkställande inflytande över procedurell sensorimotorisk kontroll och inlärning. Viktigt är att dessa studier har börjat identifiera de unika effekterna av kognition på specifika sensorimotoriska kretsar genom att bedöma SAI med olika TMS-strömriktningar. SAI-studier använder vanligtvis posterior-anterior (PA) inducerad ström, medan endast en handfull SAI-studier har använt anterior-posterior (AP) inducerad ström55. Att använda TMS för att inducera AP jämfört med PA-ström under SAI-bedömning rekryterar dock distinkta sensorimotoriska kretsar16,56. Till exempel förändras AP-känsliga, men inte PA-känsliga, sensorimotoriska kretsar genom cerebellär modulering37,56. Dessutom moduleras AP-känsliga, men inte PA-känsliga, sensorimotoriska kretsar av uppmärksamhetsbelastning36. Slutligen kan uppmärksamhet och cerebellära influenser konvergera på samma AP-känsliga sensorimotoriska kretsar, vilket leder till maladaptiva förändringar i dessa kretsar37.

Framsteg inom TMS-teknik ger ytterligare flexibilitet för att manipulera konfigurationen av TMS-stimulansen som används under enkelpuls, parad puls och repetitiva applikationer57,58. Kontrollerbara pulsparametrar TMS (cTMS) stimulatorer är nu kommersiellt tillgängliga för forskningsanvändning över hela världen, och dessa ger flexibel kontroll över pulsbredden och formen57. Den ökade flexibiliteten uppstår genom att kontrollera urladdningstiden för två oberoende kondensatorer, var och en ansvarig för en separat fas av TMS-stimulansen. Stimulansens bifasiska eller monofasiska natur styrs av den relativa urladdningsamplituden från varje kondensator, en parameter som kallas M-förhållandet. cTMS-studier har kombinerat pulsbreddsmanipulation med olika strömriktningar för att visa att de fasta pulsbredderna som används av konventionella TMS-stimulatorer (70-82 μs)59,60 sannolikt rekryterar en blandning av funktionellt distinkta sensomotoriska kretsar under SAI 56. Därför är cTMS ett spännande verktyg för att ytterligare reda ut den funktionella betydelsen av olika konvergerande sensomotoriska loopar i sensomotorisk prestanda och inlärning.

Detta manuskript beskriver en unik SAI-metod för att studera sensorimotorisk integration som integrerar perifer elektrisk stimulering med cTMS under sensorimotoriska beteenden. Detta tillvägagångssätt förbättrar det typiska SAI-tillvägagångssättet genom att bedöma effekten av afferenta projektioner på utvalda interneuropopulationer i motorcortex som styr kortikospinalproduktionen under pågående sensorimotoriskt beteende. Även om cTMS är relativt nytt ger det en klar fördel när det gäller att studera sensomotorisk integration i typiska och kliniska populationer. Dessutom kan det nuvarande tillvägagångssättet enkelt anpassas för användning med konventionella TMS-stimulatorer och för att kvantifiera andra former av afferent hämning och underlättande, såsom afferent hämning (LAI)13 eller afferent underlättande (SAF)15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Följande protokoll kan tillämpas på olika experiment. Informationen beskriver ett experiment där SAI används för att kvantifiera sensomotorisk integration under ett fingersvar på en giltig eller ogiltigt cued sond. I detta protokoll bedöms SAI utan en uppgift, sedan samtidigt under den cued sensorimotoriska uppgiften och sedan igen utan en uppgift. cTMS-stimulatorn kan ersättas med vilken kommersiellt tillgänglig konventionell TMS-stimulator som helst. Pulsbredden för den konventionella TMS-stimulatorn skulle emellertid fixeras mellan 70-82 μs beroende på den specifika hårdvaran 59,60. Denna studie godkändes av University of Waterloo Office of Research Ethics. Alla deltagare gav skriftligt informerat samtycke.

1. Krav på hårdvara / programvara

OBS: Figur 1 visar en schematisk bild av hårdvarukraven för att integrera perifera elektriska och TMS-stimulatorer med en datorstyrd sensorimotorisk uppgift. Figur 2A visar inställningen för SAI för PA-inducerad och AP-inducerad ström. Figur 2B illustrerar händelseförloppet för den cued sensomotoriska uppgiften och den relativa tidpunkten för bedömningen av det högre revisionsorganet. Ett stereotaktiskt vägledningssystem för att spåra TMS-spolorienteringen i förhållande till deltagaren rekommenderas starkt för att minska variabiliteten försök för försök i det fysiologiska svaret i samband med variation i spolposition och bana61.

