Онлайн транскраниальной магнитной стимуляции протокол для измерения корковых физиологии, связанные с ингибированием ответ

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Мы описываем экспериментальной процедуры для количественного определения возбудимости и ингибирование первичной моторной коры во время задачи торможение моторных ответов с помощью транскраниальной магнитной стимуляции на протяжении задачу остановить сигнал.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Guthrie, M. D., Gilbert, D. L., Huddleston, D. A., Pedapati, E. V., Horn, P. S., Mostofsky, S. H., Wu, S. W. Online Transcranial Magnetic Stimulation Protocol for Measuring Cortical Physiology Associated with Response Inhibition. J. Vis. Exp. (132), e56789, doi:10.3791/56789 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Мы описываем разработку воспроизводимых, детскую мотор ответ ингибирование задачи подходит для онлайн транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) Характеристика возбудимости первичной моторной коры (M1) и ингибирование. Мотор реакции ингибирования предотвращает нежелательные действия и является ненормальным в нескольких Психоневрологическая условий. TMS является Неинвазивная технология, которая может подсчитать M1 возбудимости и ингибирование, используя протоколы, одно - и паре пульс и может быть четко приурочен, чтобы изучить корковых физиологии с высоким временным разрешением. Мы изменили первоначальную задачу сигнал остановки Слейтер-Хаммел (S-H) для создания «гоночного автомобиля» версии с TMS импульсов времени заблокированы внутри пробной события. Эта задача является самоподготовки, с каждой пробной инициирование после кнопки для перемещения гоночного автомобиля к цели 800 мс. ИДУТ испытания требуют палец лифтом остановить гоночного автомобиля непосредственно перед этой цели. Случайно вперемешку, стоп испытания (25%), во время которых динамически скорректированные стоп сигнал подсказки предметов для предотвращения палец Лифт. Для испытаний GO TMS импульсы были доставлены на 650 ms после начала судебного разбирательства; тогда, для остановки процессов, TMS импульсов происходит 150 мс после остановки сигнала. Тайминги TMS импульсов были определены на основе электроэнцефалографии (ЭЭГ) исследования, показывающие изменения, связанные с событиями в эти интервалы времени во время остановки сигнала задач. Эта задача была учился в 3 блоках на двух объектах исследования (n = 38) и мы записали поведенческих производительность и связанные с событиями Мотор evoked потенциалов (MEP). Регрессионного моделирования была использована для анализа MEP амплитудами помощью возраст как ковариаций с несколькими независимыми переменными (секс, изучение сайта, блок, TMS пульс состояние [одно-против паре пульс], пробная условие [GO, успешно остановить, не удалось остановить]). Анализ показал, что TMS пульс состояние (p < 0.0001) и его взаимодействие с пробной условие (p = 0,009) были значительными. Будущих приложений для этой онлайн S-H/TMS парадигмы включают добавление одновременного приобретения ЭЭГ для измерения TMS-вызвала ЭЭГ потенциалов. Потенциальным ограничением является, что у детей, звук пульса TMS может повлиять на производительность поведенческих задач.

Introduction

Ответ ингибирование является способность выборочно предотвратить те нежелательные действия, которые могут мешать запланированных функциональных целей. 1 cortico полосатой сети критически участвует в реакции зрачков, который постепенно становится более эффективным, как зрелые дети, но нарушениями в многочисленных Психоневрологическая условиях, такие, как расстройство дефицита внимания гиперактивности) ADHD), обучение расстройства, навязчивые расстройства и шизофрении. 2 , 3 ответ ингибирование мотор может быть рассмотрен с различных поведенческих парадигмы, такие как Go/ного (ГНГ) и остановить сигнал задач (SST). 1 , 4 поведенческих данных только не предоставляет информацию о потенциально модифицируемый, поддающееся количественной оценке биологических механизмов. Главной целью в настоящем исследовании было разработать ребенка дружественные метод для оценки физиологии моторной коры во время выполнения реакции зрачков, с тем чтобы разработать количественные биомаркеров мозга основе нейронных субстратов этой задачи. Такие биомаркеров может иметь широкое применение в прогнозных исследований прогноза или лечения нейроповеденческих расстройств.

