Online Transcraniële magnetische stimulatie Protocol voor het meten van de corticale fysiologie gekoppeld respons inhibitie

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

We beschrijven een experimentele procedure om te kwantificeren prikkelbaarheid en remming van de primaire motorische cortex tijdens een motor respons inhibitie taak door middel van Transcraniële magnetische stimulatie in de loop van een Stop signaal taak.

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

We beschrijven de ontwikkeling van een reproduceerbare en kindvriendelijke motor respons inhibitie taak geschikt voor online Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) karakterisering van primaire motorische cortex (M1) prikkelbaarheid en inhibitie. Motor respons inhibitie voorkomt ongewenste acties en abnormaal in verschillende neuropsychiatrische aandoeningen. TMS is een niet-invasieve technologie die kan kwantificeren M1 prikkelbaarheid en remming met behulp van één - en gekoppeld-pulse protocollen en juist kan worden getimed om te studeren corticale fysiologie met hoge temporele resolutie. We bewerkt de oorspronkelijke Slater-Hammel (S-H) stop signaal taak voor het maken van een "raceauto" versie met TMS pulsen tijd-vergrendeld aan intra proef gebeurtenissen. Dit is zelfstudie, met elke proef starten na een knop druk te verplaatsen van de raceauto richting de 800 ms-doelstelling. GAAN proeven vereist een vinger-lift om te stoppen met de raceauto vlak voor dit doel. Willekeurig afgewisseld zijn STOP proeven (25%) gedurende welke het dynamisch aangepast stop signaal onderwerpen vraagt om te voorkomen dat de vinger-lift. Voor GO proeven, werden TMS pulsen geleverd bij 650 ms na de aanvang van het proces; Overwegende dat de TMS pulsen voorgedaan voor STOP proeven, 150 ms na het stop signaal. De tijden van de pulsen TMS waren besloten gebaseerd op elektro-encefalografie (EEG) studies waaruit blijkt van gebeurtenis-gerelateerde veranderingen in deze tijd bereiken tijdens stop signaal taken. Deze taak werd bestudeerd in 3 blokken op twee locaties van de studie (n = 38) en we registreerden gedrags prestaties en gebeurtenis-gerelateerde motor-evoked potentials (MEP). Regressie modellering werd gebruikt voor het analyseren van de MEP amplitudes met behulp van leeftijd als een covariate met meerdere onafhankelijke variabelen (seks, bestuderen van de site, blok, TMS pulse voorwaarde [single-vs. gekoppeld-pulse], proef voorwaarde [GO, succesvolle STOP, mislukt STOP]). Uit de analyse bleek dat TMS pulse voorwaarde (p < 0.0001) en zijn interactie met trial voorwaarde (p = 0.009) waren significant. Toekomstige toepassingen voor dit online S-H/TMS paradigma omvatten de toevoeging van de gelijktijdige overname van de EEG om te meten EEG TMS-evoked potentials. Een mogelijke beperking is dat bij kinderen, het geluid van de puls TMS gedrags taakprestaties kan beïnvloeden.

Introduction

Respons inhibitie is de mogelijkheid om selectief te voorkomen dat deze ongewenste acties die met de beoogde functionele doelstellingen interfereren kunnen. 1 het cortico-striatale netwerk is kritisch betrokken bij respons inhibitie, die geleidelijk wordt efficiënter als de kinderen volwassen maar is geschaad in talrijke neuropsychiatrische voorwaarden zoals aandacht-deficit hyperactivity disorder) ADHD), leren stoornissen, obsessief-compulsieve stoornis en schizofrenie. 2 , 3 motor respons inhibitie kan onderzocht worden met verschillende gedrags paradigma's zoals Go/NoGo (GNG) en Stop signaal taak (SST). 1 , 4 gedrags-gegevens alleen levert geen informatie over potentieel veranderbare, kwantificeerbare biologische mechanismen. Het overkoepelende doel in de huidige studie was een kind vriendelijke methode om te evalueren van de motorschors fysiologie tijdens de uitvoering van respons inhibitie, teneinde een hersenen gebaseerde kwantitatieve biomarker van de neurale substraat van deze taak te ontwikkelen. Deze biomarkers kon hebben brede toepassing in voorspellende studies van prognose of behandeling van neuro-stoornissen.