Figure 1
Figur 1: En schematisk bild av den maskinvara som används för att bedöma SAI i vila och under samtidigt sensomotoriskt beteende. PC1, som används för att styra den sensorimotoriska uppgiften och tidpunkten för cTMS-stimulans / perifer elektrisk stimulering, är ansluten till en digital-till-analog-omvandlare som kan generera en 5 V TTL-utgångsutlösare via en USB-kabel. För okonditionerade försök skickas utlösaren från digital ingångs-utgångskanal 1 till cTMS-stimulatorn via en BNC-kabel. För konditionerade försök föregås utlösaren från digital ingångs-utgångskanal 1, som skickas till cTMS-stimulatorn, av en utlösare från digital ingångs-utgångskanal 2 till den perifera elektriska stimulatorn. En BNC-kabel från triggerkanalen på cTMS-enheten skickas till EMG-systemets analog-till-digital-kort för att utlösa EMG-förstärkarens inspelning och visning/sparande av data av EMG-insamlingsprogramvaran på PC2. En valfri BNC-kabel från cTMS-utlösaren skickas också till det stereotaktiska styrsystemet för att registrera spolens position och bana vid tidpunkten för cTMS-stimulansen. Förkortningar: PC = persondator; USB = universell seriell buss; TTL = transistor-transistor logisk triggerkabel; BNC = Bajonett Neill-Concelman-kontakt; cTMS = transkraniell magnetisk stimulator med kontrollerbar pulsparameter; TMS = transkraniell magnetisk stimulering; A/D = analog-digital; EMG = elektromyografi. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: SAI-inställning och den sensorimotoriska uppgiften . (A) En schematisk bild av upplägget för bedömning av högre revisionsorgan i FDI-muskeln. Observera att den inducerade strömmen i hjärnan är motsatt strömriktningen i TMS-spolen. (B) En avbildning av en giltig pekfinger cue (överst) och ogiltig pekfinger cue (nederst) rättegång. Signalen avbildas alltid som den övre stimulansen (markerad av den streckade cirkeln). Referensfärgen motsvarar ett specifikt fingersvar. Deltagarna instruerades att svara på sondfärgen så snabbt och exakt som möjligt. Cues och sonder kan vara vilken färg som helst. Sannolikheten för en giltig signal var 70%. Ogiltiga signaler förekom i 30% av försöken. Förkortningar: SAI = afferent hämning med kort latens; PA = bakre främre; AP = främre-bakre; FDI = första dorsala interosseösa; EMG = elektromyografi; MNS = median nervstimulans. Klicka här för att se en större version av denna figur.

  1. Utrusta en persondator (PC1) med programvara för att styra den sensorimotoriska uppgiften via ett USB-(eller serieport) digital-analogt kort med två digitala utgångskanaler.
  2. Ställ in en icke-uppgift programvara rutin för att styra ordningen på okonditionerade cTMS stimuli och cTMS stimuli som kommer att konditioneras av perifer elektrisk stimulering med ett interstimulus intervall (ISI) på 21 ms. Randomisera intervallet mellan två stimuli (t.ex. konditionerade eller okonditionerade) med hjälp av en rektangulär fördelning med en varaktighet mellan 5-8 s.
    1. Se till att rutinen skickar en digital utgångsutlösare till avtryckaren i porten på cTMS-enheten för okonditionerade stimuli. Se till att rutinen skickar separata digitala utgångar till cTMS-enheten och den perifera elektriska stimulatorn för de konditionerade stimuli.
    2. Se till att avtryckaren till perifer stimulator föregår cTMS-utlösaren med 21 ms. Se till att antalet okonditionerade och konditionerade stimuli är mellan 8 och 24. Helst bör ordningen på de okonditionerade och konditionerade studierna randomiseras.
  3. Ställ in en programvarurutin för att styra den sensorimotoriska uppgiften. Se till att denna programvara också tidslåser de digitala utgångsutlösarna som skickas till cTMS och perifera elektriska stimulatorer till en specifik punkt (er) under beteendet.
    OBS: Det skisserade experimentet använde en cued sensorimotorisk uppgift (figur 2B). Utlösarna till den perifera stimulatorn och cTMS-stimulatorn var tidsinställda att inträffa 225-275 ms efter responsstarten med användning av en rektangulär fördelning. Syftet med denna tidpunkt var att bedöma förändringar i sensomotorisk integration baserat på validiteten mellan responssignalen och den tidigare beredningssignalen, som var giltig i 70% av alla studier.
  4. Utrusta en andra persondator (PC2) med en tvåkanals elektromyografiförstärkare (EMG) ansluten till en analog-digital omvandlare. Se till att den digital-analoga omvandlaren har en digital ingångskanal för att tidslåsa EMG till TMS-stimulansen. Se till att PC2 är utrustad med EMG-datainsamlingsprogramvara för att registrera TMS-framkallade muskelsvar.
    PC1 kan användas för att styra den sensorimotoriska uppgiften och registrera EMG. Forskare bör emellertid självständigt verifiera tidpunkten för utlösarna till TMS-stimulatorn, perifer stimulator och EMG-system. Flera enheter anslutna till en enda dator ökar risken för centrala processorkonflikter, vilket leder till instabilitet i den relativa tidpunkten för händelsemarkörerna.
  5. Ställ in EMG-datainsamlingsprogramvaran med följande inställningar: tre inspelningskanaler, 2 EMG, en ingångsutlösare, utlösta inspelningar med en epok på −0,3 s till 0,5 s runt TTL-utlösaren, en EMG-förstärkningsfaktor på 1 000x, en samplingsfrekvens på 4 000 Hz, ett bandpassfilter på 3 Hz till 1 kHz och ett nätfilter (tillval).
    OBS: Det aktuella protokollet använder en epoched inspelningsmetod. EMG-förvärvsprogramvaran övervakar kontinuerligt EMG-signalen. Endast epokerade data som är tidslåsta till TMS-stimulansen visas och registreras dock.
  6. Anslut en digital utgångskanal från PC1 till triggeringången på cTMS-stimulatorn. Anslut den andra digitala utgångskanalen från PC1 till triggeringången på den perifera elektriska stimulatorn. När du använder datorns operativsystem, bekräfta oberoende den relativa tidpunkten för de två digitala utgångarna från PC1.
  7. Anslut triggerutgången till EMG-systemets digitala ingång. Om du använder ett stereotaktiskt styrsystem kan det vara möjligt att dela upp triggerutgången till styrsystemet för att registrera försöket genom försöksposition för cTMS-spolen vid tidpunkten för cTMS-stimulansen.

