Online-transkranielle Magnetstimulation Protokoll zur Messung der kortikalen Physiologie Reaktion Hemmung zugeordnet

Neuroscience

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Summary

Wir beschreiben ein experimentelles Verfahren um Erregbarkeit und Hemmung der primären motorischen Kortex während eine motorische Reaktion Hemmung Aufgabe mithilfe Transcranial magnetische Anregung im Laufe einer Stop-Signal Aufgabe zu quantifizieren.

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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).

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Abstract

Wir beschreiben die Entwicklung einer reproduzierbaren, kinderfreundliche motorische Reaktion Hemmung Aufgabe geeignet für Online-Transcranial magnetische Anregung (TMS) Charakterisierung von primären motorischen Kortex (M1) Erregbarkeit und Hemmung. Motorische Reaktion Hemmung verhindert ungewollte Aktionen und ist abnormal in mehreren neuropsychiatrischen Bedingungen. TMS ist eine nicht-invasive Technologie, die kann quantifizieren M1 Erregbarkeit und Hemmung mit Einzel - und gepaart-Puls-Protokolle und kann genau zeitlich festgelegt, kortikale Physiologie mit hoher zeitlicher Auflösung zu studieren. Änderungen haben wir die ursprüngliche Slater-Hammel (S-H) Stop Signal Aufgabe um eine "Rennwagen" Version mit TMS Impulsen Zeit gesperrt, um Intra trial Veranstaltungen erstellen. Diese Aufgabe ist Selbststudium, mit jeder Prozeß Einleitung nach Tastendruck die Rennwagen auf die 800 ms Ziel zu bewegen. GEHEN Studien erfordern eine Finger-Lift, die Rennwagen kurz vor diesem Ziel zu stoppen. Nach dem Zufallsprinzip eingestreut sind STOP Studien (25 %) während die dynamisch angepasste Stopp-Signal werden, Themen aufgefordert, Finger-Lift zu verhindern. Für GO Studien lieferten TMS Impulse bei 650 ms nach Testversion einsetzen; in der Erwägung, dass die TMS-Impulse für STOP Studien, 150 ms nach dem Stoppsignal aufgetreten. Die Zeiten der TMS Impulse wurden basierend auf Elektroenzephalographie (EEG) Studien, die zeigen veranstaltungsbezogene Änderungen in diesen Zeiträumen während Stop-Signal Aufgaben festgelegt. Diese Aufgabe wurde in 3 Blöcken an zwei Studienzentren untersucht (n = 38) und wir nahmen Verhaltens Leistung und veranstaltungsbezogenen Motor-evozierten Potentialen (MEP). Regression Modellierung wurde zum Analysieren der MEP Amplituden mit Alter als Kovariate mit mehreren unabhängigen Variablen (sex, studieren, Website, Block, TMS Impuls Zustand [Einzel-vs. gepaart-Puls], Test Bedingung [GO, erfolgreiche STOP Fehler STOP]). Die Analyse zeigte, dass TMS Zustand Puls (p < 0,0001) und seine Wechselwirkung mit Testversion Zustand (p = 0.009) waren signifikant. Zukünftige Anwendungen für dieses Online-S-H/TMS-Paradigma gehören die Zugabe von gleichzeitigen Erwerb des EEG, EEG TMS-evozierten Potentiale zu messen. Eine mögliche Einschränkung ist, dass bei Kindern, der TMS-Puls-Sound Verhaltens Aufgabenleistung beeinträchtigen könnten.

Introduction

Hemmung der Reaktion ist die Möglichkeit, selektiv diese ungewollten Aktionen zu verhindern, dass die beabsichtigte Handlungsziele beeinträchtigen können. 1 Cortico-striatalen Netzwerk kritisch Reaktion Hemmung, engagiert sich in die schrittweise wird effizienter als ältere Kinder aber ist in zahlreichen neuropsychiatric Bedingungen beeinträchtigt, wie Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Störung) (ADHS), Störungen, Zwangsstörungen und Schizophrenie zu lernen. 2 , 3 Motor Reaktion Hemmung kann mit unterschiedlichen Verhaltens Paradigmen wie Go/NoGo (GNG) und Stop Signal Aufgaben (SST) untersucht werden. 1 , 4 Verhaltensdaten allein bietet keine Informationen über potentiell modifizierbar, messbare biologische Mechanismen. Das übergeordnete Ziel in der vorliegenden Studie war eine Kind freundlich Methode zur motorischen Kortex Physiologie während der Ausführung der Reaktion Hemmung, Evaluierung, um ein Gehirn-basierte quantitative Biomarker für das neuronale Substrat dieser Aufgabe entwickeln zu entwickeln. Diese Biomarker könnte breite Anwendung in vorausschauende Studien zur Prognose und Behandlung von neurologischen Erkrankungen haben.