Для этого следователи выбран и изменен Слейтер-Хаммел (S-H) задачи5. Это остановка сигнала задача, которая требует участников подавляют внутренне созданные запрограммированных действий. Это самостоятельное задача состоит из GO и остановки процессов. Перейти испытания инициируются предмет нажатия и поддержания давления на кнопке, с инструкцией как можно ближе к поднять палец на кнопку (т.е. идти действий), но до 800 мс целевой. В оригинальной парадигме указано время на часах с быстро вращающейся руки. ОСТАНОВИТЬ испытания случайно перемежаются среди GO испытаний, во время которых человек должен препятствовать заранее спланированных действий GO (т.е. предотвратить палец лифта). Стоп сигнал задача является более сложной, потому что предметы должны препятствовать ответ в контексте запрограммированных ПОЙДЕМ-сигнала, то GNG задачи, решение является ли инициировать или не инициировать действие без предварительного командами. 6 Кроме того, она может быть более точным для изучения реакции торможения с помощью стоп сигнал задач, потому что в задаче GNG последовательной корреляции между сигналом и ответы может привести к автоматическое торможение. 7 автоматическая ингибирование является теория, что последовательное сопоставление между сигналом и ответ (то есть сигнал идти всегда приводит в ответ GO и наоборот) приводит к автоматической обработки на протяжении эксперимента, таким образом, чтобы остановить испытания частично обработаны через памяти поиска и обходит некоторые исполнительные элементы управления. 8 , 9

Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) является Неинвазивная технология, которая может использоваться для измерения корковых физиологии. С помощью одно - и паре импульса стимуляции парадигмы, можно количественно корковой возбудимости и ингибирование. Хотя большинство опубликованных исследований TMS расследовать корковых физиологии в состоянии покоя, некоторые группы изучили корковой возбудимости/торможение при психической подготовки для действий10 и во время различных когнитивных государств, которые могут быть отражены в мотор Физиология мозга. 11 , 12 , 13 , 14 Этот функциональный подход TMS (fTMS) требует онлайн TMS измерения, в то время как участники выполняют поведенческих задач, таким образом позволяя зонд корковые изменения, которые являются состояние зависимой с высоким временным разрешением. Предоставление информации в реальном времени на нейрофизиологические изменения таким образом расширяет физиологического исследования управления электродвигателя15,16 и Психоневрологическая условия17,18, 19,20.

FTMS предварительного исследования изучили корковые механизмы реакции торможения в здоровых взрослых с использованием GNG14 и SST задачи15,16,21. Кроме того одно исследование показало, что разовая доза метилфенидат изменилась мотор корковых физиологии здоровых взрослых во время эксперимента fTMS/ГНГ. 22 на сегодняшний день существует две группы, которые опубликовали педиатрических fTMS исследования с помощью задачи GNG характеризовать корковых физиологии СДВГ23 и17синдром Туретта. Существует в настоящее время нет опубликованных fTMS исследование использования SST в педиатрической популяции.

Критическим вопросом в fTMS исследований, в гораздо большей степени, чем остальные только исследования, TMS, является артефактом мышц. Стандартизированные поверхностной электромиографии (ЭМГ) меры амплитудой и задержкой от Мотор evoked потенциалов (MEP) не должны быть загрязнены мышцы артефакт. Так например, для изучения корковые изменения в подготовке для движения в исследовании время реакции, TMS импульсов должен быть четко приурочен происходят после идти сигнал, но до времени реакции индивида. Таким образом в любой задаче, важно обеспечить что TMS импульсов происходят в то время, когда мотор ответ еще не началось, и что соответствующий участник является удобной и способны поддерживать соответствующие мышцы в покое. Это может быть чрезвычайно проблематичным с гиперкинетический детей которые естественно может иметь лишних движений и кто может держать их руку и руку, напряженной на протяжении всего времени реакции игры.

Целью настоящего исследования является разработка версии SST Слейтер-Хаммел, детской и подходящим для изучения физиологии первичной моторной коры (M1). Эта задача должна быть 1) легко понятным для детей, 2) относительно легко завершить для детей и 3) совместимы с онлайн TMS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Этот протокол был одобрен Цинциннати-Детская больница медицинский центр и Джонса Хопкинса институциональные наблюдательные советы как минимальный риск учиться у детей и взрослых. Одно - и паре пульс TMS считается безопасной у детей 2 лет и старше в международных экспертов консенсус. 24 после объяснения потенциальные риски TMS родителей/опекунов и участник, согласия и подписанные формы согласия если они соглашаются приступить к изучению.

1. Проверка и введение

  1. Темы экрана для contraindication(s) TMS, с использованием стандартизированных вопросника. 25
  2. Продемонстрировать, как НП работает путем доставки магнитных импульсов через оператора на предплечье.
  3. Доставить TMS пульс в течение участника предплечья, так что он может почувствовать пульс.
  4. Место затычки в уши участника для защиты органов слуха.

2. поверхности ГРП привести установки и рука позиционирования

  1. У субъекта похитить доминирующей указательным пальцем, чтобы определить первый спинной межкостной мышцы (ПИИ). Поместите отрицательный электрод живот ПИИ, а затем поместить положительного электрода между 2-й и 3rd пястно (MCP) суставов и электрода земли над 5й MCP сустава.
  2. Позиция участника руки с локтевой аспекты как оружия и положив руки полностью на подушку, без анти-гравитации усилий требуется (рис. 1).
  3. У участника расширить доминирующей указательный палец согнутом третьего-пятого пальцев. Затем поместите панель игрового контроллера на подушку так, чтобы указательный палец лежит на кнопке используется для S-H задача гоночного автомобиля. Обоснование этой позиции рук, что действие GO требует активации ПИИ, поднимите указательный палец на кнопку. Таким образом запись трассировки ГРП доминирующей ПИИ зонд M1 возбудимости и ингибирование для GO и остановить испытания соответственно.