Voor dit doel, de onderzoekers geselecteerd en bewerkt de Slater-Hammel (S-H) taak5. Dit is een stop signaal taak die deelnemers voor de remming van een intern gegenereerde voorgeprogrammeerde actie vereist. Deze zelfstudie taak bestaat uit zowel de GO als de STOP proeven. Ga proeven worden geïnitieerd door het onderwerp op te drukken en druk op een knop, met de instructie vinger op te tillen uit de knop (dat wil zeggen GO actie) zo dicht bij, maar voordat de 800 ms doelstelling handhaving. In de oorspronkelijke paradigma, wordt tijd aangegeven op een klok met een sneldraaiende hand. STOP proeven worden willekeurig afgewisseld onder GO proeven waarin de persoon de vooraf geplande GO actie moet remmen (dat wil zeggen het voorkomen van vinger lift). Het stop signaal taak is moeilijker omdat onderwerpen hebben voor de remming van een reactie in het kader van een voorgeprogrammeerde GO-signaal, overwegende dat in GNG taak, het besluit of u wilt starten of een actie met geen voorafgaande opdrachten niet starten. 6 voorts wellicht nauwkeuriger te onderzoeken respons inhibitie met behulp van stop signaal taken omdat in de GNG taak, consistente correlaties tussen signaal en reacties leiden automatische remming tot kunnen. 7 automatische remming is de theorie dat consistente toewijzing tussen signaal en respons (dat wil zeggen GO-signaal altijd resulteert in een GO-reactie en vice versa) leidt tot een automatische verwerking in de loop van het experiment zodanig dat de STOP-proeven gedeeltelijk verwerkt via geheugen ophalen en mijdt bepaalde uitvoerende besturingselementen. 8 , 9

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve technologie die kan worden gebruikt voor het meten van de corticale fysiologie. Met behulp van één - en gekoppeld-pulse stimulatie paradigma's, kan een kwantificeren corticale prikkelbaarheid en inhibitie. Hoewel meest gepubliceerde TMS studies corticale fysiologie onbeweeglijk onderzoeken, hebben sommige groepen corticale prikkelbaarheid/remming onderzocht tijdens mentale voorbereiding voor actie10 en tijdens verschillende cognitieve staten die kunnen worden weerspiegeld in de motor Fysiologie van de cortex. 11 , 12 , 13 , 14 deze functionele TMS (fTMS) benadering vereist online TMS metingen terwijl deelnemers gedrags taken uitvoert, waardoor een sonde corticale verandert dat zijn situatieafhankelijke met hoge temporele resolutie. Verstrekken van real-time informatie over neurophysiologic wijzigingen op zodanige wijze verruimt het fysiologische onderzoek van de motorische controle15,16 en neuropsychiatrische voorwaarden17,18, 19,20.

Voorafgaande fTMS studies hebben onderzocht corticale mechanismen van respons inhibitie bij gezonde volwassenen met behulp van GNG14 en SST taken15,16,21. Een studie toonde voorts dat een enkelvoudige dosis van methylfenidaat motor corticale fysiologie van gezonde volwassenen tijdens een experiment fTMS/GNG gewijzigd. 22 tot op heden zijn er twee groepen die pediatrische fTMS studies met GNG taak te karakteriseren corticale fysiologie van ADHD23 en Tourette syndroom17gepubliceerd. Er is momenteel geen gepubliceerde fTMS studie met behulp van SST bij de pediatrische populatie.

Een kritieke kwestie in fTMS studies, een veel grotere mate dan rest-alone TMS studies, is spier artefact. Gestandaardiseerde oppervlakte elektromyografie (EMG) maatregelen van de amplitude en latentie van motor-evoked potentials (MEP) mag niet verontreinigd zijn door spier artefact. Dus, bijvoorbeeld om te studeren corticale wijzigingen ter voorbereiding van een beweging in een studie van de reactietijd, TMS pulsen moeten worden precies getimed optreden na een GO-signaal maar vóór de reactietijd van een individu. Dus in een taak is het essentieel om ervoor te zorgen dat TMS pulsen zijn plaatsvinden op een tijdstip wanneer de motor reactie is nog niet begonnen, en dat de deelnemer is comfortabel en in staat om de relevante spier in rust. Dit kan buitengewoon problematisch met hyperkinetische kinderen die wellicht natuurlijk vreemde bewegingen en die kan houden hun arm en hand gespannen tijdens een reactietijd spel.