Zu diesem Zweck die Ermittler ausgewählt und modifiziert die Slater-Hammel (S-H) Aufgabe5. Dies ist ein Stop-Signal-Aufgabe, die Teilnehmer um eine selbsterstellte vorprogrammierte Aktion hemmen erfordert. Diese self-paced Aufgabe besteht aus GO und STOP-Studien. GEHEN Studien sind durch den Gegenstand drücken und Druck auf eine Taste, mit der Anweisung, die Finger von der Taste (d. h. GO Aktion) heben Sie so nah an, aber vor dem Ziel 800 ms eingeleitet. Das ursprüngliche Paradigma ist Zeit auf einer Uhr mit einem schnell rotierenden Hand angedeutet. STOP-Studien sind nach dem Zufallsprinzip unter GO Studien, bei denen muss die Person die vorgeplante GO-Aktion hemmen, durchsetzt (d. h. zu verhindern, dass Finger heben). Die Stop-Signal-Aufgabe ist schwieriger, weil Themen haben, eine Antwort im Zusammenhang mit einer vorprogrammierten GO-Signal zu hemmen, während im GNG Aufgabe, die Entscheidung ist, ob zu initiieren oder eine Aktion mit keine vorherige Befehle nicht initiieren. 6 im übrigen ist es möglicherweise genauer zu untersuchen, Reaktion Hemmung mit Stop Signal Aufgaben, da in der Aufgabe GNG konsistente Zusammenhänge zwischen Signal und Antworten automatische Hemmung führen können. 7 automatische Hemmung ist die Theorie, dass einheitliche Zuordnung zwischen Signal und Reaktion (d.h. GO-Signal immer ergibt sich in einer GO-Antwort und umgekehrt) führt eine automatische Verarbeitung im Laufe des Experiments so, dass die STOP-Studien teilweise bearbeitet Speicher abrufen und bestimmte executive Kontrollen umgeht. 8 , 9

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Technologie, die verwendet werden kann, kortikale Physiologie zu messen. Mit Einzel- und gepaart-Puls Stimulation Paradigmen, kann eine kortikale Erregbarkeit und Hemmung quantifizieren. Obwohl die meisten Studien von TMS kortikale Physiologie in Ruhe untersuchen, haben einige Gruppen untersucht kortikale Erregbarkeit/Hemmung während mentale Vorbereitung für Aktion10 und kognitive Zustände, die im Motor widergespiegelt werden können Kortex Physiologie. 11 , 12 , 13 , 14 dieser funktionale TMS (fTMS) Ansatz erfordert Online-TMS-Messungen während Teilnehmer Verhaltens Aufgaben durchführen, wodurch eine Sonde kortikale Veränderungen, sind Zustand-abhängige mit hoher zeitlicher Auflösung. Bereitstellung von Echtzeit-Informationen über neurophysiologische Veränderungen in einer solchen Weise erweitert die physiologische Untersuchung der Motorsteuerung15,16 und neuropsychiatrischen Bedingungen17,18, 19,20.

Vorherige fTMS Studien haben kortikale Mechanismen der Hemmung der Reaktion bei gesunden Erwachsenen mit GNG14 und SST Aufgaben15,16,21untersucht. Darüber hinaus zeigte eine Studie, dass eine einzelne Dosis von Methylphenidat motor kortikale Physiologie des gesunden Erwachsenen während eines Experiments fTMS/GNG verändert. 22 bis heute gibt es zwei Gruppen, die pädiatrische fTMS Studien mit GNG Aufgabe kortikale Physiologie der ADHS23 und Tourette-Syndrom17charakterisieren veröffentlicht haben. Derzeit gibt es keine veröffentlichten fTMS Studie mit SST in der pädiatrischen Population.

Ein kritisches Thema in fTMS Studien, viel stärker als Rest-allein TMS Studien ist Muskel-Artefakt. Standardisierte Oberfläche Elektromyographie (EMG) Maßnahmen der Amplitude und Latenz von Motor-evozierten Potentialen (MEP) müssen durch Muskel-Artefakt nicht kontaminiert werden. Also, müssen beispielsweise um kortikale Veränderungen in der Vorbereitung für eine Bewegung in einer Reaktionszeit-Studie zu untersuchen, TMS Impulse genau zeitlich werden nach dem GO-Signal aber vor individueller Reaktion auftreten. Jede Aufgabe ist es somit wichtig, um sicherzustellen, dass TMS Impulse zu einem Zeitpunkt auftreten wenn die motorische Reaktion noch nicht begonnen hat, und dass die Teilnehmer bequem und in der Lage, die relevanten Muskelmasse in Ruhe ist. Dies kann mit hyperkinetischen Kindern besonders problematisch sein, die überflüssige Bewegungen natürlich haben und wer kann ihren Arm und Hand angespannt in eine Reaktionszeit Spiel behalten.