3. базовые НП сбора данных

  1. Задайте параметры записи для записи MEP - низкий и высокий перевал фильтры 100 и 1000 Гц, 2 кГц частота дискретизации.
  2. Получить базовые НП измерения с помощью 90 мм круглые катушки TMS наведении касательной к черепу вершины с ручкой, указывая в направлении затылка в оптимальной позиции и ориентации для производства MEP в правильном ПИИ на следующий стандарт Протокол. 26 этой катушки позиции и ориентации должна производить индуцированный ток задней и передней над M1.
    1. Используйте воск карандаш, чтобы отметить положение головы после того, как точка располагалась обеспечить что TMS пульс поставка происходит в регионе же корковых.
  3. Выполнение 2027 испытания базовых сингл-пульс (sp) TMS индуцированной ПИИ MEPs обеими руками в покое, с помощью интенсивности 120% RMT.
  4. Выполнение 20 испытания базовых паре пульс TMS мер M1 короткий интервал intracortical ингибирования (SICI) в покое, используя интервал между стимулом 3 мс, 60% * RMT как принадлежности импульса интенсивность и 120% RMT как интенсивность импульсов тест для количественного определения M1 ингибирующее ГАМКA-эргической interneuronal активность. 28 , 29 , 30 установите между пробной интервал для исходных измерений на 6 ± 0,3 секунды.

4. S-H поведенческих задач

  1. Отображение задач ингибирование гоночного автомобиля S-H ответ на мониторе непосредственно перед предметом. Запустите эксперимент первой профессиональной подготовки субъектами на поведенческих задач. Скажите тему, что автомобиль на левой стороне монитора начнет двигаться после нажатия кнопки путем отведения доминирующей указательный палец (рисунок 2A).
  2. Сообщите участникам, что цель для GO испытаний является поднять палец, как близко к, но до 800 мс целевого объекта, как показано на вертикальной линии на экране. На экране появится «Хорошую работу», если палец подъемники происходит между 700 и 800 мс, в противном случае он будет отображать «Слишком рано» или «Слишком поздно». У участника практика 10 испытаний GO.
  3. Обучение для остановки задачи, рассказав участникам второй набор испытания включает автомобиль случайно остановка перед целевым 800 мс.
    1. Скажите ребенка держать его указательный палец на кнопке не поднимая палец, всякий раз, когда автомобиль случайно останавливается. Чтобы преуспеть в этих испытаниях стоп, палец должны оставаться на кнопку до тех пор, пока проверки флаг рассматривается, который запрограммирован появляются 1000 мс после начала каждого разбирательства. Информировать участника, если сигнал остановки представлен и палец поднимается до проверки флага, появится сообщение «Слишком рано». Скажите ребенок что после успешных испытаний стоп будет отображаться сообщение «Великий».
    2. У ребенка практика 10 остановка испытаний.
      Примечание: Программа имеет алгоритм динамического отслеживания. В фактической эксперимент после обучения первый сигнал остановки происходит в 500 г-жа, если участник не удается одна остановка судебного разбирательства, то следующая остановка суда будет проще (т.е. сигнал остановки перенесет 50 мс от цели 800 мс). Однако если остановить судебный процесс был успешным, следующая остановка суда будет сложнее (т.е. сигнал остановки перенесет 50 мс к цели). Этот процесс динамического отслеживания гарантирует, что к концу всего эксперимента, примерно 50% испытаний стоп будет успешным, в то время как другая половина будет неудачных испытаний. СТОП сигнал запрограммирован для регулировки между 300 и 700 МС после начала судебного разбирательства.
  4. После того, как участники практике GO- и только стоп испытания, скажите им, что следующий блок практике содержит смесь GO и остановки процессов. У ребенка выполнять 20 испытаний смешанных GO и остановить как окончательное практике.