Het doel van de huidige studie is om een versie van de SST Slater-Hammel dat is kindvriendelijk en geschikt voor de bestudering van de Fysiologie van de primaire motorische cortex (M1) te ontwikkelen. Deze taak moet 1) gemakkelijk te begrijpen voor kinderen, 2) relatief eenvoudig om voor de kinderen en 3) compatibel met online TMS te voltooien.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Dit protocol is goedgekeurd door de Cincinnati Children's Hospital Medical Center en Johns Hopkins institutionele beoordeling planken als een minimale risico's studie bij kinderen en volwassenen. Single - en gekoppeld-pulse TMS wordt beschouwd als veilig is bij kinderen van 2 jaar en ouder per internationale expert consensus. 24 na het uitleggen van de potentiële risico's van TMS ouder/voogd en deelnemer, toestemming en instemming formulieren zijn ondertekend als ze willen doorgaan met de studie.

1. screening en invoering

  1. Scherm onderwerpen voor TMS contraindication(s) met behulp van een gestandaardiseerde vragenlijst. 25
  2. Demonstreren hoe TMS werkt door het leveren van een magnetische puls via de onderarm van de exploitant zelf.
  3. Leveren een puls TMS over van de deelnemer onderarm zodat hij/zij kan het voelen van de pols.
  4. Plaats de oordoppen in deelnemer oorschelpen voor gehoorbescherming.

2. oppervlakte EMG leiden setup en positionering van de hand

  1. Hebben het onderwerp ontvoeren de dominante wijsvinger ter identificatie van de eerste rugvin interosseous spier (FDI). De negatieve elektrode op de buik van de FDI plaatst, dan plaatst u de positieve elektrode tussen 2nd en 3rd -metacarpophalangeal (MCP) gewrichten en de elektrode van de grond boven de 5th MCP-gewricht.
  2. Positie van de deelnemer handen met ulnaire aspecten van zowel armen en handen volledig rustend op een kussen, zonder anti-zwaartekracht inspanning vereist (Figuur 1).
  3. De deelnemer die de dominante wijsvinger uit te breiden, terwijl de derde-vijfde vingers zijn gebogen hebben. Plaats dan een spelbesturing pad op het kussen, zodat de wijsvinger op de knop gebruikt voor de raceauto-S-H-taak rust. De grondgedachte voor deze hand positie is dat de GO actie de activering van de FDI vereist tot opheffing van de wijsvinger uit de knop. Daarom, EMG tracering van de dominante FDI opname zal sonde M1 prikkelbaarheid en inhibitie voor GO en stoppen proeven respectievelijk.

3. basislijn TMS data-acquisitie

  1. Instellen van de opnameparameters voor opname van de MEP - low en high pass filters van 100 en 1000 Hz, sampling rate van 2 kHz.
  2. Verkrijgen van TMS basislijnmetingen met behulp van een 90 mm circulaire TMS spoel gepositioneerd tangentieel op de schedel over het hoekpunt met het handvat wijst naar het achterhoofd op de optimale positie en oriëntatie voor het produceren van een EP-lid op de juiste FDI volgende standaard Protocol. 26 deze spoel positie en oriëntatie moeten een geïnduceerde posterior-naar-anterior stroom produceren over M1.
    1. Gebruik een wax potlood ter gelegenheid van de hoofdhuid locatie zodra de hotspot bevond om ervoor te zorgen dat de TMS pulse berichten worden afgeleverd op de dezelfde corticale regio.
  3. Uitvoeren van twintig proeven27 van basislijn single-pulse (sp) TMS geïnduceerde BDI parlementsleden met beide handen in rust met een intensiteit van 120% van de RMT.
  4. Uitvoeren van twintig proeven van basislijn gekoppeld-pulse TMS maatregelen van M1 korte-interval intracortical inhibitie (SICI) in rust met inter stimulus-interval van 3 ms, 60% * RMT als dé oliemachine pulse intensiteit en 120% RMT als de intensiteit van de puls test te kwantificeren M1 remmende GABAA-ergic interneuronal activiteit. 28 , 29 , 30 de Inter proef interval instellen voor basislijnmetingen bij 6 ± 0,3 seconden.