Das Ziel der vorliegenden Studie ist eine Version des Slater-Hammel SST entwickeln, kinderfreundlich und geeignet für das Studium der primären motorischen Kortex (M1) Physiologie ist. Diese Aufgabe sollte für Kinder, 2) relativ einfach, für Kinder und 3) kompatibel mit Online-TMS abzuschließen (1) leicht verständlich sein.

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Protocol

Dieses Protokoll wurde von den Cincinnati Children Hospital Medical Center genehmigt und Johns Hopkins institutionelle Review Boards als ein minimales Risiko bei Kindern und Erwachsenen zu studieren. Einzel- und gepaart-Puls TMS gilt als sicher, bei Kindern 2 Jahre und älter pro internationale Experten Konsens. 24 nach der Erläuterung der potenziellen Risiken von TMS für Eltern/Erziehungsberechtigten und Teilnehmer, die Einwilligung und Zustimmung Formulare unterschrieben sind, wenn sie einverstanden sind, fahren mit dem Studium.

1. Screening und Einführung

  1. Bildschirm-Themen für TMS Contraindication(s) anhand eines standardisierten Fragebogens. 25
  2. Zeigen Sie, wie TMS funktioniert durch die Bereitstellung einer Magnetpuls über den Unterarm des Betreibers.
  3. Liefern Sie einen TMS-Impuls des Teilnehmers Unterarm so, dass er/Sie den Puls zu fühlen.
  4. Teilnehmers Ohren für Gehörschutz entgegenbringen Sie Ohrstöpsel.

2. Oberfläche EMG führen Setup und Positionierung der hand

  1. Haben Sie das Thema entführen den dominanten Zeigefinger um erste Membrana Rückenmuskel (FDI) zu identifizieren. Legen Sie die negative Elektrode über den Bauch der ADI, dann legen Sie die positive Elektrode zwischen 2Nd und 3rd metakarpo (MCP) Gelenke und die Masseelektrode über die 5th MCP-Gelenk.
  2. Positionieren des Teilnehmers Hände mit ulnaren Aspekte der beide Arme und Hände voll ruhen auf einem Kissen, ohne Anti-Schwerkraft-Aufwand erforderlich (Abbildung 1).
  3. Haben Sie die Teilnehmer die dominanten Zeigefinger zu verlängern, während die dritte-fünfte Finger gebeugt sind. Dann legen Sie eine game-Controller Pad auf dem Kissen, so dass der Zeigefinger auf die Schaltfläche für die Rennwagen-S-H-Aufgabe ruht. Die Gründe für diese Handhaltung ist, dass die GO-Aktion die Aktivierung der ADI erfordert, der Zeigefinger von der Schaltfläche Weg zu heben. Aufnahme EMG Ablaufverfolgung der dominanten ADI wird daher Sonde M1 Erregbarkeit und Hemmung für GO und Studien bzw. zu stoppen.

(3) Grundlinie TMS Datenerfassung

  1. Legen Sie die Aufnahmeparameter für MEP-Aufnahme - Low und High pass Filter von 100 bis 1000 Hz, Sampling-Rate von 2 kHz.
  2. Erhalten Sie Baseline-TMS-Messungen mit einer 90 mm Runden TMS Spule positioniert tangential an den Schädel über den Scheitelpunkt mit dem Griff in Richtung Hinterkopf an die optimale Position und Ausrichtung für die Herstellung von Abgeordnete in die richtige ADI durch folgende standard Protokoll. 26 diese Spule Position und Ausrichtung sollte ein Posterior-anterior Induktionsstrom über M1 produzieren.
    1. Verwenden Sie einen Wachs Stift, um die Kopfhaut Position zu markieren, sobald der Hotspot befand sich um sicherzustellen, dass die TMS-Puls-Lieferung an der gleichen kortikalen Region erfolgt.
  3. Führen Sie zwanzig Studien27 der Grundlinie Single-Puls (sp) TMS induzierte FDI Abgeordneten mit beiden Händen in Ruhe mit einer Intensität von 120 % des RMT.
  4. Führen Sie zwanzig Studien Grundlinie gepaart-Puls TMS Maßnahmen der M1 kurze Intervall intracortical Hemmung (SICI) in Ruhe mit inter-Stimulus-Intervall von 3 ms, 60 % * RMT als Konditionierung Puls, Intensität und 120 % RMT als Test-Impulsintensität M1 zu quantifizieren hemmenden GABA-A-ergic interneuronale Aktivität. 28 , 29 , 30 Intervall zwischen Testversion für Baseline-Messungen bei 6 ± 0,3 Sekunden.

4. S-H Verhaltens Aufgabe

  1. Anzeigen der Rennwagen S-H Reaktion Hemmung Aufgabe auf einem Monitor direkt vor dem Motiv. Starten Sie das Experiment durch erste Ausbildungsinhalte auf die Verhaltensstörungen Aufgabe. Sagen Sie zum Thema, dass das Auto auf der linken Seite des Monitors beginnen sich wird zu bewegen, nach dem Tastendruck durch Adduktion der dominanten Zeigefinger (Abbildung 2A).
  2. Teilen Sie den Beteiligten, dass das Ziel für GO Studien heben Sie den Finger so nah an, aber bevor die 800 ms Ziel, wie durch eine vertikale Linie auf dem Bildschirm dargestellt. Die Anzeige erscheint "Good Job" Finger Aufzüge tritt zwischen 700 und 800 ms, ansonsten zeigt es entweder "Zu früh" oder "Zu spät". Haben die Teilnehmer üben 10 GO Studien.
  3. Schulungen Sie für den STOP-Vorgang durch die Teilnehmer zu sagen, dass der zweite Satz von Studien umfasst das Auto nach dem Zufallsprinzip zu stoppen, bevor das Ziel von 800 ms.
    1. Sagen Sie, das Kind zu seinen Zeigefinger auf die Schaltfläche "ohne den Finger zu rühren, wenn das Auto nach dem Zufallsprinzip stoppt. Um in diesen STOP Studien erfolgreich zu sein, muss die Finger sur le bouton bleiben, bis ein Checker Flag zu sehen ist, programmiert ist, 1000 ms nach dem Start von jedem Prozess erscheinen. Informieren Sie die Teilnehmer, dass wenn Stoppsignal vorgestellt und Finger vor der Checker Flag aufgehoben, die "Zu früh" Meldung angezeigt wird. Sagen Sie dem Kind, dass eine "Große" nach erfolgreichen STOP versuchen Meldung.
    2. Haben Sie das Kind 10 STOP Studien zu üben.
      Hinweis: Das Programm hat einen dynamische Tracking-Algorithmus. In das eigentliche Experiment nach dem Training tritt der erste Stopp-Signal bei 500 ms Wenn der Teilnehmer nicht eine STOP-Studie, dann die nächste STOP-Studie es leichter wird (d.h. wird das STOP-Signal 50 ms Weg vom 800 ms Ziel verschieben). Wenn die STOP-Prüfung erfolgreich war, dann werden die nächste STOP-Studie jedoch schwieriger (d. h. das STOP-Signal wird 50 ms in Richtung des Ziels verschieben). Dieser dynamische Tracking-Prozess wird sichergestellt, dass bis zum Ende des gesamten Experiments, etwa 50 % der STOP Versuche erfolgreich sein wird, während die andere Hälfte fehlgeschlagene Versuche wäre. Das STOP-Signal ist programmiert, um zwischen 300 und 700 ms nach Beginn der Prüfung zu justieren.
  4. Nachdem die Teilnehmer nur für GO und STOP nur Prüfungen üben, sagen Sie ihnen, dass der nächste Praxis-Block eine Mischung aus GO und STOP-Studien enthält. Haben Sie das Kind 20 Studien von gemischten GO und STOP als ein letztes Training durchführen.

5. Online-S-H/TMS-experiment

  1. Bevor Sie beginnen Online-S-H/TMS-Experiment, erinnern die Teilnehmer Addukt (drücken) der dominanten Zeigefinger auf die Testphase zu starten, zu entführen (abheben) finger für GO Studien und halten Sie den Finger auf die Schaltfläche STOP Studien. Der Zeigefinger Adduktion wurde gewählt, um zu initiieren und Auto Bewegung während jeder Prüfung zu erhalten, denn zum Zeitpunkt der TMS Impulse (Abb. 2A und 2 b) die antagonistischen erste Membrana (FDI) Rückenmuskel, wo die EMG-Führung steht, wäre ruhen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Bewegung Artefakt in der FDI-Ablaufverfolgung.
  2. Sagen Sie des Teilnehmers, dass TMS Impulse während der S-H-Aufgabe zugestellt werden. Dem Thema anweisen, 3 Blocks vom Online-S-H TMS-Studien werden (3 gehen: 1 STOP-trial-Ratio).
    Hinweis: Während der GO Studien ist TMS Impuls programmiert, bei 650 ms nach dem Start von jeder Studie geliefert werden. Dieses Timing ist anfänglich ausgewählt basierend auf vorherige TMS-Studie zeigt, dass die Zunahme der M1 Erregbarkeit verbunden mit Bewegung Vorbereitung in diesem Bereich erfasst werden kann. 10 für STOP Studien wird TMS Impuls 150 ms nach dem Stoppsignal geliefert. In erfolgreiche STOP Studien hebt den Zeigefinger nicht vor dem Button daher der erfassten M1 Erregbarkeit kortikale Aktivität in Bezug auf Reaktion Hemmung statt Motor Vorbereitung oder Ausführung spiegelt.
  3. Legen Sie die 90 mm Runden Spule über den Scheitelpunkt mit früheren Wachs Bleistiftmarkierung bevorzugt dominant M1 zu stimulieren und die Klimaanlage Puls Intensität bis zu 60 % * RMT und Test Puls auf 120 % * RMT. Das Online-S-H/TMS-Experiment zu beginnen. Die benötigte Zeit Kinder, 120 Studien zu beenden ist in der Regel 30-40 Minuten.

(6) Rennwagen Slater-Hammel Verhaltensdaten

  1. Bestimmen Sie für GO Studien die Reaktionszeit als die Finger-Lift-Zeit relativ zum Anfang jeder Prüfung. Durchschnitt jeder Block. STOP-Studien bestimmt den Zeitpunkt der Finger-Lift Erfolg, während das Auto stop Signal-Zeit (d. h. stoppen Signalverzögerung; SSD) ist die Zeitspanne vom Beginn des Prozesses bis zu dem Punkt, wo das Auto nach dem Zufallsprinzip stoppt. Durch das dynamische Tracking-Verfahren konvergiert die Stop-Signal-Zeit auf einem ca. 50 % Erfolg/Versagen Durchschnitt.
  2. Berechnen der Stop Signal Reaktionszeit (SSRT) durch Subtraktion der Durchschnittszeit der Auto-Stop vom durchschnittlichen Finger heben mal an GO Studien (SSRT = durchschnittliche Reaktionszeit GO – durchschnittliche Stop Signal Zeit [d.h. SSD]). Im Durchschnitt der SSD von Block und eine SSRT für jeden Block zu berechnen.

(7) TMS-Datenverarbeitung

  1. TMS zu quantifizieren, bei jedem Versuch produziert Abgeordneter mit Spitze-Spitze-Amplitude in Millivolt gemessen. Studien für Bewegungsartefakte (EMG Flächen unter der Kurve größer als 70 Mikrovolt über 100 ms) vor der TMS Impuls auszuschließen.

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Representative Results

Regressionsanalyse erfolgt mit Hilfe einer kommerziellen Statistiksoftware, um Verhaltens- und neurophysiologische Daten separat zu analysieren. Die repräsentativen Daten ist von 23 in der Regel Kinder von Cincinnati und 15 aus Baltimore (25 männlich, 13 weiblich) zu entwickeln. Alter nicht unterscheiden zwischen Website (10,3 ± 1,3 Jahre für Cincinnati und 10,4 ± 1,2 Jahre für Baltimore; t-Test p = 0.74)

Wir haben ein Regressionsmodell um SSRT mit zunehmendem Alter als Kovariate zusammen mit Sex, Website (Cincinnati vs. Baltimore) und trial-Block als unabhängige Variablen zu analysieren. Interaktionen zwischen diesen Variablen wurden ebenfalls untersucht. Diese Analyse ergab, dass Alter die einzige Variable mit einen signifikanten Effekt auf SSRT war (p = 0,005).

Die TMS neurophysiologischen Daten war geprägt mit Peak to Peak MEP Amplitude als die abhängige Variable für die Regressionsanalyse. Während der Bewegung Zubereitung erhöht M1 Erregbarkeit bevor tatsächliche Bewegung auftritt. TMS-Studien haben gezeigt, dass diese Erhöhung der Erregbarkeit 100-140 ms vor Muskelkontraktion auftritt. 10 , 11 , 31 , 32 S-H dabei, die Zeit zwischen TMS Impuls und Finger-Lift für erfolgreiche STOP Studien ist immer größer als 150 ms (d.h. neueste möglich TMS Impuls erfolgt bei 850 ms und Finger heben > 1000 ms nach Beginn der Prüfung). In unserer Analyse sind wir interessiert kortikale Erregbarkeit und Hemmung im Zusammenhang mit motorische Reaktion Hemmung zu vergleichen. Da wir beim Vergleich aller drei verschiedene interessiert sind Aufgabe Bedingungen (GO, erfolgreiche STOP, gescheiterten Anschlag), analysierten wir Daten aus Studien, wenn die Zeit zwischen TMS Puls und Finger Aufzug mindestens 150 ms ist da MEP Amplitude über diesen Zeitraum hinaus nicht betroffen ist Bewegung-Vorbereitung. 10 , 11 , 31 , 32 somit war diese Wartezeit nicht in das Regressionsmodell als eine Kovariate enthalten. Für unsere Regressionsmodell haben wir Alter als eine Kovariate aufgenommen, weil es MEP Amplitude in der Kindheit beeinflusst. 33 unabhängigen Klassenvariablen für Modell enthalten Sex, Website, Test Block, TMS Puls Zustand (Single-vs. gepaart-Puls) und Testversion Zustand (GO, erfolgreiche STOP, gescheiterten Anschlag). Die primäre Interaktion von Interesse liegt zwischen TMS Puls Zustand und Testversion Zustand, weil wir wie M1 Erregbarkeit (Single-Puls TMS) und Hemmung (gepaart-Puls TMS) unterscheiden sich zwischen verschiedenen Aufgabenbedingungen interessiert sind.

Für MEP-Amplituden waren unabhängige Variablen Geschlecht, Ort und Testversion Block nicht signifikant in das Regressionsmodell. Alter war nicht als Kovariate in das Regressionsmodell signifikant (p = 0,28). Die TMS Impuls Zustand (p < 0,0001) und seine Wechselwirkung mit Testversion Zustand (p = 0.009) waren signifikant. Abbildung 3 zeigt Vertreter neurophysiologische Daten in verschiedenen Versuchsbedingungen mit kleinsten Quadrate bedeutet Schätzungen aus dem Regressionsmodell mit Fehlerbalken Vertretung Standardfehler berechnet. Alle paarweisen Vergleich von Single-Puls MEP Amplituden zwischen den drei Aufgabenbedingungen waren unbedeutend (false Discovery Rate [FDR] angepasst p > 0.05). Jedoch für den hemmenden gepaart-Puls-Abgeordneten, die Unterschiede zwischen gehen Fehler STOP (FDR angepasst, p = 0,009) und erfolgreiche vs. gescheiterten Anschlag (FDR angepasst, p = 0,03) waren signifikant. Der Vergleich der gepaart-Puls MEP Amplituden zwischen gehen und erfolgreiche STOP Versuche war nicht signifikant (FDR angepasst p = 0,56).

Figure 1
Abbildung 1: Hand und Finger Position während Aufgabe Rennwagen S-H. Beide Hände sind auf dem Kissen ruhte. Dominanten Zeigefinger wird erweitert und stützt sich auf eine Schaltfläche "Gamecontroller". Adduktion der dominanten Zeigefinger drückt den Knopf und jede Prüfung aktiviert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Trial Schaltpläne.
(A) gehen Sie Testversion Schaltplan. Dominanten Zeigefinger Adduktion auf Knopfdruck aktiviert das Auto über den Bildschirm bewegen. Teilnehmer werden erwartet, die Finger zwischen 700-800 ms nach Beginn des Prozesses um das Auto zu stoppen, aber vor dem Ziel 800 ms zu heben. TMS Impuls erhält bei 650 ms nach Testversion einsetzen.
(B) unter GO Studien durchsetzt sind STOP Studien, in denen Teilnehmer angewiesen wurden, Finger-Lift als Reaktion auf ein Stopp-Signal zu verhindern (z. B. Auto plötzlich aufhört zu einem bestimmten Zeitpunkt vor der 800 ms-Markierung). TMS Impulse wurden 150 Millisekunden nach dem Stoppsignal geliefert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3. MEP-Amplituden während Aufgabe Rennwagen S-H. MEP-Amplituden (in Millivolt) für M1-Einzel - und gepaart-Puls-TMS-Messungen sind für unterschiedliche Bedingungen dieser Online-S-H/TMS Aufgabe aufgetragen (GO, erfolgreiche STOP Fehler STOP). Kleinsten Quadrate meine Schätzungen aus der Regressionsanalyse berechnet für diese Zahl verwendet wurden. Fehlerbalken darzustellen Standardfehler berechnet aus dem Regressionsmodell. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Dieses Protokoll ist eine neuartige Methode der kinderfreundlichen ein Stopp-Signal Aufgabe und TMS veranstaltungsbezogenen kortikalen Hemmung untersuchen zu verbinden. Klinischer Beobachtung der motorischen hemmende Defizite und schlechte Leistung in Stop Signal Aufgaben in zahlreichen neuropsychiatric Bedingungen nachgewiesen. 3 relativ wenige Ermittler haben Online-fTMS verwendet, kortikale Erregbarkeit und Hemmung während der Reaktion Hemmung Aufgaben zu prüfen. Einige Gruppen haben erfolgreich TMS während GNG Aufgabe verwendet, um Unterschiede in der kortikalen Physiologie bei Kindern und Erwachsenen zu zeigen. 14 , 23 , 34 jedoch GNG Aufgabe optimal durchgeführt werden zu einem relativ schnellen Tempo dominant motorische Reaktion während der Aufgabe zu entlocken, so dass hemmende Kontrolle angemessen in Nogo Studien untersucht werden kann. 35 , 36 aus methodischer Sicht erlegt eine rasante GNG Aufgabe Schwierigkeiten für Online-fTMS Experimente wie Gerät Kondensatoren Zeit zum Aufladen für die nächste Stimulation Puls benötigt. Zum Beispiel braucht unsere monophasische Impuls erzeugen TMS-Gerät mindestens ein Inter Test Intervall von 4 Sekunden so schnelllebigen Online-TMS/GNG Experimente zu begrenzen. Darüber hinaus können zugrunde liegenden neuropsychiatrische oder Entwicklungsstörungen Erkrankungen Kinder rasante GNG Aufgaben beeinträchtigen. Ein Merkmal der Slater-Hammel Aufgabe ist, dass es Selbststudium ist und somit für die Integration von TMS Online-physiologische Messungen durchführen. 16 Coxon Et Al. verwendet eine Online-fTMS/Bezugsetzung-S-H-Aufgabe bei gesunden Erwachsenen um zu zeigen, dass kortikale Hemmung, gemessen an SICI, robuster während STOP als GO-Studien. Eine separate Online-fTMS/SST-Studie zeigten ähnliche Ergebnisse, dass M1 Erregbarkeit nach STOP Cue in erfolgreiche STOP Studien deutlich verringert. 15 Im Vergleich zu den Coxon fTMS/S-H-Protokoll16, haben wir zwei wesentliche Änderungen. Erstens haben wir die "Rennwagen" Version des S-H Stop Signal Aufgabe ansprechender für pädiatrische Teilnehmer geschaffen. Mit diesem Design, in der Regel entwickeln Kinder (Abbildung 3) und Menschen mit ADHS konnten (unveröffentlichte Daten) mindestens 120 Studien abschließen. Die andere Funktion, die wir in der Online-fTMS/S-H-Aufgabe eingebaut ist der dynamische Tracking-Algorithmus das Timing der Stopp-Signal so anpassen, dass STOP Testversion Erfolgsquote ~ 50 % am Ende des gesamten Experiments. Dies ist wichtig, weil dadurch Vergleiche der kortikalen Hemmung während erfolgreiche vs. erfolglose Versuche zu stoppen und beseitigt auch Aufgabenleistung als einer konfundierenden Variablen.

Single-Puls-Studien in diesem Protokoll erlauben die Untersuchung der kortikale Erregbarkeit während Bewegung Vorbereitung. Im Rahmen der Stopp-Signal Reaktion Hemmung Aufgabe sind wir jedoch auch interessiert M1 SICI während STOP Studien zu quantifizieren. Für SICI Quantifizierung, die Eingangssignale Konditionierung Impulsintensität Stimulation ist ein wichtiger experimenteller Parameter. Vorherige Studien belegen die Dosierung Wirkung der Konditionierung Puls Intensität auf SICI. 37 , 38 diese Studien zeigen, dass ein stärkerer Klimaanlage Puls tiefer SICI entlockt. Jedoch ist unser Labor früher 60 % * RMT als Konditionierung Puls Intensität SICI Unterschiede in der pädiatrischen Fallkontrollstudien TMS zu erkennen. 19 , 20 da diese Konditionierung Puls Intensität entlockt auch bedeutende M1 SICI29, benutzten wir 60 % * RMT zur Konditionierung Puls dabei fTMS/S-H.

Ein weiterer Faktor in SICI Quantifizierung zu berücksichtigen ist, dass Single-Puls MEP Amplitude induziert. Die durchschnittliche Single-Puls induzierte MEP Amplitude ist als der Nenner für die Berechnung der SICI Verhältnis verwendet. Diese Grundlinie Amplitude ist abhängig von verschiedenen Staaten wie Rest, Beobachtung/Bewegungsvorstellung, motor Vorbereitung sowie Test Impulsintensität Stimulation. 10 , 39 , In dieser Online-fTMS/S-H-Aufgabe sind 40 MEP Amplituden in der Regel 3 bis 4 Mal höher während des Vorgangs im Vergleich zum Rest der Ausgangszustand (Daten nicht gezeigt). In der ursprünglichen SICI Studie28zufolge die Autoren SICI weniger mit einem stärkeren Test Stimulus ist. Raw-Daten unterstützen diese Schlussfolgerung war jedoch nicht im Manuskript gezeigt. Nachfolgende Studien haben untersucht eine Reihe von Baseline Rest MEP Amplituden (0,2, 1 und 4 mV) und zeigte, dass die Grundlinie MEP Amplitude SICI nicht beeinflussen. 41 , 42 eine andere Studie untersuchte die Auswirkungen von motorischen Zustand (Rest, ipsilateral/kontralateralen isometrische Kontraktionen) und Test Puls Stimulation Intensitäten (90-150 % * RMT) auf SICI. 37 SICI ist weniger während Finger isometrische Kontraktion und variiert je nach Test Impulsintensität Stimulation. ANOVA wiederholt Maßnahmen identifiziert eine statistisch signifikante Wechselwirkung zwischen Zustand und Test Impulsintensität Stimulation jedoch nicht. Post-hoc-Analyse ergab, dass SICI während der kontralateralen isometrische Kontraktion signifikant für eine Reihe von Test-Puls-Stimulation-Intensitäten war (110, 120, 130 und 140 % des RMT). Natürlich hoher motor Schwellenwerte Kinder33es liegt ideal, um den Test Impulsintensität aufgrund möglicher TMS Hardwarebeschränkungen und Teilnehmer Komfort möglichst gering zu halten. Aus diesen Gründen wählten wir 120 % * RMT als die Impulsintensität Test. Diese Online-S-H/TMS-Aufgabe kann jedoch für noch jüngere Kinder konnten wir den Test Impulsintensität 105-110 % zu senken * RMT für zukünftige Experimente.

Eine mögliche Einschränkung dieses Protokolls ist, dass stärker, lauter TMS Impulse notwendig für Kinder ihre S-H Aufgabenleistung beeinträchtigen können. Es ist auch möglich, dass die durchschnittliche erhöhte Intensität der TMS Impulse kortikale Schaltungen stören könnten, so dass Reaktion Hemmung betroffen ist. Eine andere Möglichkeit ist, dass die stärkere Impuls lauter ist und Kinder während der Aufgabe ablenken könnte. Für zukünftige Experimente diese erneut auf diese Weise die Slater-Hammel-Aufgabe mit TMS Impulse geliefert bei ähnlichen Intensitäten über einer Region nicht in motorische Reaktion Hemmung getestet werden kann, oder eine Farce mit TMS Spule. Eine weitere Einschränkung ist die geringe Anzahl der STOP-Studien. Diese fTMS Aufgabe erfordert die Teilnehmer in 120 Studien dieser Anspruch nur 30 STOP Studien sind. Unser dynamisches Tracking-Algorithmus sollte dazu führen, dass eine Erfolgsquote von ca. 50 %. Daher gibt es nur 15 erfolgreiche und 15 erfolglose versuchen zur Analyse. Wenn erhebliche Bewegung Artefakt in einigen dieser Studien erkannt wird, dann tracing ist nicht für die Analyse und statistische Aussagekraft wird verringert. Dies ist wahrscheinlich wahr, wenn die Daten als jeder einzelne durchschnittliche MEP Amplitude für jede Testversion (, GO, Rastplatz) dargestellt werden. Mit Hilfe eines Statistikmodells Messwiederholungen, das Trial-Typ Abgeordneten basierend auf allen Prüfungen schätzt, wie wir es getan haben, können für mehr aussagekräftige Ergebnisse.

Zusammenfassend haben wir eine nicht-invasive, gut verträgliche und interaktive Methode zur Quantifizierung der kortikalen Hemmung um Unterschiede zu erkennen, während Reaktion Hemmung Aufgabe entwickelt. Dies kann weiter neuropsychiatrischen Bedingungen studieren kortikalen Hemmung bei Kindern angewendet werden. Es gibt zahlreiche Methoden der Erweiterung auf dieses Protokoll fTMS. Jüngste Studien haben zwei-Spule gekoppelt-Puls TMS Paradigmen verwendet, um kortikale Konnektivität während behavioral Tasks bei Erwachsenen zu studieren. 43 , 44 mit Neuronavigation, kann dieser Ansatz in der pädiatrischen Population zu untersuchen, die Auswirkungen der präfrontalen Knoten auf Reaktion Hemmung verlängert werden. Repetitive TMS (rTMS) bietet eine weitere Möglichkeit Gehirnregionen zu modulieren, die für die Hemmung der motorische Reaktionen von entscheidender Bedeutung sind. 43 , 45 , 46 im übrigen ist eine weitere mögliche zukünftige Anwendung dieses Protokolls gleichzeitige EEG, TMS evozierten kortikalen Potentiale-M1 Regionen47 kortikale Physiologie zugeordnete motorische Reaktion zu charakterisieren zu quantifizieren kombiniert mit Hemmung.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Studie wurde vom National Institute of Mental Health (R01MH095014) finanziert.

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).

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