2. Deltagarscreening och informerat samtycke

  1. Screena deltagaren för kontraindikationer till TMS 9,62,63,64,65.
  2. Informera deltagaren om studiens mål och rutiner. Granska de risker som beskrivs i institutionens etikprövningsnämnds godkända samtyckesdokument. Svara på eventuella frågor om de potentiella riskerna. Inhämta skriftligt informerat samtycke innan du påbörjar några studieprocedurer.

3. Elektromyografi (EMG) elektrodplacering

  1. Instruera deltagaren att sitta i experimentstolen med armbågarna vilande på stolens armar och böjda så att handleden/handen kan vila bekvämt på arbetsytan vid skrivbordet. Justera höjden på stolen och arbetsytan efter behov.
  2. Rengör huden över den första dorsala interosseösa (FDI), abductor pollicis brevis (APB) och ulnar styloidprocessen med en milt slipande kräm placerad på en rund bomullsdyna. Torka bort eventuella rester med en alkoholberedningsdyna.
  3. För varje muskel, placera en Ag-AgCl-självhäftande engångselektrod över muskelmagen. Placera en andra elektrod på ett närliggande benigt landmärke som referens. Slutligen placera ytterligare en Ag-AgCl-självhäftande elektrod på den ulnara styloidprocessen för att fungera som en jord.
    OBS: En vanlig FDI-referensplats är den beniga framträdandet vid basen av den andra proximala falanxen på den radiella sidan av handen. En vanlig APB-referensplats är den proximala falangens beniga framträdande på tummens radiella sida.
  4. Anslut varje par elektroder och jord till EMG-förstärkaren och datainsamlingssystemet. Använd kanal 1 för FDI och kanal 2 för APB.

4. Perifer elektrisk stimulatorelektrodplacering

  1. Anslut den digitala utgångsutlösaren för den perifera stimulatorn till triggeringångskanalen på EMG-systemet för att utlösa EMG-inspelning när den perifera stimulansen levereras.
  2. Använd en milt slipande kräm för att rengöra huden på insidan av underarmen. Börja från handledens böjveck och förläng till ~ 6 cm proximalt. Förläng rengöringen till området från handledens mittlinje till underarmens radiella sida. Torka bort eventuella rester med en alkoholberedningsdyna.
  3. Applicera ledande gel på en återanvändbar stimulerande stångelektrod. Använd precis tillräckligt med gel för att täcka metallskivorna i de anodala och katodala kontaktpunkterna. Placera den stimulerande elektroden över huden på palmarsidan av handleden med katoden proximalt till anoden. Placera katoden något medial och proximal till den radiella styloidprocessen.
    1. Använd inte överdriven gel. Om gelén skapar en bro mellan anod- och katodterminalerna, rengör elektroden för att ta bort all gel och applicera igen. En gelbro mellan anoden och katoden kommer att avleda betydande strömmar längs huden, vilket gör det svårt att stimulera mediannerven.
  4. På den perifera stimulatorn ställer du in stimulanstypväljaren till monofasisk, ställer in stimulanstiden till 200 μs och väljer lämplig spänning och strömstyrka, dubbelkontroll av eventuella multiplikationsfaktorer. Spänningen (Vmax) var inställd på 200 V för hårdvaran som används här, med en initial strömstyrka på 0,05 x 10 mA.
  5. Medan du håller den stimulerande elektroden, leverera en enda elektrisk stimulans genom att trycka ner triggeromkopplaren på konstantströmstimulatorn. Kontrollera sedan APB-muskeln och EMG-displayen (kanal 2) visuellt för tecken på muskelsammandragning. Muskelkontraktionen, känd som M-vågen, framkallas genom direkt aktivering av motoraxonen av den elektriska stimulansen och bör inträffa mellan 6-9 ms efter den perifera elektriska stimulansartefakten.
  6. Om det inte finns några tecken på muskelkontraktion, fråga sedan deltagaren om de kände en stickande känsla som strålade ut mot fingrarna eller omedelbart under elektroden. Den optimala positionen kommer att vara elektrodpositionen som framkallar den mest signifikanta APB-muskelkontraktionen vid den aktuella stimulansintensiteten.
    1. Om ingen känsla rapporteras eller känslan är begränsad till huden omedelbart under elektroden, öka sedan strömstyrkan i steg om 0,05 (multiplicerat med en faktor 10) tills deltagaren rapporterar en stickande känsla som strålar upp till fingrarna / tummen. Om en strålande känsla rapporteras med en annan siffra än tummen, flytta elektroden genom att flytta elektroden radiellt tills känslan strålar ut till tummen.
  7. När den stimulerande elektrodens optimala position har bestämts, fäst elektroden på handleden med tre tejpstycken. Placera den första biten över mitten av elektroden och använd sedan den andra och tredje biten för att säkra toppen och botten av elektroden.
    OBS: Baserat på erfarenhet föreslås att man först fäster tejpbandet på baksidan av elektroden och sedan kör tejpen längs elektrodens sida till huden. Detta tillvägagångssätt verkar säkra elektroden och minimerar potentialen för lateral rörelse under experimentet.
  8. Efter att ha säkrat elektroden, be deltagaren att anta önskad lemorientering som ska användas under TMS-stimulering. Kontrollera att en tumryckning fortfarande framkallas.