5. онлайн S-H/TMS эксперимент

  1. Прежде чем начать онлайн S-H/TMS эксперимент, напоминают участником аддукт (толкать вниз) доминирующей указательным пальцем, чтобы начать судебное разбирательство, похитить (подъема) палец для GO испытания и держать палец на кнопке STOP испытаний. Отведения указательный палец был выбран, чтобы инициировать и поддерживать движение автомобиля в ходе каждого судебного разбирательства, потому что в то время TMS импульсов (рисунок 2A и 2B), будет антагонистических Первый спинной межкостной (ПИИ) мышцы, где размещается ГРП свинца, Отдыхая, таким образом уменьшая вероятность движения артефакт в отслеживании ПИИ.
  2. Скажите участник что TMS импульсов будет доставлен во время S-H задачи. Поручить тему, что будет 3 блоки онлайн S-H TMS испытаний (3 GO: 1 остановка пробную коэффициент).
    Примечание: Во время испытания GO, TMS пульс запрограммирован должен быть поставлен в 650 ms после начала каждого разбирательства. Этот тайминг изначально выбирается на основании предварительного исследования TMS, показаны, что увеличение M1 возбудимости, связанные с подготовкой движения могут быть захвачены в этом диапазоне. 10 для прекращения испытаний, TMS пульс поставляется 150 мс после остановки сигнала. В успешных испытаний стоп указательный палец не Поднимите кнопки поэтому захваченных М1, возбудимости отражает корковых деятельность, связанная с ответ ингибирование, вместо того, чтобы мотор подготовки или выполнения.
  3. Место 90 мм круглые катушки над вершиной, используя предыдущий воск карандаш марки преференциально стимулировать доминирующей M1 и установки кондиционирования импульса интенсивность до 60% * RMT и теста пульс 120% * RMT. Начало онлайн S-H/TMS эксперимент. Время детей закончить 120 испытания, как правило, 30-40 минут.

6. racecar Слейтер Хаммел поведенческих данных

  1. Для испытаний GO определите время реакции как палец подъемник время относительно начала каждого разбирательства. В среднем каждый блок. Для остановки процессов палец Лифт времени определяет успех, в то время как автомобиль остановить время сигнала (т.е. остановить задержки сигнала; SSD) — интервал времени от начала судебного разбирательства до точки, где автомобиль случайно останавливается. Из-за процесса динамичного отслеживания время сигнала остановки сходится к ~ 50% средний успех или неудача.
  2. Рассчитать время реакции остановить сигнал (SSRT) путем вычитания среднее авто стоп время от времени подъемник средний палец на ходу испытаний (SSRT = среднее время реакции GO – среднее время остановки сигнала [т.е. SSD]). Среднее всех SSD блоком и рассчитать SSRT для каждого блока.

7. TMS обработка данных

  1. Количественно TMS в ходе каждого судебного разбирательства производится MEP используя амплитуда пик пик, измеряется в милливольтах. Исключите испытаний движение артефакты (ГРП районы под кривой больше чем 70 микровольт свыше 100 мс) перед TMS пульс.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Регрессионный анализ выполняется с использованием коммерческого статистического пакета программного обеспечения для анализа данных о поведении и нейрофизиологические отдельно. Репрезентативных данных — от 23 обычно развивающихся детей из Цинциннати и 15 из Балтимора (25 мужчин, 13 женщин). Возраст не отличаются между сайта (10,3 ± 1,3 года для Цинциннати и 10.4 ± 1,2 года для Балтимор; t тест p = 0,74)

Мы использовали модель регрессии для анализа SSRT с возрастом как ковариаций вместе с секс, сайт (Цинциннати против Балтимор) и испытательный блок как независимых переменных. Были также изучены взаимосвязи между этими переменными. Этот анализ показал, что возраст был единственной переменной с значительное влияние на SSRT (p = 0,005).

TMS нейрофизиологических данных было охарактеризовано, используя пик пик MEP амплитуды в качестве зависимой переменной для регрессионного анализа. Во время подготовки движения M1 возбудимости увеличивается, прежде чем фактическое движение происходит. TMS исследования показали, что это увеличение возбудимости происходит 100-140 мс до мышц. 10 , 11 , 31 , 32 в этой задаче S-H, время между TMS пульс и палец Лифт для успешных испытаний стоп всегда больше, чем 150 мс (т.е. последние возможных TMS импульса на 850 ms и палец лифта происходит > 1000 мс после начала судебного разбирательства). В нашем анализе мы заинтересованы в сравнение корковой возбудимости и ингибирование, относящиеся к торможению мотор ответ. Поскольку мы заинтересованы в сравнении все три разных задачи условия (GO, успешно остановить, не удалось остановить), мы проанализировали данные испытаний, когда время между TMS пульс и палец лифта по крайней мере 150 мс потому что MEP амплитуды за этот срок не подвержен подготовка движения. 10 , 11 , 31 , 32 поэтому это время задержки не была включена в модель регрессии как ковариаций. Для нашей модели регрессии мы включили возраст как залежки, потому что она влияет на MEP амплитуды в детстве. 33 независимых класса переменные для модели включали секс, сайта, испытательный блок, TMS пульс состояние (одно-против паре пульс) и суда состояния (идти, успешно остановить, не удалось остановить). Основная взаимодействие интерес является между TMS пульс состояния и пробной потому, что мы заинтересованы в как M1 возбудимости (сингл пульс TMS) и ингибирование (в паре пульс TMS) отличаются от условий различных задач.