4. S-H gedrags taak

  1. De raceauto S-H respons inhibitie taak weergegeven op een monitor direct voor het onderwerp. Start het experiment door eerste Opleidingsonderwerpen op de gedrags taak. Vertel het onderwerp dat de auto aan de linkerzijde van de monitor beginnen zal te bewegen nadat de knop is ingedrukt door adductie van de dominante wijsvinger (figuur 2A).
  2. Vertellen de deelnemers dat het doel van GO proeven is om de vinger zo dicht mogelijk bij, maar voordat de 800 ms richten zoals afgebeeld met een verticale lijn op het scherm. Het scherm verschijnt "Goed" als vinger liften optreedt tussen 700 en 800 ms, anders verschijnt het "Te vroeg" of "Te laat". Hebben de deelnemer praktijk 10 gaan proeven.
  3. Opleiding voor de STOP taak door de deelnemers te vertellen dat de tweede reeks proeven gaat de auto willekeurig stoppen voordat het 800 ms doelwit aanbieden.
    1. Vertel het kind te houden van zijn wijsvinger op de knop zonder de vinger wanneer de auto willekeurig stopt. Om te slagen in de proeven van deze STOP, moet de vinger op de knop blijven, totdat een checker vlag wordt gezien die is geprogrammeerd om 1000 ms na de start van elk proces weergegeven. Informeren van de deelnemer dat als stop signaal wordt gepresenteerd en vinger is opgeheven voordat de vlag checker, een "Te vroeg" verschijnt. Vertel het kind dat een "Grote" boodschap na succesvolle STOP proeven worden weergegeven.
    2. Heeft het kind 10 STOP proeven van de praktijk.
      Opmerking: Het programma heeft een dynamische tracering-algoritme. In het werkelijke experiment na de training plaatsvindt het eerste STOP signaal aan 500 ms. als de deelnemer er niet in één STOP proces slaagt, dan de volgende STOP proces gemakkelijker (d.w.z. het STOP signaal zal verschuiven 50 ms uit de buurt van het doel van de 800 ms) zal zijn. Echter als het STOP proces succesvol was, vervolgens de volgende STOP proces zal zijn moeilijker (d.w.z. het STOP signaal zal verschuiven 50 ms de doelstelling). Dit dynamische tracering proces zorgt ervoor dat tegen het einde van het hele experiment, ongeveer 50% van de STOP-proeven succesvol zijn zal terwijl de andere helft zou mislukte proeven. Het STOP signaal is geprogrammeerd om te passen tussen 300 en 700 ms na aanvang van de proef.
  4. Nadat de deelnemers alleen-GO en STOP-only proeven oefenen, vertel hen dat het volgende praktijk blok een mengsel van GO en STOP proeven bevat. Heeft het kind 20 proeven van gemengde GO en STOP als een laatste training uitvoeren.

5. online S-H/TMS experiment

  1. Voordat u begint online S-H/TMS experiment, herinneren de deelnemer aan het adduct (duw) de dominante wijsvinger om te beginnen het proces, te ontvoeren (lift off) vinger voor GO proeven en houden de vinger op de knop STOP proeven. De wijsvinger adductie werd gekozen om te starten en onderhouden van auto verkeer tijdens elk proces, omdat ten tijde van de TMS pulsen (figuur 2A en 2B), zou de antagonistische eerste dorsale interosseous (FDI) spier, waar de EMG-leiding wordt geplaatst, rusten, waardoor de kans op beweging artefact in het BDI-tracering.
  2. Vertellen de deelnemer dat TMS pulsen tijdens de S-H-taak zal worden geleverd. Instrueren van het onderwerp dat zal er 3 blokken van online S-H TMS proeven (3 gaan: 1 ratio tussen STOP proces).
    Opmerking: Tijdens GO proeven, TMS puls is geprogrammeerd op 650 ms na het begin van elke proef wordt afgeleverd. Deze timing is in eerste instantie gekozen op basis van voorafgaande TMS onderzoek waaruit blijkt dat de stijging van de M1 prikkelbaarheid verkeer voorbereiding is gekoppeld kan worden vastgelegd in dit bereik. 10 om te stoppen met proeven, TMS puls wordt geleverd 150 ms na het stop signaal. In succesvolle STOP proeven, doet de wijsvinger niet opheffen uit de knop daarom het vastgelegde M1 prikkelbaarheid corticale activiteit met betrekking tot respons inhibitie in plaats van motor voorbereiding of uitvoering weerspiegelt.
  3. Plaats de 90 mm circulaire spoel op het hoekpunt dat met behulp van eerdere wax potlood mark netcongestieproblemen stimuleren dominante M1 en instellen van de conditionering pulse intensiteit naar 60% * RMT en test pulse 120% * RMT. Beginnen met het online S-H/TMS-experiment. De kinderen van de tijd die nodig is tot slot 120 proeven is meestal 30-40 minuten.