5. Bestämning av mediannervstimulansintensiteten

  1. Bestäm tröskeln för perifer stimulans genom att justera strömstyrkan för den perifera stimulansintensiteten tills en M-våg på 0,2 mV framkallas37,56. Om M-vågen överskrider den önskade 0,2 mV målamplituden på tre på varandra följande stimuli, minska sedan strömstyrkan. Om M-vågen är under den önskade 0,2 mV målamplituden på tre efterföljande stimuli, öka strömstyrkan. Tröskelvärdet är det första strömstyrkan där M-vågen överstiger 0,2 mV.
    OBS: Ett vanligt alternativ är att ställa in intensiteten till antingen 3x den perceptuella sensoriska tröskeln eller 1x motortröskeln 11,16,17,66,67,68. Den sensoriska tröskeln är stimulansintensiteten vid vilken deltagarna korrekt rapporterar en känsla på 5 av 10 elektriska stimuli. Motortröskeln är stimulansintensiteten vid vilken en synlig ryckning framkallas på 5 av 10 stimuli.

6. Bestämning av den optimala spolbanan för transkraniell magnetisk stimulering

  1. Använd en mall för magnetisk resonansbildfil (MRI) för att skapa en ny projektfil för stereotaktiskt styrsystem för att övervaka deltagarens position och spolorientering. Anslut sedan den digitala utgångsutlösaren från TMS-stimulatorn till triggeringångskanalen på EMG-systemet för att utlösa EMG-inspelningen när TMS-stimulansen levereras.
    OBS: När en ämnesspecifik MR finns tillgänglig kan den användas. MEP är dock tillräcklig för att bestämma den optimala spolpositionen för motorcortexstimuleringsstudier.
  2. Fäst styrsystemets spolspårningsverktyg på PA TMS-spolen. Använd spolkalibreringsverktyget för att kalibrera spolspårningsverktygets orientering till TMS-spolens mittpunkt. Upprepa detta steg med ett andra spolspårningsverktyg för en AP-spole med identisk geometri som PA-spolen.
  3. Fäst vägledningssystemets ämnesspårningsverktyg på deltagarens panna med två EMG-elektroder. Använd en finspets för torrradering eller eye-liner-applikator för att placera markeringar på mitten av nässpetsen, nasionen och vänster och höger preaurikulära gropar. Använd vägledningssystemets ämneskalibreringsverktyg för att röra vid och registrera positionen för varje markör.
  4. Ställ in en initial spolposition genom att placera spolen på deltagarens huvud och registrera spolbanan. Se till att spolens mittyta är tangentiell mot hårbotten. Rikta in spolens mittlinje vid 45° mot mittsagittalplanet på deltagarens huvud.
    1. För att få en startapproximation av motorcortexens hotspot, föreställ dig en tangentiell linje som förbinder en punkt 5 cm främre till vertexet och 5 cm lateral till vertexen och placera en 70 mm spole på cirka 2 cm från den främre punkten längs tangentiallinjen.
      OBS: Ett alternativt tillvägagångssätt för att approximera den kortikala motoriska hotspoten för de distala musklerna i den kontralaterala handen är att experimenten placerar sitt vänstra pekfinger (om det stimulerar över deltagarens vänstra motorcortex) på huvudets vertex och tummen på vänster hand på den preaurikulära punkten på vänster öra. Positionen för pekfingrets metakarpophalangeala led kan användas för att visualisera en ungefärlig position för att placera spolens centrum.
  5. På cTMS-stimulatorn ställer du in pulstypväljaren på monofasisk-positiv för att inducera en PA-ström i den underliggande neuralvävnaden. Ställ sedan in M-förhållandet till 0,2 och stimulansintensiteten (även känd som effekten) till 30% av den maximala stimulatorutgången. Slutligen, ställ in pulsbredden (även känd som den positiva fasvaraktigheten) till 120 μs (den längsta pulsbredden som används i studien).
    OBS: Spolpositionen och banan bestämd med hjälp av den PA-inducerade strömmen kommer att användas för den AP-inducerade strömmen 16,36,37,38,56,69.
  6. Leverera tre till fem TMS-stimuli medan deltagaren upprätthåller en liten sammandragning av FDI-muskeln (~ 5% -10% av maximal frivillig sammandragning). Om ingen motorframkallad potential (MEP) framkallas, öka stimulatorns intensitet med 10% och leverera tre till fem ytterligare TMS-stimuli.
  7. Upprepa föregående steg tills en MEP på minst 0,2 mV konsekvent framkallas för varje stimulans, eller tills stimulatorintensiteten når 60% -70% av den maximala stimulatorutgången. Om ingen pålitlig MEP framkallas, håll stimuleringsparametrarna konstanta och flytta TMS-stimulatorn i en cirkel med ~ 2 cm diameter runt det ursprungliga stimuleringsstället. Öka cirkelns diameter med 1 cm om en pålitlig parlamentsledamot fortfarande inte framkallas någonstans i den ursprungliga cirkeln.
  8. När en pålitlig MEP har framkallats, bekräfta FDI-motorns hotspot genom att hålla stimuleringsparametrarna konstanta och flytta TMS-stimulatorn 2 cm norr, öster, söder och väster om den aktuella spolplatsen. Leverera tre till fem TMS-stimuli på varje plats70. Registrera den nya spolpositionen och banan om en konsekvent större MEP framkallas vid någon av de fyra kvadranterna. Använd den nya spolpositionen och banan som kortikal motorhotspot.

