Online transkranial magnetisk Stimulation protokol til måling af kortikal fysiologi tilknyttet svar hæmning

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

Vi beskriver en eksperimentel metode til at kvantificere ophidselse og hæmning af primære motor cortex under en motor respons hæmning opgave ved hjælp af transkranial magnetisk Stimulation i løbet af en Stop Signal opgave.

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

Vi beskriver udviklingen af en reproducerbar og børnevenligt motor svar hæmning opgaven egnet til online transkranial magnetisk Stimulation (TMS) karakterisering af primære motor cortex (M1) ophidselse og hæmning. Motor respons hæmning forhindrer uønskede handlinger og er unormale i flere neuropsykiatriske lidelser. TMS er en non-invasiv teknologi, der kan kvantificere M1 ophidselse og hæmning ved hjælp af single og parret puls protokoller og kan være netop timet at studere kortikal fysiologi med høj tidsmæssige opløsning. Vi har ændret den oprindelige Slater-Hammel (S-H) stop signal opgave for at oprette en "racerbil" version med TMS pulser tid låst til intra retssag begivenheder. Denne opgave er dit eget tempo, med hver enkelt retssag indlede efter en knap Tryk og flytte racerbil på 800 ms målet. GÅ forsøg kræver en finger-lift til at stoppe racerbil lige før dette mål. Afbrudt tilfældigt er STOP forsøg (25%) hvor dynamisk justeret stopsignal bliver bedt om emner, der skal forhindre finger-lift. For GO forsøg, blev TMS pulser leveret på 650 ms efter retssag indsættende; der henviser til STOP forsøg, opstod TMS pulser 150 ms efter stopsignal. Tidsindstillinger af TMS pulser blev besluttet baseret på electroencefalografi (EEG) undersøgelser viser event-relaterede ændringer i disse tidsintervaller i løbet stop signal opgaver. Denne opgave blev studeret i 3 blokke på to undersøgelse sites (n = 38) og vi indspillede adfærdsmæssige ydeevne og event-relaterede motor-fremkaldte potentialer (MEP). Modellering af regression blev brugt til at analysere MEP amplituder bruge alder som en covariate med flere uafhængige variabler (sex, studere site, blok, TMS puls betingelse [single-vs. parret puls], retssag tilstand [GO, vellykket STOP mislykkedes STOP]). Analysen viste at TMS puls tilstand (Pedersen < 0,0001) og dens samspil med retssag tilstand (p = 0,009) var betydelig. Fremtidige ansøgninger til dette online S-H/TMS paradigme omfatter tilføjelse af samtidig EEG erhvervelse til at måle TMS-fremkaldte EEG potentialer. En potentiel begrænsning er at TMS puls lyd i børn, kunne påvirke adfærdsmæssige opgave ydeevne.

Introduction

Svar hæmning er evne hen til selektivt forhindre disse uønskede handlinger, der kan forstyrre tilsigtede funktionelle mål. 1 cortico-striatal netværk er kritisk involveret i svar hæmning, som gradvist bliver mere effektiv som børn ældre men er forringet i talrige neuropsykiatriske forhold, såsom opmærksomhed underskud hyperaktivitet lidelse) ADHD), læring lidelser, obsessiv-kompulsiv sygdom og skizofreni. 2 , 3 motor respons hæmning kan undersøges med forskellige adfærdsmæssige paradigmer som Go/NoGo (GNG) og stoppe Signal opgaver (SST). 1 , 4 adfærdsmæssige data alene indeholder ikke oplysninger om potentielt modificerbare, kvantificerbare biologiske mekanismer. Det overordnede mål i den aktuelle undersøgelse var at udvikle et barn venlige metode til at vurdere motoriske cortex fysiologi under udførelsen af svar hæmning, for at udvikle et hjerne-baserede kvantitative biomarkør af neurale underlaget af denne opgave. Sådanne biomarkører kunne har bred anvendelse i prædiktive undersøgelser af prognose eller behandling af neurobehavioral lidelser.

Til dette formål, efterforskerne valgt og modificeret Slater-Hammel (S-H) opgave5. Dette er en stop signal opgave, der kræver, at deltagerne til at hæmme en internt genereret forprogrammerede handling. Denne selvstyrede opgave består af både gå og STOP forsøg. GÅ forsøg er initieret af emnet ved at trykke på og holde Tryk på en knap, med instruktion om at løfte finger off knappen (dvs. GO handling) så tæt på men før 800 ms mål. I den oprindelige paradigme angives tiden på et ur med en hurtigt roterende hånd. STOP forsøg er tilfældigt afbrudt blandt GO forsøg, hvor personen skal hæmme handlingen forudplanlagte GO (dvs. hindre finger lift). Stop signal opgave er sværere, fordi emner skal hæmme et svar i forbindelse med en præ-programmerede GO-signal, mens i GNG opgave, er beslutningen om at indlede eller ikke indlede en sag uden forudgående kommandoer. 6 i øvrigt kan det være mere korrekt at undersøge svar hæmning ved hjælp af stop-signal opgaver, fordi i opgaven GNG konsekvent korrelationer mellem signal og svar kan resultere i automatisk hæmning. 7 automatisk hæmning er den teori at konsekvent kortlægning mellem signal og svar (dvs. GO signal altid resulterer i en GO svar og vice versa) fører til en automatisk behandling i løbet af eksperimentet, så STOP forsøg er dels behandlet gennem hukommelse hentning og omgår visse executive kontrol. 8 , 9

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er en non-invasiv teknologi, der kan bruges til at måle kortikal fysiologi. Ved hjælp af single og parret puls stimulation paradigmer, kan man kvantificere kortikal ophidselse og hæmning. Selv om mest offentliggjorte TMS undersøgelser undersøge kortikal fysiologi i hvile, har nogle grupper undersøgt kortikal ophidselse/hæmning under mental forberedelse til aktion10 og under forskellige kognitive stater, der kan blive afspejlet i motor Cortex fysiologi. 11 , 12 , 13 , 14 denne funktionelle TMS (fTMS) tilgang kræver online TMS målinger, mens deltagerne udfører adfærdsmæssige opgaver, således at sonden kortikale forandringer der er state-afhængige med høj tidsmæssige opløsning. Med real-time oplysninger om neurophysiologic ændringer på en sådan måde udvider den fysiologiske undersøgelse af motorisk kontrol15,16 og neuropsykiatriske forhold17,18, 19,20.

Forudgående fTMS studier har undersøgt kortikale mekanismer af svar hæmning i raske voksne bruger GNG14 og SST opgaver15,16,21. Derudover viste en undersøgelse, at en enkelt dosis af methylphenidat ændret motor kortikal fysiologi af raske voksne under et fTMS/GNG eksperiment. 22 til dato, er der to grupper, der har offentliggjort pediatric fTMS undersøgelser ved hjælp af GNG opgave for at karakterisere kortikal fysiologi af ADHD23 og Tourettes syndrom17. Der er i øjeblikket ingen offentliggjorte fTMS undersøgelse udnytter SST hos den pædiatriske befolkningsgruppe.

Et kritisk punkt i fTMS undersøgelser, i meget højere grad end resten-alene TMS undersøgelser, er muskel artefakt. Standardiseret overflade Elektromyografi (EMG) foranstaltninger af amplitude og latenstid fra motor-fremkaldte potentialer (MEP) må ikke være forurenet med muskel artefakt. Så, for eksempel, for at studere kortikale ændringer i forberedelse til en bevægelse i en reaktionstid undersøgelse, TMS pulser skal være netop timet til forekommer efter et GO-signal, men før en persons reaktionstid. Således i enhver opgave er det afgørende at sikre, at TMS pulser sker på et tidspunkt, når den motor svar endnu ikke er begyndt, og at deltageren er komfortable og købedygtig påstå den relevante muskler på resten. Dette kan være yderst problematisk med hyperkinetiske børn der kan naturligvis have uvedkommende bevægelser og som kan holde deres arm og hånd spændte i hele en reaktionstid spil.

Formålet med den foreliggende undersøgelse er at udvikle en version af den Slater-Hammel SST, der er børnevenlige og velegnede til at studere primære motor cortex (M1) fysiologi. Denne opgave bør være 1) let forståelig for børn, 2) relativt let at fuldføre for børn og 3) kompatibel med online TMS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Denne protokol blev godkendt af Cincinnati children's Hospital Medical Center og Johns Hopkins institutionelle anmeldelse Boards som en minimal risiko studere i børn og voksne. Enkelt og parret puls TMS betragtes som sikker hos børn 2 år og ældre pr. internationale ekspert konsensus. 24 efter forklarer de potentielle risici ved TMS til forældre/værge og deltager, samtykke og tilslutning former er underskrevet hvis de er enige om at gå videre med undersøgelsen.

1. screening og introduktion

  1. Skærmen emner for TMS contraindication(s) ved hjælp af et standardiseret spørgeskema. 25
  2. Demonstrere hvordan TMS fungerer ved at levere en magnetic pulse over operatørens egne underarm.
  3. Levere en TMS puls over deltagerens underarm, således at han/hun kan føle pulsen.
  4. Placere ørepropper i deltagerens ører for høreværn.

2. overflade EMG føre setup og hånd positionering

  1. Har emnet bortføre den dominerende pegefinger for at identificere den første dorsale interosseous muskel (FDI). Placer den negative elektrode over maven af de direkte udenlandske investeringer, og Placer den positive elektrode mellem 2nd og 3rd metacarpophalangeal (MCP) leddene og jorden elektrode over 5th MCP fælles.
  2. Placer deltagerens hænder med nervus aspekter af både arme og hænder hvilende fuldt ud på en pude, med ingen anti-tyngdekraft indsats, der kræves (figur 1).
  3. Har deltageren udvider den dominerende pegefinger, mens tredje-femte fingrene er bøjede. Derefter placere en spilleenhed pad på puden, så pegefingeren hviler på knappen bruges til racerbil S-H opgave. Begrundelsen for denne hånd holdning er, at handlingen GO kræver aktivering af direkte udenlandske investeringer til at løfte pegefingeren off knappen. Derfor vil optagelse EMG sporing af den dominerende UDI sonde M1 ophidselse og hæmning for GO og stoppe forsøg henholdsvis.

3. baseline TMS dataopsamling

  1. Indstille optagelse parametre for MEP optagelse - low og high pass filtre af 100 og 1000 Hz samplingfrekvens for 2 kHz.
  2. Opnå grundlæggende TMS målinger ved hjælp af en 90 mm cirkulære TMS coil placeret tangentielt til kraniet over Issen med håndtaget peger mod nakkeknude på den optimale placering og orientering for at producere en medlem i den rigtige UDI af følgende standard protokol. 26 denne coil placering og orientering skal producere en induceret posterior til forreste strøm over M1.
    1. Bruge en voks blyant til at markere lokationen hovedbunden når hotspot var placeret for at sikre, at TMS puls levering sker på samme kortikale region.
  3. Udføre tyve forsøg27 af baseline single-pulse (sp) TMS induceret UDI MEP'er med begge hænder på resten med en intensitet på 120% af RMT.
  4. Udføre tyve forsøg af baseline parret puls TMS foranstaltninger af M1 kort-interval intracortical hæmning (SICI) på resten bruger Inter stimulus interval på 3 ms, 60% * RMT som konditionering puls intensitet og 120% RMT som test puls intensitet at kvantificere M1 hæmmende GABAA-ergic interneuronal aktivitet. 28 , 29 , 30 sæt Inter retssag intervallet for grundlæggende målinger på 6 ± 0,3 sekunder.

4. S-H adfærdsmæssige opgave

  1. Vise racerbil S-H svar hæmning opgave på en skærm direkte foran emnet. Begynde eksperimentet ved første uddannelse emner på adfærdsmæssige opgaven. Fortælle genstand at bilen på venstre side af skærmen vil begynde at flytte efter knappen er trykket ved adduktion af den dominerende pegefinger (figur 2A).
  2. Fortæl deltagerne, at målet for GO forsøg er at løfte fingeren så tæt på, men før 800 ms target som skildret af en lodret linje på skærmen. Skærmbilledet vil vise "Godt Job", hvis finger elevatorer opstår mellem 700 og 800 ms, ellers det vil vise "For tidligt" eller "For sent". Har deltageren praksis 10 gå forsøg.
  3. Tilbyde uddannelse for STOP opgaven ved at fortælle deltagerne, at det andet sæt af forsøg indebærer bilen tilfældigt standse før 800 ms mål.
    1. Fortæl barnet at holde sin pegefinger på knappen uden at løfte fingeren, når bilen standser tilfældigt. Succes på disse STOP forsøg, skal fingeren være på knappen indtil en kontrollør flag ses som er programmeret til at synes 1000 ms efter starten af hvert forsøg. Informere deltageren at hvis stopsignal præsenteres og finger løftes før checker flag, vises meddelelsen "For tidligt". Fortæl barnet at en "Stor" besked vil blive vist efter vellykket STOP forsøg.
    2. Har barnet øve 10 STOP forsøg.
      Bemærk: Programmet har en dynamisk tracking algoritme. I den faktiske eksperiment efter træning opstår den første stopsignal på 500 ms. hvis deltageren ikke ét STOP retssag, så næste STOP forsøget vil være nemmere (dvs. stopsignal vil skifte 50 ms fra 800 ms mål). Men hvis STOP forsøget blev vellykket, så næste STOP retssagen bliver vanskeligere (dvs. stopsignal vil skifte 50 ms mod målet). Dynamisk sporing processen sikrer, at ved slutningen af hele eksperimentet, ca 50% af STOP forsøg vil være vellykket, mens anden halvdelen ville være mislykkede forsøg. Stopsignal er programmeret til at justere mellem 300 og 700 ms efter start af retssagen.
  4. Efter at deltagerne praksis kun gå- og STOP-only forsøg, fortælle dem, at den næste praksis blok indeholder en blanding af GO og STOP forsøg. Har barnet udføre 20 forsøg med blandet GO og STOP som en endelige praksis.

5. online S-H/TMS eksperiment

  1. Før du starter online S-H/TMS eksperiment, minde vedkommende om at addukt (skub ned) dominerende pegefingeren til at starte forsøget, at bortføre (lift off) finger for GO forsøg og holde fingeren på knappen til STOP forsøg. Pegefinger adduktion blev valgt til at igangsætte og opretholde bil bevægelse under hver retssag, fordi på tidspunktet af TMS pulser (figur 2A og 2B), de antagonistiske første dorsale interosseous (FDI) muskel, hvor EMG bly er placeret, ville være hvile, således at reducere sandsynligheden for motion artefakt i DUI-sporing.
  2. Fortælle deltageren, TMS impulser vil blive leveret i løbet af S-H-opgave. Instruere emnet at der vil være 3 blokke af online S-H TMS forsøg (3 gå: 1 STOP retssag ratio).
    Bemærk: Under GO forsøg, TMS puls er programmeret til at blive leveret på 650 ms efter starten af hvert forsøg. Denne timing er i første omgang udvalgt på baggrund af forudgående TMS undersøgelse viser, at stigningen i M1 ophidselse tilknyttet bevægelse forberedelse kan blive fanget i dette område. 10 for stoppe forsøg, leveres TMS puls 150 ms efter stopsignal. I succesfulde STOP forsøg, pegefingeren ikke lift off knappen derfor erobrede M1 ophidselse afspejler kortikale aktivitet relateret til svar hæmning snarere end motor forberedelse eller gennemførelse.
  3. Placer 90 mm cirkulære spolen over knudepunktet ved hjælp af tidligere voks blyant mærke at fortrinsvis stimulere dominerende M1 og indstille konditionering puls intensitet til 60% * RMT og test puls til 120% * RMT. Begynde online S-H/TMS eksperimentet. Tid, der kræves børn til slut 120 forsøg er generelt 30-40 minutter.

6. racerbil Slater-Hammel adfærdsmæssige Data

  1. GO forsøg, bestemme reaktionstiden som finger-lift tid i forhold til begyndelsen af hvert forsøg. Gennemsnit hver blok. For STOP forsøg bestemmer finger-lift tid succes, mens bilen stop signal tid (dvs. stoppe Signal forsinkelse; SSD) er tidsintervallet fra starten af retssagen til det punkt, hvor bilen tilfældigt stopper. På grund af den dynamiske tracking proces konvergerer signal stoptidspunkt mod en ~ 50% succes/ikke bestået gennemsnit.
  2. Beregne Stop Signal reaktionstid (SSRT) ved at trække den gennemsnitlige bil-stop tid fra den gennemsnitlige finger lift tid på GO forsøg (SSRT = gennemsnitlige GO reaktionstid-gennemsnitlig stop signal tid [dvs SSD]). Gennemsnit alle SSD Block og beregne en SSRT for hver blok.

7. TMS databehandling

  1. Kvantificere TMS under hver retssag produceret Parlamentsmedlem ved hjælp af peak-peak amplitude målt i millivolt. Udelukke forsøg for bevægelse artefakter (EMG områder under kurven større end 70 µV over 100 ms) før TMS puls.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Regressionsanalyse udføres ved hjælp af en kommerciel statistisk software-pakke til at analysere adfærdsmæssige og neurophysiologic data separat. De repræsentative data er fra 23 typisk udvikle børn fra Cincinnati og 15 fra Baltimore (25 mand, 13 kvinde). Alder ikke afviger mellem site (10,3 ± 1,3 år for Cincinnati og 10.4 ± 1,2 år for Baltimore; t-test p = 0,74)

Vi brugte en regressionsmodel til at analysere SSRT med alder som en covariate sammen med sex, site (Cincinnati vs Baltimore) og retssag blok som uafhængige variable. Samspillet mellem disse variabler blev også undersøgt. Denne analyse afslørede, at alder var den eneste variabel med en betydelig virkning på SSRT (p = 0,005).

TMS neurophysiologic data var karakteriseret ved hjælp af top til top MEP amplitude som den afhængige variabel for regressionsanalyse. Under bevægelse forberedelse stiger M1 ophidselse før faktiske bevægelse opstår. TMS undersøgelser har vist, at denne ophidselse stigning opstår 100-140 ms før muskelsammentrækning. 10 , 11 , 31 , 32 i denne S-H opgave, tid mellem TMS puls og finger-lift vellykket STOP forsøg er altid større end 150 ms (dvs. senest muligt TMS puls opstår på 850 ms og finger lift opstår > 1000 ms efter indledning af retssagen). I vores analyse er vi interesseret i at sammenligne kortikal ophidselse og hæmning relateret til motor respons hæmning. Da vi er interesseret i at sammenligne alle tre forskellige opgave betingelser (GO, vellykket STOP, mislykkede STOP), vi analyseret data fra forsøg, når tid mellem TMS puls og finger lift er mindst 150 ms fordi MEP amplitude ud over denne tidsramme ikke påvirkes af bevægelse forberedelse. 10 , 11 , 31 , 32 derfor denne gang latency blev ikke medtaget i regressionsmodellen som en covariate. For vores regressionsmodel inkluderet vi alder som en covariate, fordi det påvirker MEP amplitude i barndommen. 33 uafhængige klassevariabler for model medtaget sex, site, retssag blok, TMS puls tilstand (enkelt-vs. parret puls) og retssag tilstand (gå, vellykket STOP, mislykkede STOP). Den primære interaktion af interesse er mellem TMS puls tilstand og retssag betingelse fordi vi er interesseret i hvordan M1 ophidselse (single-puls TMS) og hæmning (parret puls TMS) varierer mellem forskellige opgave betingelser.

For MEP amplituder var uafhængige variabler sex, site og retssag blok ikke signifikant i regressionsmodellen. Alder ikke var væsentlig som en covariate i regressionsmodellen (p = 0,28). TMS puls tilstand (Pedersen < 0,0001) og dens samspil med retssag tilstand (p = 0,009) var betydelig. Figur 3 viser repræsentant neurophysiologic data i forskellige retssag betingelser ved hjælp af mindste kvadraters betyde estimater beregnes ud fra regressionsmodellen med fejllinjer repræsenterer standardfejl. Alle parvise sammenligninger af single-puls MEP amplituder mellem de tre opgave betingelser var ubetydelige (falsk opdagelse sats [FDR] justeret p > 0,05). Men for de hæmmende parret puls parlamentsmedlemmer, forskellene mellem gå vs mislykkedes STOP (FDR justeret p = 0,009) og vellykket vs mislykkede STOP (FDR justeret p = 0,03) var betydelig. Sammenligning af parret puls MEP amplituder mellem GO og vellykket STOP forsøg var ikke signifikant (FDR justeret p = 0,56).

Figure 1
Figur 1: hånd og finger holdning under racerbil S-H opgave. Begge hænder er hvilede på hovedpuden. Dominerende pegefinger er udvidet og hviler på en knap på spilleenheden. Adduktion af den dominerende pegefinger trykker på knappen og aktiveres hver retssag. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Retssag skemaer.
(A) gå retssag skematisk. Dominerende pegefinger adduktion på en knap aktiveres bilen til at bevæge sig hen over skærmen. Deltagerne forventes at løfte en finger mellem 700-800 ms efter start af retssag til at stoppe bilen tæt på men før 800 ms mål. TMS puls er givet på 650 ms efter retssag debut.
(B) afbrudt blandt GO forsøg er STOP forsøg, hvor deltagerne blev instrueret i at forhindre finger-lift som svar på et stopsignal (dvs. bil pludselig stopper på et tidspunkt før 800 ms mark). TMS pulser blev leveret 150 ms efter stopsignal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. MEP amplituder under racerbil S-H opgave. MEP amplituder (i millivolt) for M1 single og parret puls TMS målinger afbildet for forskellige betingelser for denne online S-H/TMS opgave (GO, vellykket STOP mislykkedes STOP). Mindste kvadraters betyde estimater beregnes ud fra regressionsanalysen blev brugt til denne figur. Fejllinjer udgør standard fejl beregnes fra regressionsmodellen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne protokol er en roman børnevenlig metode kombinerer et stop-signal opgave og TMS at undersøge event-relaterede kortikale hæmning. Klinisk observation af motor hæmmende underskud og dårlige resultater i stop signal opgaver er blevet påvist i talrige neuropsykiatriske forhold. 3 relativt få efterforskere har brugt online fTMS undersøge kortikal ophidselse og hæmning under svar hæmning opgaver. Nogle grupper har med held brugt TMS under GNG opgave for at vise forskellene i cortical fysiologi i børn og voksne. 14 , 23 , 34 men GNG opgave bør ideelt gennemføres på en relativt hurtig tempo at fremkalde prepotent motor respons gennem hele opgaven, således at hæmmende kontrol kan være tilstrækkeligt undersøgt i Nogo forsøg. 35 , 36 fra metodologisk synspunkt, en tempofyldt GNG opgave pålægger vanskeligheder for online fTMS eksperimenter som enhed kondensatorer kræver tid til at genoplade til det næste stimulation puls. For eksempel behov vores monofasiske puls generere TMS enhed mindst en indbyrdes retssag interval på 4 sekunder dermed begrænse tempofyldte online TMS/GNG eksperimenter. Derudover kan underliggende neuropsykiatriske eller udviklingsmæssige forstyrrelser påvirke børnenes evne til at fuldføre en tempofyldt GNG opgave. En funktion af Slater-Hammel opgave er at det er dit eget tempo og dermed giver mulighed for integration af TMS til at gennemføre online fysiologiske målinger. 16 Coxon et al. anvendte en online fTMS/clockhand S-H opgave hos raske voksne, kortikal hæmning, som målt af SICI, er mere robust under STOP end GO forsøg. En separat online fTMS/SST undersøgelse viste lignende resultater i at M1 ophidselse falder betydeligt efter STOP cue i vellykket STOP forsøg. 15 I forhold til Coxon fTMS/S-H protokol16, gjorde vi to væsentlige ændringer. Vi oprettede "racerbil" version af S-H stop signal opgave, som er mere spændende for pediatric deltagere. Ved hjælp af dette design, typisk udvikle børn (figur 3) og dem med ADHD var (ikke-offentliggjorte data) i stand til at fuldføre mindst 120 forsøg. Den anden funktion vi indbygget i opgaven online fTMS/S-H er dynamisk tracking algoritme til at justere timing af stopsignal sådan at STOP retssag succesrate er ~ 50% i slutningen af hele eksperimentet. Det er vigtigt, fordi det giver mulighed for sammenligninger af kortikale hæmning under vellykket vs mislykket stoppe forsøg og også eliminerer opgave ydeevne som en forstyrrende variabel.

Single-puls forsøg i denne protokol giver mulighed for undersøgelse af kortikal ophidselse under bevægelse forberedelse. Men i forbindelse med stop-signal svar hæmning opgave, vi er også interesseret i kvantificere M1 SICI under STOP forsøg. For SICI kvantificering, den subthreshold conditioning impuls stimulation intensitet er en vigtig eksperimentelle parameter. Forudgående undersøgelser har dokumenteret effekten dosering af conditioning puls intensitet på SICI. 37 , 38 disse undersøgelser viser, at en stærkere conditioning puls fremkalder mere dybtgående SICI. Men vores laboratorium historisk brugt 60% * RMT som konditionering puls intensitet til at opdage SICI forskelle i pediatric case-kontrol TMS undersøgelser. 19 , 20 da denne konditionering puls intensitet også fremkalder væsentlige M1 SICI29, vi brugte 60% * RMT til konditionering puls i denne fTMS/S-H opgave.