6. raceauto Slater-Hammel gedrags-gegevens

  1. Voor GO proeven, de reactietijd te bepalen als de tijd van de vinger-lift ten opzichte van het begin van elke proef. Gemiddelde elk blok. Voor STOP de proeven bepaalt de tijd van de vinger-lift succes, overwegende dat de auto-signaal stoptijd (dat wil zeggen Stop signaal vertraging; SSD) is het interval vanaf het begin van het proces tot het punt waar de auto willekeurig stopt. Als gevolg van het proces van dynamische tracering convergeert de stoptijd signaal naar een gemiddelde van ~ 50% succes/falen.
  2. Berekenen van het Stop signaal reactietijd (SSRT) door af te trekken van de gemiddelde auto-stop tijd vanaf de gemiddelde vinger lift tijd gaan proeven (SSRT = gemiddelde reactietijd van de GO-gemiddelde signaal stoptijd [d.w.z. SSD]). Het gemiddelde van alle de SSD door blok en een SSRT voor elk blok te berekenen.

7. TMS gegevensverwerking

  1. Kwantificeren van TMS tijdens elk proces geproduceerd Parlementslid met behulp van de amplitude van de piek-piek gemeten in millivolts. Proeven voor bewegingsartefacten (EMG gebieden onder de kromme groter is dan 70 dBµV meer dan 100 ms) voordat de TMS-pols uit te sluiten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Regressie-analyse wordt uitgevoerd met behulp van een commerciële statistische softwarepakket gedrags- en neurophysiologic om gegevens te analyseren afzonderlijk. De representatieve gegevens is van 23 meestal ontwikkelen kinderen uit Cincinnati en 15 uit Baltimore (25 man, 13 vrouw). Leeftijd niet verschillen tussen site (10.3 ± 1,3 jaar voor Cincinnati en 10.4 ± 1,2 jaar voor Baltimore; t test p = 0.74)

We gebruikten een regressiemodel om SSRT met leeftijd als een covariate samen met seks, site (Cincinnati vs. Baltimore) en proef blok als onafhankelijke variabelen analyseren. Interacties tussen deze variabelen werden ook onderzocht. Deze analyse kwam naar voren dat leeftijd de enige variabele met een significant effect op de SSRT was (p = 0,005).

De neurophysiologic gegevens van TMS werd gekenmerkt met behulp van piek-tot-piek MEP amplitude als de afhankelijke variabele voor regressie-analyse. Tijdens de voorbereiding van de beweging verhoogt M1 prikkelbaarheid voordat de werkelijke beweging plaatsvindt. TMS studies hebben aangetoond dat deze verhoging van de prikkelbaarheid treedt op 100-140 ms voor spiercontractie. 10 , 11 , 31 , 32 in deze S-H-taak, de tijd tussen TMS puls en vinger-lift voor succesvolle STOP proeven moet altijd groter zijn dan 150 ms (d.w.z. nieuwste mogelijk TMS pulse vindt bij 850 ms en vinger lift > 1000 ms na inleiding van proef). In onze analyse zijn we geïnteresseerd in een vergelijking van de corticale prikkelbaarheid en inhibitie aan motor respons inhibitie gerelateerde. Aangezien wij zijn geïnteresseerd in een vergelijking van alle drie verschillende taak voorwaarden (GO, succesvolle STOP, mislukte STOP), we onderzoekgegevens geanalyseerd wanneer de tijd tussen TMS pols en vinger lift is ten minste 150 ms omdat MEP amplitude buiten deze periode wordt niet beïnvloed door voorbereiding van de beweging. 10 , 11 , 31 , 32 daarom deze latentie tijd werd niet opgenomen in het regressiemodel als een covariate. Wij opgenomen voor onze regressiemodel, leeftijd als een covariate omdat het invloed op de amplitude van de MEP in de kindertijd. 33 onafhankelijke klassevariabelen voor het model opgenomen seks, site, proef blok, TMS pulse voorwaarde (single-vs. gekoppeld-pulse) en proef voorwaarde (ga, succesvolle STOP, mislukte STOP). De primaire interactie van belang is tussen TMS pulse voorwaarde en proef voorwaarde omdat wij geïnteresseerd zijn in hoe M1 prikkelbaarheid (single-pulse TMS) en remming (gepaarde-pulse TMS) tussen de voorwaarden van de andere taak verschillen.

Voor MEP amplitudes waren de onafhankelijke variabelen geslacht, site en trial blok niet significant in het regressiemodel. Leeftijd was niet significant zijn als een covariate in het regressiemodel (p = 0,28). De TMS pulse voorwaarde (p < 0.0001) en zijn interactie met trial voorwaarde (p = 0.009) waren significant. Figuur 3 toont vertegenwoordiger neurophysiologic gegevens in verschillende trial voorwaarden met behulp van de kleinste kwadraten betekenen schattingen berekend uit het regressiemodel met foutbalken vertegenwoordigen standaardfouten. Alle paarsgewijse vergelijkingen van single-pulse MEP amplitudes tussen de drie taak voorwaarden waren onbeduidend (valse ontdekking tarief [FDR] aangepast p > 0,05). Echter voor de remmende gekoppeld-pulse-parlementsleden, de verschillen tussen gaan mislukt STOP (FDR aangepast p = 0.009) en succesvolle vs. mislukte STOP (FDR aangepast p = 0,03) waren significant. De vergelijking van gecombineerd-pulse MEP amplitudes tussen GO en succesvolle STOP proeven was niet significant (FDR aangepast p = 0,56).

Figure 1
Figuur 1: Hand en vinger positie tijdens raceauto S-H taak. Beide handen zijn rustte op het kussen. Dominante wijsvinger wordt uitgebreid en berust op een knop van de spelbesturing. Adductie van de dominante wijsvinger de knop drukt en activeert u elk afzonderlijk experiment. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: Trial schema.
(A) Ga proef schema. Dominante wijsvinger adductie naar een knop activeert de auto over het scherm te verplaatsen. Deelnemers wordt verwacht dat de vinger tussen de 700-800 ms na start van het proces om te stoppen met de auto dicht bij, maar voordat de 800 ms-doelstelling. TMS puls wordt gegeven bij 650 ms na begin van de proef.
(B) afgewisseld tussen GO proeven zijn STOP proeven waarin deelnemers werden geïnstrueerd om te voorkomen dat de vinger-lift in reactie op een signaal stop (dat wil zeggen auto plotseling stopt op een bepaald punt vóór de 800 ms mark). TMS pulsen werden geleverd 150 ms na het stop signaal. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3. MEP amplitudes tijdens raceauto S-H taak. MEP amplitudes (in millivolts) voor M1 single - en gekoppeld-pulse TMS metingen worden uitgezet voor verschillende voorwaarden van deze online S-H/TMS taak (GO, succesvolle STOP, mislukte STOP). Kleinste-kwadratenmethode betekenen schattingen berekend op basis van de regressie-analyse werden gebruikt voor dit figuur. Foutbalken vertegenwoordigen standaardfouten berekend op basis van het regressiemodel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit protocol is een nieuwe methode van het kindvriendelijke om een stop signaal taak en TMS te onderzoeken gebeurtenis-gerelateerde corticale remming te combineren. Klinische observatie van motor remmende tekorten en slechte prestaties in stop signaal taken zijn aangetoond in talloze neuropsychiatrische voorwaarden. 3 relatief weinig onderzoekers hebben gebruikt online fTMS corticale prikkelbaarheid en remming tijdens respons inhibitie taken te onderzoeken. Sommige groepen hebben met succes gebruikt TMS tijdens GNG taak om verschillen in de corticale fysiologie bij kinderen en volwassenen. 