7. Bestämning av stimulansintensiteten för transkraniell magnetisk stimulering

  1. Starta det fritt tillgängliga TMS-motortröskelbedömningsverktyget (MTAT 2.1)71,72,73 för att bestämma den stimulansintensitet som krävs för att framkalla en MEP på 1 mV (1 mV tröskel)16,67,74. Ställ in uppskattningsmetoden på Utan förhandsinformation och klicka på Start.
    OBS: Det aktuella protokollet använder en TMS-intensitet på 1 mV16. Vissa studier föredrar dock att ställa in intensiteten som 120% av individens vilomotoriska tröskel. För AP-ström kanske en 1 mV MEP inte kan erhållas. I sådana fall bestämmer du stimulatorns effekt som framkallar den maximala MEP som framkallas av AP-stimulanskonfigurationen, förutsatt att den maximala MEP är minst 0,5 mV.
  2. Bestäm den maximala stimulatorutgången som är tillgänglig för pulsbredden 120 μs. Använd sedan ett konverteringsdiagram för att skala om stimulatorns utgång från 0 till 100 så att stimulatorutgången matchar skalan för MTAT 2.1-programvaran.
    OBS: För den modell som används i den aktuella studien är den maximala stimulatorutgången för en pulsbredd på 120 μs 50%. Därför divideras värdena från MTAT 2.1-programvaran med 2 för att bestämma värdet på stimulatorn. För en pulsbredd på 70 μs är den maximala stimulatorutgången 66%, så alla värden som tillhandahålls av MTAT 2.1-programvaran multipliceras med 0, 66 (och avrundas till närmaste 0, 5%). För en pulsbredd på 30 μs är den maximala stimulatorutgången 100%. Därför behövs ingen skalningsjustering.
  3. Ställ in TMS-stimulatorintensiteten till den initiala procentandelen av maximal stimulatorutgång som indikeras av MTAT 2.1-programvaran och leverera en enda TMS-stimulans. Om den inspelade MEP i tidsintervallet 20-50 ms efter TMS-stimulansen överstiger 1 mV, ange "ja" genom att trycka på Y-tangenten. Om den inspelade MEP är mindre än 1 mV, ange "nej" genom att trycka på N-tangenten. Upprepa detta steg tills stimulansintensiteten som visas av MTAT-programvaran ändras från svart till grönt.
    Det initiala värdet som anges av MTAT 2.1-programvaran är alltid 37%. För en pulsbredd på 120 μs är det faktiska stimulatorvärdet 18, 5%. För en pulsbredd på 70 μs är det faktiska stimulatorvärdet 24%. För en pulsbredd på 30 μs är stimulatorvärdet 37%.
  4. Upprepa för varje kombination av nuvarande riktning och stimulanstid. För AP-ström, rotera strömriktningen till 180 ° genom att fysiskt rotera spolen för att inducera PA-strömmen med 180 °, eller använd en anpassad spole tillverkad för att inducera AP-ström.
    OBS: När du använder flera TMS-strömriktningar och pulsbredder kan alla tröskelvärden bestämmas före datainsamlingen eller precis innan du använder den specifika kombinationen av strömriktning och pulsbredd i protokollet.

8. Afferent hämning med kort latens (ingen baslinje för uppgiften)

  1. Fäst spolen som inducerar PA-strömmen i hjärnan till cTMS-stimulatorn. Ställ in pulstypen på Monofasisk-positiv och M-förhållandet på 0,2. Ställ in pulsbredden på 120 μs. Slutligen ställer du in stimulansintensiteten till tröskeln på 1 mV som bestämdes i steg 7.
    OBS: Om du använder både PA- och AP-strömriktningar bör ordningen i vilken steg 8 utförs randomiseras mellan deltagarna. Om du använder flera pulsbredder bör den ordning i vilken steg 8 utförs balanseras mellan deltagarna. PA120 och AP30 var de enda nuvarande konfigurationerna som användes i det beskrivna experimentet.
  2. Ställ in den perifera elektriska stimulansintensiteten till den intensitet som bestämdes i steg 5. Starta sedan programvarurutinen utan uppgift på PC1. Ställ sedan in interstimulusintervallet mellan perifera elektriska och TMS-stimuli till 21 ms.
  3. Placera TMS-spolen över FDI-motorns hotspot som bestämdes i steg 6. Be deltagaren att hålla en liten sammandragning av FDI-muskeln (~ 5% -10% av maximal frivillig kontraktion). Kör sedan programvaran utan uppgift på PC1 för att utlösa både perifera och cTMS-stimulatorer.
  4. Upprepa stegen för AP30-strömkonfigurationen med spolen som inducerar AP-ström i hjärnan.
    OBS: Det rekommenderas att baslinjen utan uppgift upprepas i slutet av experimentet, om tiden tillåter. Det rekommenderas starkt att bedömningarna av högre revisionsorgan före och efter en uppgift ges för att tillhandahålla ett referensscenario för högre revisionsorgan och för att fastställa eventuella befintliga skillnader mellan grupper (i tillämpliga fall).