En anden faktor til at overveje i SICI kvantificering er single-puls induceret MEP amplitude. Den gennemsnitlige single-puls induceret MEP amplitude bruges som nævneren for beregningen af SICI ratio. Denne oprindelige amplitude er afhængige af forskellige stater som resten, motor observation/billedsprog, motor forberedelse samt test impuls stimulation intensitet. 10 , 39 , 40 i dette online fTMS/S-H opgave, MEP amplituder er typisk 3 til 4 gange større i løbet af opgaven i forhold til baseline resten tilstand (data ikke vist). I den oprindelige SICI undersøgelse28udtalt forfatterne at SICI er mindre med en stærkere test stimulus. Rå data til støtte for denne konklusion var imidlertid ikke vist i håndskriftet. Efterfølgende studier har undersøgt en række baseline resten MEP amplituder (0.2, 1 og 4 mV) og viste, at baseline MEP amplitude ikke påvirkede SICI. 41 , 42 en anden undersøgelse undersøgt virkningerne af motor tilstand (hvile, ipsilaterale/kontralaterale isometrisk sammentrækninger) og test impuls stimulation intensiteter (90-150% * RMT) på SICI. 37 SICI er mindre under isometrisk finger sammentrækning og varierede afhængigt af test impuls stimulation intensitet. Gentaget foranstaltninger ANOVA ikke identificere en statistisk signifikant Vekselvirkning mellem tilstand og test impuls stimulation intensitet. Post-hoc analyse viste, at SICI under kontralaterale isometrisk kontraktion var betydelig for en række test impuls stimulation intensiteter (110, 120, 130 og 140% af RMT). Naturligt høje motor tærskler i børn33er det ideelt at holde test puls intensitet så lavt som muligt på grund af potentielle TMS Hardwarebegrænsninger og deltagernes komfort. Af disse grunde har vi valgt 120% * RMT som test puls intensitet. Men denne online S-H/TMS opgave kan være gældende for yngre børn var vi til lavere test puls intensitet til 105-110% * RMT for fremtidige eksperimenter.

En potentiel begrænsning af denne protokol er at stærkere og stærkere TMS pulser nødvendigt for børn kan påvirke deres S-H opgave ydeevne. Det er også muligt, at den gennemsnitlige øget intensiteten af TMS pulser kunne forstyrre kortikale kredsløb så svar hæmning er berørt. En anden mulighed er at den stærkere puls er højere og kunne distrahere børn under opgaven. Til fremtidige eksperimenter, dette kan testes ved igen at gøre opgaven Slater-Hammel med TMS pulser leveret på lignende intensiteter over en region ikke involveret i motor respons hæmning, eller ved hjælp af en fingeret TMS tændspole. En anden begrænsning er det lave antal STOP forsøg. Denne fTMS opgave skal deltagerne til at fuldføre 120 forsøg, af disse kun 30 er STOP forsøg. Vores dynamiske tracking algoritme bør resultere i en ~ 50% succesrate; Derfor er der kun 15 vellykket og 15 mislykkede forsøg for analyse. Hvis betydelig bevægelse artefakt er fundet i nogle af disse forsøg, så sporing er ikke medtaget for analyse og statistiske magt formindskes. Dette er sandsynligvis sandt, hvis data er repræsenteret som hver enkelt betyde MEP amplitude for hver enkelt retssag (resten, GO, STOP). Ved hjælp af en gentagen foranstaltninger statistisk model, der anslår retssag-type MEP'erne baseret på alle forsøg, som vi har gjort, kan give mulighed for mere meningsfulde resultater.

Afslutningsvis udviklede vi en noninvasive, veltolereret og interaktiv metode til kvantificering af kortikale hæmning for at opdage forskelle i reaktion hæmning opgave. Dette kan anvendes efter neuropsykiatriske forhold at studere kortikale hæmning i børn. Der er mange metoder til at udvide på denne fTMS protokol. Nylige undersøgelser har brugt to-coil parret puls TMS paradigmer for at studere kortikale connectivity under opførsel opgave hos voksne. 43 , 44 bruger neuronavigation, kan denne fremgangsmåde udvides til at omfatte den pædiatriske befolkning til at undersøge virkningerne af præfrontal noder på svar hæmning. Gentagne TMS (rTMS) giver en anden mulighed for at modulere hjerneregioner, der er kritiske for hæmning af motoriske svar. 43 , 45 , 46 endvidere en anden potentielle fremtidige anvendelse er at kombinere denne protokol med samtidige EEG at kvantificere TMS-fremkaldte kortikale potentialer i ikke-M1 regioner47 at karakterisere kortikal fysiologi tilknyttet motor respons hæmning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Undersøgelsen blev finansieret af 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