14 , 23 , 34 echter GNG taak moet idealiter worden uitgevoerd op een relatief snel tempo te verduidelijken met prepotent motor reactie gedurende de taak zodat remmende controle naar behoren kan worden onderzocht in Nogo proeven. 35 , 36 vanuit methodologisch oogpunt, een snelle GNG taak oplegt moeilijkheden voor online fTMS experimenten zoals apparaat condensatoren duren om te laden voor de volgende stimulatie pulse. Bijvoorbeeld, moet onze monofasische pulse genereren van TMS-apparaat ten minste een inter proef interval van 4 seconden waarbinnen een snelle online TMS/GNG experimenten te beperken. Bovendien, onderliggende neuropsychiatrische of ontwikkelings-stoornissen kunnen gevolgen hebben voor kinderen de mogelijkheid om een snelle GNG taak te voltooien. Een functie van de Slater-Hammel taak is dat het eigen tempo en dus voor de integratie van TMS zorgt online fysiologische metingen uitvoeren. 16 Coxon et al. gebruikt een online fTMS/clockhand-S-H-taak bij gezonde volwassenen te laten zien dat corticale remming, zoals gemeten door SICI, meer robuuste tijdens STOP dan gaan proeven. Een aparte online fTMS/SST studie liet vergelijkbare resultaten in die zin dat de M1 prikkelbaarheid vermindert aanzienlijk na STOP cue in succesvolle STOP proeven. 15 Vergeleken met de Coxon fTMS/S-H-protocol16, hebben we twee belangrijke wijzigingen. Voor het eerst, we de "raceauto" versie van S-H stop signaal taak die is aantrekkelijker voor pediatrische deelnemers gemaakt. Met behulp van dit ontwerp, meestal ontwikkelen kinderen (Figuur 3) en personen met ADHD konden (niet-gepubliceerde gegevens) voltooien ten minste 120 proeven. De andere functie die wij ingebouwd in de online fTMS/S-H-taak is de dynamische tracering algoritme om de timing van dergelijke STOP signaal dat STOP proces slagingspercentage ~ 50% aan het einde van het hele experiment is. Dit is belangrijk omdat het toelaat vergelijkingen van de corticale remming tijdens succesvolle vs. mislukte stoppen proeven en elimineert ook taakprestaties als een storende variabele.

Single-pulse proeven in dit protocol laat de studie van corticale prikkelbaarheid tijdens de voorbereiding van de beweging. In het kader van het stop signaal respons inhibitie taak zijn we echter ook interesse in M1 SICI kwantificeren tijdens STOP proeven. Voor de kwantificering van de SICI, de subthreshold conditioning pulse stimulatie intensiteit is een belangrijke experimentele parameter. Voorafgaande studies hebben gedocumenteerd het doseren effect van dé oliemachine pulse intensiteit op SICI. 37 , 38 deze studies tonen aan dat een sterkere conditionering puls meer diepgaande SICI lokt. Echter ons laboratorium in het verleden gebruikt 60% * RMT als dé oliemachine pulse intensiteit te detecteren SICI verschillen in pediatrische patiënt-controle TMS studies. 19 , 20 aangezien deze conditionering pulse intensiteit lokt ook belangrijke M1 SICI29, gebruikten we 60% * RMT voor conditionering puls in deze fTMS/S-H-taak.