Для MEP амплитуд независимых переменных секса, сайт и испытательный блок не были значимыми в модели регрессии. Возраст не был значимым как залежки в модели регрессии (p = 0,28). TMS пульс состояние (p < 0.0001) и его взаимодействие с пробной условие (p = 0,009) были значительными. Рисунок 3 показывает представитель нейрофизиологические данные в различных судебных условий с использованием наименьших квадратов означает, оценки, рассчитанные из модели регрессии с погрешностей, представляющих стандартные ошибки. Все попарного сравнения одного пульс MEP амплитуд между условиями три задачи были незначительными (ложное обнаружение ставки [ФДР] скорректированы p > 0,05). Однако, для тормозной MEPs паре пульс, различия между идти против не удалось остановить (ФДР скорректированы p = 0,009) и успешных против не удалось остановить (ФДР скорректированы p = 0,03) были значительными. Сравнение в паре пульс MEP амплитуд между идти и успешных испытаний стоп не был значительным (ФДР скорректированы p = 0,56).

Figure 1
Рисунок 1: положение рук и пальцев во время задача гоночного автомобиля S-H. Обе руки лежит на подушку. Доминирующей указательный палец расширен и опирается на кнопку игровой контроллер. Отведения доминирующей указательный палец отжимает кнопку и активирует каждое судебное разбирательство. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: Схема судебного разбирательства.
(A) пройти пробную схема. Отведения доминирующей указательный палец на кнопке активирует машину для перемещения по экрану. Ожидается, что участники поднять палец между 700-800 мс после начала судебного разбирательства, чтобы остановить автомобиль близко к, но до 800 мс целевой. TMS пульс дается на 650 ms после начала судебного разбирательства.
(B) interspersed среди GO испытаний являются испытания остановка, во время которых участники были проинструктированы для предотвращения палец Лифт в ответ на сигнал (т.е. автомобиль внезапно останавливается в некоторый момент перед 800 мс Марк). TMS импульсы были доставлены 150 мс после остановки сигнала. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3. MEP амплитуд во время задача гоночного автомобиля S-H. MEP амплитуд (в милливольтах) для M1 одно - и паре пульс TMS измерений выводятся для различных условий этой онлайн S-H/TMS задачи (GO, успешно остановить, не остановить). Наименьших квадратов означает, оценки, рассчитанные с помощью регрессионного анализа были использованы для этой фигуры. Планки погрешностей представляют собой стандартные ошибки, рассчитанные из модели регрессии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Этот протокол является роман детскую метод объединения стоп сигнал задачи и TMS для изучения связанных с событиями коркового торможения. Клинические наблюдения мотор ингибирующее дефицита и низкой производительности в стоп сигнал задач были продемонстрированы в многочисленных Психоневрологическая условиях. 3 относительно немногие исследователи использовали онлайн fTMS для изучения корковой возбудимости и ингибирование во время реакции ингибирования задач. Некоторые группы успешно использовали TMS во время GNG задачу показать различия в корковых физиологии среди детей и взрослых. 14 , 23 , 34 однако, GNG задача должна идеально проводиться относительно быстрыми темпами, чтобы выявить доминантные мотор ответ всей задачи, так что тормозящий управления может быть надлежащим образом рассмотрен в Nogo испытания. 35 , 36 с методологической точки зрения, быстро развивающийся GNG задачи налагает трудности для онлайн fTMS экспериментов, как конденсаторы устройства требуют времени для пополнения для следующего импульса стимуляции. Например наши монофазные импульса генерации TMS устройства должен по крайней мере между пробной интервал 4 секунды, таким образом ограничивая стремительно онлайн TMS/ГНГ экспериментов. Кроме того базовым нейропсихические или развития расстройств может повлиять на способность детей завершить задачу стремительно GNG. Одной из особенностей Слейтер-Хаммел задачи является его самостоятельного и таким образом позволяет для интеграции TMS проводить онлайн физиологических измерений. 16 Коксон et al. используется задачей онлайн fTMS/clockhand-S-H в здоровых взрослых показать, что коркового торможения, как измеряется SICI, является более надежным во время остановки чем GO испытания. Отдельный онлайн fTMS/SST исследование показало аналогичные результаты в том, что M1 возбудимости значительно уменьшается после остановки биток в успешных испытаний стоп. 15 По сравнению с Коксон fTMS/S-H протокол16, мы сделали два существенных изменения. Во-первых мы создали «гоночного автомобиля» версии S-H стоп сигнал задачи, которая является более привлекательным для педиатрических участников. С помощью этой конструкции, как правило, развивающиеся детей (рис. 3) и те с СДВГ (неопубликованные данные) смогли завершить по крайней мере 120 испытания. Функция, которую мы построили в онлайн задачу fTMS/S-H является алгоритм динамического отслеживания для регулировки времени сигнала остановки стоп Судебная успех норма быть ~ 50% в конце всего эксперимента. Это важно потому, что она позволяет проводить сопоставления коркового торможения во время успешной против неудачной прекратить испытания и также исключает выполнение задачи как смешанные переменная.