9. Afferent hämning med kort latens (sensorimotorisk uppgift)

  1. Fäst PA-spolen på cTMS-stimulatorn. Ställ in pulstypen på Monofasisk-positiv och M-förhållandet på 0,2. Ställ in pulsbredden på 120 μs. Slutligen ställer du in stimulansintensiteten till tröskeln på 1 mV som bestämdes i steg 7.
    OBS: När du använder flera TMS-strömkonfigurationer (t.ex. PA120, AP30) bör den aktuella konfigurationen som används under den sensorimotoriska uppgiften balanseras mellan deltagarna. Vi rekommenderar att du använder samma motvikt som används för att fastställa ordningen för baslinjeutvärderingen utan uppgift.
  2. Ställ in den perifera elektriska stimulansintensiteten till den intensitet som bestämdes i steg 5. Starta sedan den sensorimotoriska uppgiftsprogramvarurutinen på PC1. Ställ in interstimulusintervallet mellan perifera elektriska och TMS-stimuli till 21 ms.
  3. Placera TMS-spolen över FDI-motorns hotspot som bestämdes i steg 6. Be deltagaren att hålla en liten sammandragning av FDI-muskeln (~ 5% -10% av maximal frivillig kontraktion).
  4. Kör den sensorimotoriska uppgiftsprogramvarurutinen för att styra den sensorimotoriska uppgiften och skicka de beteendelåsta digitala utlösarna till perifera och cTMS-stimulatorer. Håll önskat antal okonditionerade och konditionerade försök mellan 8 och 24 stimuli per tillstånd.
  5. Upprepa stegen för AP30-strömkonfigurationen med spolen för att inducera AP-ström i hjärnan.

10. Databehandling och analys

  1. Inspektera EMG-data visuellt offline och kassera alla spår där rotmedelkvadraten för prestimulus EMG (−50 till stimulusstart) överskrider en kriterieamplitud. Beräkna rotmedelkvadratfelet för varje försök enligt följande:
    Equation 1
    där N är antalet datapunkter mellan −50 och stimulusstart, och EMG är spänningen vid punkt n. För SAI som utförs med muskeln i vila, använd en kriterieamplitud på 10-15 μV. För SAI bedömd med en lätt tonisk kontraktion, använd en kriterieamplitud som är den genomsnittliga RMSE över alla försök plus två standardavvikelser, förutsatt att kontraktionsnivåerna övervakades under studien.
  2. För varje försök, beräkna topp-till-topp MEP-amplituden för FDI som skillnaden mellan minimi- och maximivärdena i tidsfönstret mellan 20 ms och 50 ms post-TMS-stimulusartefakt i kanal 170.
  3. För de konditionerade försöken, beräkna topp-till-topp M-vågamplituden för APB som topp-till-topp-amplituden 5 ms till 15 ms postperifer stimulansartefakt i kanal 2.
    OBS: Beräkning av topp-till-topp M-vågamplituden är en metod för att bekräfta att stimulansintensiteten inte varierade över förhållandena under hela experimentet.
  4. Beräkna den genomsnittliga MEP-amplituden för de okonditionerade och konditionerade försöken och den genomsnittliga M-vågen för konditionerade försök för varje kombination av TMS-strömriktning, pulsbredd och beteendetillstånd.
  5. Uttryck den konditionerade MEP-amplituden som ett förhållande mellan den okonditionerade MEP-amplituden för varje deltagare med hjälp av ekvationen nedan11:
    Equation 2
    OBS: Lägre förhållanden återspeglar mer potent hämning. Att multiplicera förhållandet med 100% är vanligt för att uttrycka den konditionerade MEP-amplituden som en procentandel av den okonditionerade MEP-amplituden.
  6. Beräkna medelvärdet för alla deltagare för varje TMS-strömriktning, pulsbredd och kombination av beteendetillstånd. Rapportera dessa värden. Även om medelvärden i allmänhet rapporteras, visa individuella data i siffror där så är möjligt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 illustrerar exempel på okonditionerade och konditionerade parlamentsledamöter från en enda deltagare som framkallas i FDI-muskeln under den sensomotoriska uppgiften med PA120- och AP30- (nedsänkt betecknar pulsbredd) inducerad ström. Stapeldiagrammen i den mellersta kolumnen illustrerar de råa genomsnittliga MEP-amplituderna från topp till topp för de okonditionerade och konditionerade försöken. Stapeldiagrammen till höger visar SAI- och MEP-startfördröjningarna för PA120- och AP30-inducerad ström för samma deltagare.

Den genomsnittliga effekten av den perifera elektriska konditioneringsstimulansen är att undertrycka kortikospinalproduktionen som framkallas av TMS-stimulansen, vilket visas av de mindre råa genomsnittliga topp-till-topp-MEP-amplituderna för de konditionerade jämfört med okonditionerade parlamentsledamöter och SAI-förhållanden på mindre än 1. Den längre MEP-startlatensen för AP30 SAI återspeglar den längre latensen för ingången till kortikospinalneuronen.

Figure 3
Figur 3: Exempel på MEP-spår och topp-till-topp-amplituder för okonditionerade (fasta spår) och konditionerade (streckade spår) stimuli med PA 120- (överst) och AP 30- (botten) inducerad ström. (A) Exempel på de råa MEP-vågformer som framkallas av PA120- och AP30-inducerad ström under ett giltigt pekfingerförsök. (B) Den genomsnittliga topp-till-topp-amplituden för de okonditionerade och konditionerade ledamöterna för PA120- och AP30-inducerad ström under ett giltigt pekfingerförsök. Felstaplarna representerar standardfelet. (C) Överst: Det konditionerade till okonditionerade MEP-amplitudförhållandet (t.ex. SAI) för PA120- och AP30-inducerad ström under ett giltigt pekfingerförsök. Nederst: De okonditionerade parlamentsledamöternas debutlatenser framkallade av PA120- och AP30-inducerad ström under en giltigt pekfingerförsök. VVS-svarstiden påverkas inte av cue-giltigheten. Förkortningar: TMS = transkraniell magnetisk stimulering; MNS = median nervstimulans; MEP = motorinducerad potential; SAI = afferent hämning med kort latens; PA = bakre främre; AP = främre-bakre. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 4 visar de differentiella effekterna av en konditioneringsstimulans för PA120 och AP30 TMS-stimuli baserat på giltigheten av informationssignalen för en enda deltagare. De övre vänstra och övre högra panelerna visar PA120 SAI och AP30 SAI under ett giltigt cued pekfingersvar och ett ogiltigt cued pekfingersvar där deltagarna var tvungna att omforma sitt svar till ett icke-pekfinger. De nedre vänstra och nedre panelerna visar PA120 SAI och AP30 SAI under ett giltigt cued icke-pekfingersvar och ett ogiltigt cued icke-pekfingersvar där deltagarna var tvungna att omforma sitt svar till pekfingret.

I denna deltagare förbättrades PA120 SAI på samma sätt för ett pekfingersvar oavsett om deltagaren var cued till pekfingret (övre vänstra panelen) eller krävde att omforma sitt svar till pekfingret efter en ogiltig cue till ett icke-pekfinger (nedre vänstra panelen). Däremot verkar AP30 SAI vara differentiellt modulerad baserat på om den ogiltiga signalen krävde en ommappning bort (övre högra panelen) eller mot pekfingret (nedre högra panelen).

Figure 4
Figur 4: SAI för giltiga och ogiltiga referenstyper beroende på cued finger (index kontra icke-index) åtskilda av PA120- och AP30-inducerad ström. Överst till vänster: PA120 SAI för ett korrekt cued pekfingersvar och ett felaktigt cued svar som krävde ommappning för att svara med ett icke-pekfinger. Överst till höger: AP30 SAI för ett korrekt cued pekfingersvar och ett felaktigt cued svar som krävde ommappning för att svara med ett icke-pekfinger. Nederst till vänster: PA120 SAI för ett korrekt cued icke-pekfingersvar och ett felaktigt cued svar som krävde ommappning för att svara med pekfingret. Nederst till höger: AP30 SAI för ett korrekt cued icke-pekfingersvar och ett felaktigt cued svar som krävde ommappning för att svara med pekfingret. Förkortningar: SAI = afferent hämning med kort latens; PA = bakre främre; AP = främre-bakre. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SAI-metoden som beskrivs här undersöker en delmängd av neurala vägar som spelar en roll i sensorimotorisk prestanda och inlärning. Att bedöma SAI medan deltagarna utför kontrollerade sensorimotoriska uppgifter är avgörande för att avlägsna de komplexa bidragen från de många sensorimotoriska slingorna som konvergerar på de motoriska kortikospinala neuronerna för att forma motorutgången i friska och kliniska populationer. Till exempel har en liknande metod använts för att identifiera det cerebellära inflytandet över procedurmotoriska kontrollprocesser 37,56 och de specifika mål genom vilka det deklarativa minnessystemet kan påverka procedurell motorisk kontroll och inlärning hos friska 21,36,37,38 och tidigare hjärnskakade populationer75.

Det finns flera fördelar med bedömningen av sensomotorisk integration som beskrivs här. För det första går protokollet utöver standardutvärderingen av SAI med PA-inducerad ström. SAI-studier har nästan uteslutande använt PA-inducerad ström vid bedömning av SAI55,76. PA-inducerad ström rekryterar emellertid sannolikt bara en delmängd av sensorimotoriska kretsar i motorcortex 36,37,56,77, vilket ger en ofullständig bild av de pågående sensorimotoriska processerna och hjärnbeteendeföreningarna 55. För det andra använder protokollet variabla pulsbredder för att förbättra specificiteten hos interneuropopulationen rekryterad av TMS-stimulans77. De fasta pulsbredderna hos konventionella monofasiska TMS-stimulatorer, typiskt mellan 70-82 μs 59,60, kan rekrytera en blandning av sensorimotoriska kretsar inom en viss strömriktning56,77,78. Att använda cTMS för att manipulera pulsbredden under SAI-bedömningar kan öka förståelsen för den funktionella betydelsen av de olika sensomotoriska slingorna som styr kortikospinalproduktionen hos friska 56,78,79 och kliniska populationer 75. Slutligen, i detta arbete, genomfördes SAI-bedömningarna i vila och var tidslåsta till en specifik process under ett samtidigt beteende. Ett sådant tillvägagångssätt är relativt sällsynt i den sensomotoriska kontrollen och lärande SAI-litteraturen 14,19,20,21,36,37,80. Vanligare är att bedöma SAI och sensomotorisk prestation/inlärning separat: 34,81,82,83,84,85,86. Vilobedömningar av SAI är dock beroende av korrelationen mellan beteende och fysiologiska mätningar uppmätta vid olika tidpunkter. Vidare bedömer bedömningen av påverkan på kortikal ryggradsproduktion i vila sannolikt inte deras uppgiftsrelaterade betydelse. Att bedöma SAI i vila kan bara vara meningsfullt för att kvantifiera baslinjeskillnader mellan grupper eller utvärdera effekterna av en grundläggande förändring i hjärnstruktur / funktion i en klinisk population, såsom hos individer med Parkinsons sjukdom 26,27,28, Alzheimers sjukdom87,88 och fokal handdystoni 29.

Användare bör också noga överväga flera kritiska element i det beskrivna SAI-protokollet. För det första är stimulansintensiteten som krävs för att framkalla en 1mV MEP med AP-ström med en given pulsbredd konsekvent högre än motsvarande PA-ström 16,36,37,38,56. Högre trösklar ökar sannolikheten för att den stimulansintensitet som krävs för att uppnå en 1 mV MEP överstiger stimulatorförmågan för en delmängd av individer, särskilt vid användning av AP-ström med korta pulsbredder59. I sådana fall måste forskaren besluta om deltagaren ska uteslutas eller bestämma en annan stabil tröskel. För en konventionell stimulator med en fast pulsbredd på ~ 80 μs påverkas inte storleken på AP SAI av teststimulans MEP-amplituder som sträcker sig från 0,5 mV till 2 mV16. För det andra kräver protokollet som beskrivs ovan att deltagarna upprätthåller en minimal sammandragning (5% -10% av maximal frivillig kontraktion) av FDI. Den lilla sammandragningen ökar selektiviteten hos interneuropopulationen rekryterad av olika AP-pulsbredder genom att minska den erforderliga stimulansintensiteten56,78. Huruvida en liten sammandragning bör användas för PA-inducerade strömmar är dock tveksamt. Liten sammandragning förbättrar inte selektiviteten hos PA-inducerade strömmar med varierande pulsbredder78, och kontraktionsrelaterad sensorisk grind89 kan maskera andra funktionella bidrag från de PA-känsliga kretsarna under vissa uppgiftstillstånd. Framöver kan det vara vettigt att bedöma PA SAI i vila men AP SAI, särskilt vid korta pulsbredder, med en liten sammandragning. Slutligen kan den externa giltigheten av det reduktionistiska tillvägagångssättet i det högre revisionsorganets protokoll som beskrivs här diskuteras. Det beskrivna protokollet riktar sig mot en uppgiftsrelevant muskel i en kontrollerad uppgift som involverar selektiva fingersvar. Det reduktionistiska tillvägagångssättet som beskrivs här kan ge betydande inblick i de specifika mekanismerna vid en given punkt i ett sensorimotoriskt beteende. Sambandet mellan SAI i en specifik motorisk representation och det sensorimotoriska beteendet kan dock variera mellan olika delar av en komplex uppgift (t.ex. planering kontra motorisk utförande). Vidare kan sambandet mellan SAI och beteende vara mindre uppenbart när komplexiteten i det sensorimotoriska beteendet ökar. Att bedöma SAI över många muskler i ett multivariat tillvägagångssätt kan vara nödvändigt för att ta hänsyn till interaktioner mellan intilliggande agonist-, synergist- och antagonistmotoriska representationer när uppgiftskomplexiteten ökar.

Konventionella TMS-bedömningar har kopplat SAI till flera rörelse- och psykiatriska störningar. Den ökade selektiviteten hos cTMS-SAI skulle kunna underlätta identifieringen av alltmer tillförlitliga biomarkörer för sensorimotoriska och psykiatriska störningar. En preliminär rapport belyste potentialen hos cTMS, vilket tyder på att AP30 SAI kan vara en markör för ihållande latenta kognitiva motoriska abnormiteter hos unga vuxna med hjärnskakningshistoria75. Den diagnostiska nyttan av cTMS-SAI vid rörelse och psykiatriska störningar som kronisk hjärnskakning, Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom, mild kognitiv försämring, dystoni och stroke är dock ännu inte utforskad. En betydande begränsning för den kliniska tillämpningen av cTMS-SAI inom rörelsestörningsdomänen är behovet av större studier för att fastställa tillförlitlighet och normativa intervall, vilket har gjorts för SAI bedömt med en PA-puls med fast bredd90,91,92,93. Vidare skulle kliniska tillämpningar dra nytta av en ökad förståelse för hur de olika sensorimotoriska slingorna som undersöks av cTMS-SAI interagerar med andra underlättande och hämmande vägar som konvergerar på de motoriska kortikala pyramidala neuronerna. Till exempel tyder konventionella TMS-studier av SAI på att de undersökta sensorimotoriska slingorna kan komplettera funktionen av kortintervallkortikal facilitering (SICF)74, SICI 66,94 och långintervallkortikal hämning (LICI)67 hämmande vägar. Den funktionella betydelsen av sådana interaktioner är dock inte klarlagd.

En spännande möjlighet är att kombinera cTMS-SAI med elektroencefalografi (EEG). EEG kan användas för att kvantifiera effekten av afferenta projektioner på den pyramidala utgången som framkallas av TMS över motor77,95 och icke-motoriska områden95, kända som TMS-framkallade potentialer (TEP). Att bedöma SAI i frontala cortex, snarare än motorcortex, ger en unik möjlighet att direkt utvärdera integriteten hos kolinerg funktion i de neurala substrat som förmedlar kognitiv funktion. Till exempel korrelerar minskningar av den afferenta hämningen av N100 TEP som framkallas av konventionell TMS över prefrontala cortex med minskad verkställande funktion hos äldre vuxna96 och schizofrena patienter97. Användning av cTMS-SAI med EEG kan hjälpa till att avgöra om den kolinerga profilen för exekutiv funktionsnedgång vid hälsosamt åldrande och neuropsykiatriska störningar involverar samma prefrontala kretsar.

cTMS är fortfarande en relativt framväxande teknik. Liksom alla nya tekniker finns det begränsningar och okända. De tidiga bevisen från cTMS-SAI-studier som varierar inducerad strömriktning och pulsbredder visar dock spännande möjligheter att bättre förstå den funktionella betydelsen av olika konvergerande sensorimotoriska kretsar i pågående beteenden i friska och kliniska populationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna erkänner finansiering från Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC), Canada Foundation for Innovation (CFI) och Ontario Research Fund (ORF) som tilldelats 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

Neurovetenskap nummer 194
Kombinerad perifer nervstimulering och kontrollerbar pulsparameter Transkraniell magnetisk stimulering för att undersöka sensorimotorisk kontroll och inlärning
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