Een andere factor die meespeelt in SICI kwantificering is dat de single-pulse geïnduceerde MEP amplitude. De gemiddelde single-pulse geïnduceerde MEP amplitude wordt gebruikt als de noemer voor de berekening van de verhouding van de SICI. De amplitude van deze basislijn is afhankelijk van verschillende staten zoals rust, motor observatie/beelden, motor voorbereiding evenals test pulse stimulatie intensiteit. 10 , 39 , 40 in deze online fTMS/S-H-taak, MEP amplitudes zijn meestal 3 tot 4 keer hoger tijdens de taak in vergelijking met de rest van de referentietoestand (gegevens niet worden weergegeven). In de oorspronkelijke SICI studie28verklaard de auteurs dat SICI minder met een sterkere stimulans van de test. Onbewerkte gegevens die deze conclusie ondersteunt bleek echter niet in het manuscript. Latere studies hebben onderzocht een aantal van de basislijn rest MEP amplitudes (0.2, 1 en 4 mV) en toonde dat basislijn MEP amplitude niet SICI beïnvloedde. 41 , 42 een andere studie onderzocht de effecten van motor toestand (rest, ipsilaterale/contralaterale isometrische contracties) en test pulse stimulatie intensiteiten (90-150% * RMT) op SICI. 37 SICI is minder tijdens isometrische vinger contractie en gevarieerd afhankelijk van test pulse stimulatie intensiteit. Echter heeft herhaald-measures ANOVA niet geïdentificeerd een statistisch significant interactie tussen conditie en test pulse stimulatie intensiteit. Post-hoc analyse toonde aan dat SICI tijdens de contralaterale isometrische contractie belangrijk voor een aantal test pulse stimulatie intensiteiten (110, 120, 130 en 140% van RMT). Als gevolg van nature hoge motor drempels in kinderen33is het ideaal om te houden van de intensiteit van de puls test zo laag mogelijk te wijten aan potentiële TMS hardwarebeperkingen en deelnemers comfort. Om deze redenen kozen we 120% * RMT als de intensiteit van de puls test. Echter, deze online S-H/TMS taak zou toepassing op zelfs jongere kinderen zouden we lager de intensiteit van de puls test tot 105-110% * RMT voor toekomstige experimenten.

Een mogelijke beperking van dit protocol is dat sterker, harder TMS pulsen noodzakelijk voor kinderen hun S-H-taakprestaties kunnen beïnvloeden. Het is ook mogelijk dat de gemiddelde verhoogde intensiteit van de pulsen TMS corticale circuits verstoren kan, zodat respons inhibitie wordt beïnvloed. Een andere mogelijkheid is dat de sterkere pols harder is en kinderen tijdens de taak zou kunnen afleiden. Voor toekomstige experimenten, dit kan getest worden door opnieuw de Slater-Hammel taakuitvoering met TMS pulsen geleverd bij soortgelijke intensiteiten over een gebied niet betrokken bij motor respons inhibitie of met behulp van een schijnvertoning TMS coil. Een andere beperking is het geringe aantal STOP proeven. Deze fTMS taak vereist de deelnemers om te voltooien 120 proeven, hiervan slechts 30 STOP proeven zijn. Onze dynamische tracering-algoritme zou moeten resulteren in een ~ 50% slagingspercentage; Daarom, zijn er slechts 15 succesvolle en 15 mislukte proeven voor analyse. Als belangrijke beweging artefact wordt aangetroffen in een aantal van deze proeven, dan traceren is niet opgenomen voor analyse en statistisch onderscheidingsvermogen wordt verlaagd. Dit is waarschijnlijk waar, als de gegevens worden weergegeven als van ieder individu gemiddelde MEP amplitude voor elk proces type (REST, GO, halte). Met behulp van een statistisch model van herhaalde maatregelen die schat van proef-type EP-leden op basis van alle proeven, zoals wij hebben gedaan, kan toestaan voor zinvoller resultaten.

Kortom, ontwikkelden we een noninvasive, goed verdragen en interactieve methode voor de kwantificering van de corticale remming op te sporen verschillen tijdens respons inhibitie taak. Dit kan worden toegepast naar aanleiding van neuropsychiatrische voorwaarden te bestuderen van de corticale remming bij kinderen. Er zijn tal van methoden uit te breiden op dit protocol fTMS. Recente studies hebben gebruikt twee-spoel gekoppeld-pulse TMS paradigma's te bestuderen van corticale connectiviteit tijdens gedrags taak bij volwassenen. 43 , 44 met behulp van neuronavigation, kan deze aanpak worden uitgebreid tot de pediatrische populatie te onderzoeken van de effecten van de prefrontale knooppunten op respons inhibitie. Repetitieve TMS (rTMS) biedt een andere mogelijkheid om het moduleren van de hersengebieden die essentieel zijn voor remming van de motor reacties. 43 , 45 , 46 overigens een andere potentiële toekomstige toepassing is het combineren van dit protocol met simultane EEG te kwantificeren TMS-opgeroepen corticale potentieel in niet-M1 regio's47 te karakteriseren corticale fysiologie motor reactie is gekoppeld remming.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Deze studie werd gefinancierd door het National Institute of Mental Health (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