Сингл импульсного испытания в данном протоколе позволяют исследования корковой возбудимости во время движения подготовки. Однако в контексте задачи ингибирование ответ стоп сигнал, мы заинтересованы также в количественном определении M1 SICI во время остановки испытаний. Для количественной оценки SICI, подпорогового кондиционирования интенсивность импульсов стимуляции является важным параметром экспериментальной. Предыдущие исследования документально дозирования эффект кондиционирования импульса интенсивность SICI. 37 , 38 эти исследования показывают, что сильнее принадлежности импульса вызывает более глубокие SICI. Однако, наша лаборатория исторически используется 60% * RMT как принадлежности импульса интенсивность для обнаружения SICI различия в педиатрических исследованиях TMS случай контроль. 19 , 20 , поскольку это кондиционирование импульса интенсивность также вызывает значительные M1 SICI29, мы использовали 60% * RMT для кондиционирования импульса в этой задаче fTMS/S-H.

Еще один фактор, чтобы рассмотреть в квантификации SICI является сингл пульс индуцированной MEP амплитуды. Средняя амплитуда индуцированных MEP сингл импульса используется в качестве знаменателя для расчета соотношения SICI. Этот базовый амплитуда зависит от различных государств как отдых, наблюдения/изображений двигателя, мотор подготовки, а также интенсивность стимуляции тест импульсов. 10 , 39 , 40 в этой онлайн задачи fTMS/S-H, MEP амплитуд обычно 3-4 раз выше во время задачи по сравнению с базовой состояния покоя (данные не показаны). В оригинальной SICI исследования28авторы заявили, что SICI меньше, с сильный стимул теста. Однако необработанных данных, подтверждающих этот вывод не был показан в манускрипте. Последующие исследования изучили широкий спектр базовых отдыха MEP амплитуд (0,2, 1 и 4 mV) и показал, что базовые MEP амплитуда не затрагивает SICI. 41 , 42 в другом исследовании изучали эффект мотор состояния (отдых, ипсилатеральные/контралатеральной изометрического сокращения) и интенсивности стимуляции тест импульса (90-150% * RMT) на SICI. 37 SICI меньше во время сокращения Изометрические палец и варьируется в зависимости от интенсивности стимуляции тест импульса. Однако ANOVA повторил мер не было выявлено статистически значимое взаимодействие между состояния и тест стимуляции интенсивность импульсов. Пост hoc анализ показал, что важное значение для целого ряда тестов импульса стимуляции интенсивности SICI во время контралатеральной изометрического сокращения (110, 120, 130 и 140% RMT). Благодаря естественно высоким мотор порогов в детей33идеально держать интенсивность импульсов тест как низкий, как можно из-за потенциального ограничения оборудования TMS и комфорта участников. По этим причинам, мы выбрали 120% * RMT как интенсивность импульсов теста. Однако, эта задача онлайн S-H/TMS могут быть применимы к даже маленьких детей были мы снизить интенсивность импульсов теста до 105-110% * RMT для дальнейших экспериментов.

Одним из потенциальных ограничений этот протокол является, что сильнее, громче TMS импульсов, необходимых для детей может повлиять на производительность задачи их S-H. Это также возможно, что среднее увеличение интенсивности импульсов TMS может нарушить корковых цепей таким образом, что ингибирование реагирования пострадавших. Другая возможность заключается в том, что сильнее пульс громче и может отвлекать детей во время задачи. Для дальнейших экспериментов это может быть проверен повторно делать Слейтер-Хаммел задачи с TMS импульсов, доставлены в аналогичных интенсивности над регионом, не участвующих в торможении двигатель ответ, или используя фиктивный TMS катушки. Еще одним ограничением является низкое количество стоп испытаний. Эта задача fTMS требует завершения 120 испытания, из них только 30 остановить испытания участников. Наш алгоритм динамического отслеживания должно привести к ~ 50% успеха; Таким образом есть только 15 успешных и 15 неудачных испытаний для анализа. Если артефакт значительное движение обнаружено в некоторых из этих судебных процессов, то трассировка не включена для анализа и статистической мощности уменьшается. Это вероятно, значение true, если данные представлены в виде каждого человека средняя амплитуда MEP для каждого судебного типа (отдых, иди, остановка). С помощью повторных мер статистической модели, что смета MEPs суда тип, основанный на все испытания, как мы сделали, может позволить для получения более значимых результатов.

В заключение мы разработали неинвазивный, хорошо переносится и интерактивный метод количественной оценки коркового торможения обнаружить различия во время реакции ингибирования задачи. Это может быть применено в дополнение к Психоневрологическая условия для изучения коркового торможения в детей. Существуют многочисленные методы расширения на этом протоколе fTMS. Недавние исследования использовали две катушки в паре пульс TMS парадигмы для изучения корковые связи в процессе поведенческих задачи в взрослых. 43 , 44 с помощью нейронавигация, этот подход может быть продлен для детского населения для изучения воздействия префронтальной узлов на реакции ингибирования. Повторяющихся TMS (rTMS) предоставляет еще одну возможность модулировать областях мозга, которые являются критическими для ингибирования моторных ответов. 43 , 45 , 46 . Кроме того, другим потенциальным будущего применения является объединение этот протокол с одновременным ЭЭГ для количественного определения вызывали TMS корковых потенциалов в регионах-M147 характеризовать корковых физиологии, связанные с ответом Мотор ингибирование.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Это исследование финансировалось Национальный институт психического здоровья (R01MH095014).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Precision Gamepad Logitech G-UG15
Acquisition Interface Model ACQ-16 Gould Instrument Systems Inc ACQ-16
Micro1401-3 Data Acquisition Unit Cambridge Electronic Design Ltd Not applicable
Signal version 6 software (Windows) Cambridge Electronic Design Ltd Not applicable
Power base Coulbourn Instruments V15-17
Bioamplifier with filters Coulbourn Instruments V75-04
Conductor electrode cables (for surface EMG) Coulbourn Instruments V91-33
2002 TMS device The Magstim Company Ltd Not applicable
BiStim2 module The Magstim Company Ltd Not applicable
90mm circular TMS coil The Magstim Company Ltd Not applicable
Presentation software (Windows) Neurobehavioral Systems Inc Not applicable
Windows computer Not applicable

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mostofsky, S. H., Simmonds, D. J. Response inhibition and response selection: two sides of the same coin. J Cogn Neurosci. 20, (5), 751-761 (2008).
  2. Barkley, R. A. Response inhibition in attention-deficit hyperactivity disorder. Ment Retard Dev Disabil Res Rev. 5, (3), 177-184 (1999).
  3. Lipszyc, J., Schachar, R. Inhibitory control and psychopathology: a meta-analysis of studies using the stop signal task. J Int Neuropsychol Soc. 16, (6), 1064-1076 (2010).
  4. Verbruggen, F., Logan, G. D. Models of response inhibition in the stop-signal and stop-change paradigms. Neurosci Biobehav Rev. 33, (5), 647-661 (2009).
  5. Slater-Hammel, A. T. Reliability, accuracy, refractoriness of a transit reaction. Research Quarterly. 31, (2), 217-228 (1960).
  6. Johnstone, S. J., et al. The development of stop-signal and Go/Nogo response inhibition in children aged 7-12 years: performance and event-related potential indices. Int J Psychophysiol. 63, (1), 25-38 (2007).
  7. Verbruggen, F., Logan, G. D. Automatic and controlled response inhibition: associative learning in the go/no-go and stop-signal paradigms. J Exp Psychol Gen. 137, (4), 649-672 (2008).
  8. Logan, G. D. Toward an instance theory of automatization. Psychol Rev. 95, (4), 492-527 (1988).
  9. Schneider, W., Shiffrin, R. M. Controlled and Automatic Human Information Processing: I. Detection, Search, and Attention. Psychol Rev. 84, (1), 1-66 (1977).
  10. Chen, R., Yaseen, Z., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of corticospinal excitability in reaction time and self-paced movements. Ann Neurol. 44, (3), 317-325 (1998).
  11. Yamanaka, K., et al. Human cortical activities during Go/NoGo tasks with opposite motor control paradigms. Exp Brain Res. 142, (3), 301-307 (2002).
  12. Majid, D. S., Cai, W., George, J. S., Verbruggen, F., Aron, A. R. Transcranial magnetic stimulation reveals dissociable mechanisms for global versus selective corticomotor suppression underlying the stopping of action. Cereb Cortex. 22, (2), 363-371 (2012).
  13. Majid, D. S., Lewis, C., Aron, A. R. Training voluntary motor suppression with real-time feedback of motor evoked potentials. J Neurophysiol. 113, (9), 3446-3452 (2015).
  14. Fujiyama, H., Tandonnet, C., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability during a Go/NoGo task. Psychophysiology. 48, (10), 1448-1455 (2011).
  15. van den Wildenberg, W. P., et al. Mechanisms and dynamics of cortical motor inhibition in the stop-signal paradigm: a TMS study. J Cogn Neurosci. 22, (2), 225-239 (2010).
  16. Coxon, J. P., Stinear, C. M., Byblow, W. D. Intracortical inhibition during volitional inhibition of prepared action. J Neurophysiol. 95, (6), 3371-3383 (2006).
  17. Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. (2013).
  18. Heise, K. F., et al. Altered modulation of intracortical excitability during movement preparation in Gilles de la Tourette syndrome. Brain. 133, (2), 580-590 (2010).
  19. Gilbert, D. L., Isaacs, K. M., Augusta, M., Macneil, L. K., Mostofsky, S. H. Motor cortex inhibition: a marker of ADHD behavior and motor development in children. Neurology. 76, (7), 615-621 (2011).
  20. Wu, S. W., Gilbert, D. L., Shahana, N., Huddleston, D. A., Mostofsky, S. H. Transcranial magnetic stimulation measures in attention-deficit/hyperactivity disorder. Pediatr Neurol. 47, (3), 177-185 (2012).
  21. Chiu, Y. C., Aron, A. R., Verbruggen, F. Response suppression by automatic retrieval of stimulus-stop association: evidence from transcranial magnetic stimulation. J Cogn Neurosci. 24, (9), 1908-1918 (2012).
  22. Kratz, O., et al. Effects of methylphenidate on motor system excitability in a response inhibition task. Behav Brain Funct. 5, 12 (2009).
  23. Hoegl, T., et al. Time course analysis of motor excitability in a response inhibition task according to the level of hyperactivity and impulsivity in children with ADHD. PLoS One. 7, (9), e46066 (2012).
  24. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120, (12), 2008-2039 (2009).
  25. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clin Neurophysiol. 122, (8), 1686 (2011).
  26. Mills, K. R., Nithi, K. A. Corticomotor threshold to magnetic stimulation: normal values and repeatability. Muscle & Nerve. 20, (5), 570-576 (1997).
  27. Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability. Neuroscience. 320, 205-209 (2016).
  28. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
  29. Orth, M., Snijders, A. H., Rothwell, J. C. The variability of intracortical inhibition and facilitation. Clin Neurophysiol. 114, (12), 2362-2369 (2003).
  30. Ziemann, U. TMS and drugs. Clin Neurophysiol. 115, (8), 1717-1729 (2004).
  31. Sommer, M., Classen, J., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of determination of movement direction in the reaction time task in humans. J Neurophysiol. 86, (3), 1195-1201 (2001).
  32. Leocani, L., Cohen, L. G., Wassermann, E. M., Ikoma, K., Hallett, M. Human corticospinal excitability evaluated with transcranial magnetic stimulation during different reaction time paradigms. Brain. 123, (Pt 6), 1161-1173 (2000).
  33. Garvey, M. A., et al. Cortical correlates of neuromotor development in healthy children. Clin Neurophysiol. 114, (9), 1662-1670 (2003).
  34. Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. 9, (1), 33-44 (2015).
  35. Wessel, J. R. Prepotent motor activity and inhibitory control demands in different variants of the go/no-go paradigm. Psychophysiology. (2017).
  36. Garavan, H., Ross, T. J., Stein, E. A. Right hemispheric dominance of inhibitory control: an event-related functional MRI study. Proc Natl Acad Sci U S A. 96, (14), 8301-8306 (1999).
  37. Garry, M. I., Thomson, R. H. The effect of test TMS intensity on short-interval intracortical inhibition in different excitability states. Exp Brain Res. 193, (2), 267-274 (2009).
  38. Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. J Neurophysiol. 80, (6), 2870-2881 (1998).
  39. van der Kamp, W., Zwinderman, A. H., Ferrari, M. D., van Dijk, J. G. Cortical excitability and response variability of transcranial magnetic stimulation. J Clin Neurophysiol. 13, (2), 164-171 (1996).
  40. Williams, J., Pearce, A. J., Loporto, M., Morris, T., Holmes, P. S. The relationship between corticospinal excitability during motor imagery and motor imagery ability. Behav Brain Res. 226, (2), 369-375 (2012).
  41. Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151, (3), 330-337 (2003).
  42. Sanger, T. D., Garg, R. R., Chen, R. Interactions between two different inhibitory systems in the human motor cortex. J Physiol. 530, (Pt 2), 307-317 (2001).
  43. Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. Cerebellum. 15, (6), 680-687 (2016).
  44. Picazio, S., et al. Prefrontal control over motor cortex cycles at beta frequency during movement inhibition. Curr Biol. 24, (24), 2940-2945 (2014).
  45. Obeso, I., et al. Stimulation of the pre-SMA influences cerebral blood flow in frontal areas involved with inhibitory control of action. Brain Stimul. 6, (5), 769-776 (2013).
  46. Ficarella, S. C., Battelli, L. The critical role of the dorsal fronto-median cortex in voluntary action inhibition: A TMS study. Brain Stimul. 10, (3), 596-603 (2017).
  47. Cash, R. F., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology. 42, (2), 502-511 (2017).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics