Protocole de Stimulation magnétique transcrânienne en ligne pour mesurer la physiologie corticale associée à l’Inhibition de la réponse

Neuroscience

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Summary

Nous décrivons une procédure expérimentale afin de quantifier l’excitabilité et inhibition du cortex moteur primaire au cours d’une tâche de l’inhibition de réponse motrice à l’aide de Stimulation magnétique transcrânienne pendant toute la durée d’une tâche de Signal Stop.

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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

Les auteurs décrivent le développement d’une tâche d’inhibition de réponse motrice reproductible, respectueux de l’enfant adapté pour la caractérisation de la Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) en ligne de l’excitabilité du cortex moteur primaire (M1) et l’inhibition. Inhibition de la réponse motrice empêche les actions non désirées et est anormale dans plusieurs affections neuropsychiatriques. TMS est une technologie non invasive qui permet de quantifier M1 excitabilité et une inhibition à l’aide de protocoles seule et jumelé-impulsion et peut être précisément minutée afin d’étudier la physiologie corticale avec une haute résolution temporelle. Nous avons modifié la tâche originale de signal stop de Slater-Hammel (S-H) pour créer une version « voiture de course » avec des impulsions de TMS temps fermée à intra-essai des événements. Cette tâche est à progression autocontrôlée, à chaque ouverture du procès, après une poussée de bouton pour déplacer la voiture de course vers l’objectif de 800 ms. ALLER essais requièrent un doigt-ascenseur pour arrêter la voiture de course juste avant cet objectif. Intercalées au hasard sont des essais de STOP (25 %) au cours de laquelle le signal d’arrêt ajusté dynamiquement invite sujets pour empêcher le doigt-ascenseur. Pour les essais de GO, TMS impulsions ont été livrées à 650 ms après le début du procès ; considérant que, pour l’arrêt des essais, les impulsions TMS a eu lieu à 150 ms après le signal d’arrêt. Les minutages des impulsions TMS ont été décidées basé sur des études de l’électroencéphalographie (EEG) montrant les changements liés à l’événement dans ces plages horaires lors de tâches de signaux d’arrêt. Cette tâche a été étudiée en 3 blocs dans deux sites d’étude (n = 38) et nous avons enregistré la performance comportementale et liés aux événements des potentiels évoquée par le moteur (MEP). Modélisation de régression a été utilisée pour analyser les amplitudes MEP moyen âge comme covariable avec plusieurs variables indépendantes (sexe, étude de site, bloc, TMS impulsion condition [single-vs impulsions pairées], condition du procès [aller, arrêt réussi, n’a pas pu arrêter]). L’analyse a montré que les TMS impulsion condition (p < 0,0001) et son interaction avec la condition du procès (p = 0,009) étaient significatives. Les applications futures pour ce paradigme de S-H/TMS en ligne comprennent l’ajout d’acquisition simultanée d’EEG pour mesurer les potentiels de l’EEG évoquée par TMS. Une limitation potentielle est que chez les enfants, le bruit d’impulsion TMS pourrait affecter exécution des tâches comportementales.

Introduction

Inhibition de la réponse est la possibilité d’empêcher sélectivement les actions indésirables qui peuvent interférer avec les objectifs fonctionnels. 1 le réseau cortico-striataux critique participe à l’inhibition de réponse, qui progressivement gagne en efficacité en tant qu’enfants matures mais est altérée chez les nombreux troubles neuropsychiatriques tels que le déficit de l’attention hyperactivité) TDAH), schizophrénie, trouble obsessionnel-compulsif et troubles d’apprentissage. 2 , 3 l’inhibition de réponse de moteur peut être examinée avec différents paradigmes comportements tels que les tâches Go/NoGo (GNG) et le Signal d’arrêt (SST). 1 , 4 données comportementales seules ne fournissent pas d’informations sur les mécanismes biologiques potentiellement modifiables et quantifiables. L’objectif primordial dans la présente étude était de développer une méthode conviviale enfant afin d’évaluer la physiologie du cortex moteur pendant l’exécution de l’inhibition de la réponse, afin de développer un biomarqueur quantitatif axée sur le cerveau du substrat neural de cette tâche. Ces biomarqueurs pourraient avoir l’application large dans études prédictifs du pronostic ou le traitement des troubles neurocomportementaux.

À cet effet, les enquêteurs ont sélectionné et modifié la tâche de Slater-Hammel (S-H)5. Il s’agit d’une tâche de signal de stop qui exige des participants inhiber une action préprogrammée générée en interne. Cette tâche à progression autocontrôlée se compose d’essais GO et de STOP. ALLEZ essais sont entrepris par le sujet pressant et en maintenant la pression sur un bouton, avec l’instruction de lever le doigt sur le bouton (c.-à-d. GO action) aussi proche de, mais avant la cible de 800 ms. Dans le paradigme original, temps est affiché sur une horloge avec une main en rotation rapide. STOP essais sont disséminés au hasard parmi les essais de GO au cours de laquelle la personne doit inhiber l’action de GO pré-planifiées (c'est-à-dire empêcher ascenseur de doigt). La tâche de signal d’arrêt est plus difficile parce que les sujets ont d’inhiber une réponse dans le contexte d’un signal GO préprogrammé, considérant que la tâche GNG, la décision est de lancer ou pas entreprendre une action avec aucune commande préalable. 6 par ailleurs, il serait plus exact d’enquêter sur l’inhibition de réponse à l’aide de tâches de signaux d’arrêt car dans la tâche GNG, corrélations cohérentes entre le signal et réponses peuvent entraîner une inhibition automatique. 7 l’inhibition automatique est la théorie que compatible cartographie entre signal et la réponse (c.-à-d. signal GO toujours se traduit par une réponse GO et vice versa) conduit à un traitement automatique tout au long de l’expérience, telle que l’arrêt des essais sont partiellement traitées par récupération de la mémoire et permet de contourner certains contrôles exécutifs. 8 , 9

Stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est une technologie non invasive qui peut être utilisée pour mesurer la physiologie corticale. Utilisant des paradigmes de stimulation seule et jumelé-impulsion, on peut quantifier l’inhibition et l’excitabilité corticale. Bien que la plupart des études publiées de TMS étudier la physiologie corticale au repos, certains groupes ont examiné l’excitabilité/inhibition corticale pendant sa préparation mentale pour action10 et différents États cognitifs qui peuvent se refléter dans le moteur physiologie du cortex. 11 , 12 , 13 , 14 cette approche fonctionnelle de la TMS (fTMS) impose des mesures de TMS en ligne tandis que les participants effectuent des tâches comportementales, permettant ainsi une sonde corticale change qui sont dépendant de l’état avec une haute résolution temporelle. Fournissant des informations en temps réel sur les changements neurophysiologiques de manière élargit l’enquête physiologique du contrôle moteur15,16 et troubles neuropsychiatriques17,18, 19,20.

Études préalables fTMS ont exploré corticales mécanismes d’inhibition de la réponse chez les adultes en bonne santé à l’aide de GNG14 et SST tâches15,16,21. En outre, une étude a montré qu’une dose unique de méthylphénidate changé moteur physiologie corticale des adultes en bonne santé pendant une expérience de fTMS/GNG. 22 à ce jour, il y a deux groupes qui ont publié des études pédiatriques fTMS à l’aide de GNG tâche pour caractériser la physiologie corticale du TDAH23 et Syndrome de la Tourette,17. Il n’y a actuellement aucune étude publiée fTMS utilisant SST dans la population pédiatrique.

Une question essentielle dans les études de fTMS, dans une mesure beaucoup plus grande que les études TMS reste seul, est le muscle artefact. Mesures normalisées électromyographie (EMG) de l’amplitude et la latence de potentiels évoquée par le moteur (MEP) ne doivent pas être contaminés par les artéfacts musculaires. Ainsi, par exemple, afin d’étudier les modifications corticales en vue d’un mouvement dans une étude de temps de réaction, impulsions TMS doivent précisément chronométrées se produire après un signal GO mais avant le temps de réaction de l’individu. Ainsi, dans n’importe quelle tâche, il est essentiel de s’assurer que les TMS impulsions surviennent à un moment où la réponse motrice n’a pas encore commencé, et que le participant est confortable et capable de maintenir le muscle pertinent au repos. Cela peut être particulièrement problématique avec les enfants hyperkinétiques qui peuvent naturellement avoir des mouvements extérieurs et qui peuvent garder leurs bras et la main tendus pendant tout un temps de réaction jeu.

La présente étude vise à développer une version de la SST Slater-Hammel accueillantes et adapté pour l’étude de la physiologie du cortex moteur primaire (M1). Cette tâche devrait être 1) facilement compréhensible pour les enfants, 2) relativement faciles à remplir pour les enfants et 3) compatible avec TMS en ligne.

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Protocol

Ce protocole a été approuvé par le Cincinnati Children Hospital Medical Center et Johns Hopkins sur les commissions d’examen institutionnel comme un risque minime d’étude chez les enfants et les adultes. Single - et impulsions pairées TMS est considéré comme sans danger chez les enfants de 2 ans et plus par consensus des experts internationaux. 24 après avoir expliqué les risques de TMS au parent/tuteur et participant, le consentement et la sanction sont signés s’ils acceptent de procéder à l’étude.

1. dépistage et introduction

  1. Sujets d’écran pour TMS contraindication(s) à l’aide d’un questionnaire standardisé. 25
  2. Démontrer comment les TMS fonctionne en fournissant une impulsion magnétique sur l’avant-bras de l’opérateur.
  3. Fournir une impulsion TMS sur les avant-bras du participant afin qu’il/elle peut prendre le pouls.
  4. Placez les bouchons d’oreilles dans les oreilles du participant pour une protection auditive.

2. installation de plomb EMG de surface et de positionnement de la main

  1. Avoir le sujet enlèvent l’index dominante afin d’identifier le premier muscle interosseux dorsal (IED). Placer l’électrode négative sur le ventre de l’IED, puis placer l’électrode positive entre les 2ème et 3 articulations métacarpophalangiennes (MCP) derd et l’électrode de terre sur la 5ème MCP commune.
  2. Position des mains du participant ulnaire aspects des deux bras et mains reposant entièrement sur un oreiller, sans effort de l’anti-gravité requis (Figure 1).
  3. Ont le participant à étendre le doigt index dominant tandis que la troisième-5ème doigt est fléchis. Puis placez un coussin de contrôleur de jeu sur l’oreiller, alors que l’index s’appuie sur le bouton utilisé pour la tâche de S-H de voiture de course. La justification de cette position de la main, c’est que l’action de GO nécessite l’activation de l’IED pour lever l’index du bouton off. Par conséquent, enregistrement suivi EMG de l’IED dominante sera sonde M1 excitabilité et inhibition pour aller et STOP essais respectivement.

3. acquisition de données pour le TMS de base

  1. Définir les paramètres d’enregistrement pour l’enregistrement de MEP - bas et passe-haut filtres de 100 à 1000 Hz, fréquence d’échantillonnage de 2 kHz.
  2. Obtenir des mesures de TMS de base en utilisant une bobine de 90 mm TMS circulaire placée tangentiellement au crâne sur le vertex avec la poignée vers l’occiput à la position optimale et l’orientation pour produire un député dans l’IED droit suivant norme Protocole. 26 cette position de la bobine et l’orientation devraient produire un courant induit postéro-antérieure sur la M1.
    1. Utilisez un crayon de cire pour marquer l’emplacement du cuir chevelu, une fois que le hotspot a été localisé à veiller à ce que la prestation de pouls des TMS s’effectue à la même région corticale.
  3. Effectuer vingt essais27 de base seule impulsion (sp) TMS induite par les députés IED avec les deux mains au repos à l’aide d’une intensité de 120 % de la RMT.
  4. Effectuer vingt essais de mesures de référence impulsions pairées TMS de M1 inhibition intracortical court-intervalle (SICI) au repos, à l’aide de inter-stimulation intervalle de 3 ms, 60 % * RMT comme le conditionnement des impulsions intensité et 120 % RMT comme l’intensité des impulsions test pour quantifier M1 inhibiteur GABAA-ergic activité interneuronales. 28 , 29 , 30 régler l’intervalle inter du procès pour des mesures de base à 6 ± 0,3 secondes.

4. S-H tâches comportementales

  1. Affichez la tâche de l’inhibition de réponse Racecar S-H sur un moniteur directement en face de l’objet. Commencez l’expérience par les premiers sujets de formation sur les tâches comportementales. Dire le sujet que la voiture sur le côté gauche de l’écran vont commencer à se déplacer après que le bouton est enfoncé en adduction de l’index dominant (Figure 2 a).
  2. Dites aux participants que l’objectif pour les essais de GO est de lever le doigt aussi proche, mais avant les 800 ms ciblent tel que représenté par une ligne verticale sur l’écran. L’écran affichera « Good Job » en cas de doigt ascenseurs entre 700 et 800 ms, dans le cas contraire, il s’affiche « Trop tôt » ou « Trop tard ». Avoir le participant pratique 10 essais de GO.
  3. Une formation pour la tâche d’arrêter en disant les participants que la deuxième série d’essais implique la voiture s’arrêtant au hasard avant la cible de 800 ms.
    1. Dites à l’enfant de garder son doigt sur le bouton sans lever le doigt chaque fois que la voiture s’arrête au hasard. Pour réussir dans ces essais d’arrêt, le doigt doit rester sur la touche jusqu'à ce qu’un drapeau de vérificateur est vu qui est programmée pour apparaître 1000 ms après le début de chaque essai. Informer le participant que si signal d’arrêt est présenté et doigt est levé avant le drapeau de checker, un message « Trop tôt » s’affiche. Dites à l’enfant qu’un « Grand » message s’affichera après des essais réussis de STOP.
    2. Avoir l’enfant 10 essais d’arrêt de la pratique.
      NOTE : Le programme a un algorithme de suivi dynamique. Dans l’expérience réelle après la formation, le premier signal d’arrêt se produit, à 500 m, si le participant n’a pas un seul STOP essai, l’essai d’arrêt suivant sera plus facile (c.-à-d. le signal d’arrêt passera 50 ms loin de la cible de 800 ms). Toutefois, si le procès de STOP a réussi, puis le prochain procès de STOP sera plus difficile (c.-à-d. le signal d’arrêt passera 50 ms vers la cible). Ce processus de suivi dynamique s’assure que la fin de l’expérience entière, environ 50 % des essais STOP succès tandis que l’autre moitié serait des essais ayant échouées. Le signal d’arrêt est programmé pour ajuster entre 300 et 700 ms après le début du procès.
  4. Après que les participants pratiquent essais GO seule et STOP uniquement, leur dire que le prochain bloc pratique contienne un mélange de GO et l’arrêt des essais. Avoir l’enfant effectuer 20 essais de GO mixte et STOP comme une pratique finale.

5. en ligne S-H/TMS expérimenter

  1. Avant de commencer l’expérience en ligne de S-H/TMS, rappeler aux participants d’adduit (abaissez) l’index dominant pour commencer le procès, d’enlever (lift off) du doigt pour les essais de GO et garder le doigt sur le bouton pour arrêter les essais. L’adduction de doigt a été choisie pour initier et maintenir le mouvement de wagons au cours de chaque essai parce qu’au moment des impulsions TMS (Figure 2 a et 2 b), l’antagonistes premier interosseux (IED) muscle dorsal, où le plomb de l’EMG est placé, serait au repos, réduisant ainsi le risque d’artéfact de mouvement dans le traçage de l’IED.
  2. Dire le participant que TMS impulsions seront livrées au cours de la tâche de S-H. Indiquer l’objet qu’il y aura 3 pâtés de maisons des essais en ligne de S-H TMS (3 GO : 1 ratio du procès de l’arrêt).
    Remarque : Pendant les essais de GO, TMS impulsion est programmée pour être livré à 650 ms après le début de chaque essai. Cette chronologie est initialement choisie d’après étude préalable de TMS montrant qu’augmentation M1 excitabilité liés à la préparation du mouvement peut être capturée dans cette gamme. 10 essais pour arrêter, impulsion TMS est livrée 150 ms après le signal d’arrêt. Dans les essais STOP couronnés de succès, l’index n’exonère pas le bouton arrêt donc la M1 capturé excitabilité reflète l’activité corticale associée à réponse inhibition plutôt que moteur préparation ou la réalisation.
  3. Placez la bobine circulaire de 90 mm sur le vertex à l’aide de marque de crayon de cire précédente à préférentiellement stimuler M1 dominante et de fixer le conditionnement des impulsions intensité à 60 % * RMT et test de pouls à 120 % * RMT. Commencer l’expérience en ligne de S-H/TMS. Les enfants du temps requis pour terminer 120 essais est généralement 30 à 40 minutes.

6. racecar Slater-Hammel données comportementales

  1. Pour les essais de GO, déterminer le temps de réaction comme le doigt-lift temps par rapport au début de chaque essai. Moyenne de chaque bloc. Pour l’arrêt des essais, le temps de levage doigt détermine le succès, alors que la voiture arrêter le signal temps (c'est-à-dire arrêter Signal retard ; SSD) est l’intervalle de temps depuis le début du procès jusqu’au point où la voiture s’arrête au hasard. En raison du processus de suivi dynamique, l’heure d’arrêt signal converge vers une moyenne de réussite ou d’échec d’environ 50 %.
  2. Calculer le temps de réaction de Signal Stop (SSRT) en soustrayant le temps moyen d’arrêt de la voiture dès sa levée moyenne doigt sur les essais de GO (SSRT = temps de réaction moyen GO – heure de signal d’arrêt [c.-à-d. SSD] en moyenne). Tous le SSD en moyenne par bloc et calculer un SSRT pour chaque bloc.

7. TMS informatique

  1. Quantifier les TMS au cours de chaque essai produit un député à l’aide d’amplitude crête-crête mesuré en millivolts. Exclure les essais pour les artefacts de mouvement (aires EMG sous la courbe supérieure à 70 microvolts plus de 100 ms) avant le pouls TMS.

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Representative Results

Une analyse de régression est effectuée à l’aide d’un progiciel de statistiques commerciales d’analyser séparément les données comportementales et neurophysiologiques. Les données représentatives sont de 23 développement généralement des enfants de Cincinnati et 15 de Baltimore (25 mâle, femelle 13). Âge ne différait pas de site (10,3 ± 1,3 ans pour Cincinnati et 10,4 ± 1,2 ans pour Baltimore ; t test p = 0,74)

Nous avons utilisé un modèle de régression pour analyser SSRT avec l’âge comme covariable ainsi que sexe, site (Cincinnati vs Baltimore) et le bloc du procès comme variables indépendantes. Les interactions entre ces variables ont été également explorées. Cette analyse a révélé que l’âge était la seule variable avec un effet significatif sur SSRT (p = 0,005).

Les données neurophysiologiques de TMS a été caractérisées en utilisant l’amplitude de crête à crête MEP comme variable dépendante pour une analyse de régression. Au cours de la préparation du mouvement, excitabilité M1 augmente avant le mouvement réel. TMS ont démontré que cette augmentation de l’excitabilité se produit 100-140 ms avant la contraction musculaire. 10 , 11 , 31 , 32 dans cette tâche de S-H, le temps entre les impulsions TMS et doigt-ascenseur pour essais réussis de STOP est toujours supérieur à 150 ms (c.-à-d. dernière impulsion possible de TMS se retrouve à 850 ms et ascenseur doigt se produit > 1000 ms après le début du procès). Dans notre analyse, nous sommes intéressés à comparer l’excitabilité corticale et inhibition liée à l’inhibition de la réponse motrice. Puisque nous sommes intéressés à comparer ces trois différentes tâches conditions (GO, succès STOP, STOP défaillant), nous avons analysé des données provenant d’essais quand le temps entre TMS pulse et doigt élévateur est au moins 150 ms parce que l’amplitude de la MEP au-delà de ce délai n’est pas affectée par préparation du mouvement. 10 , 11 , 31 , 32 cette latence temps a donc pas inclus dans le modèle de régression comme covariable. Pour notre modèle de régression, nous avons inclus l’âge comme covariable parce qu’il affecte l’amplitude MEP dans l’enfance. 33 les variables de classe indépendante pour le modèle inclus sexe, site, bloc du procès, TMS impulsion condition (single-vs impulsions pairées) et état du procès (STOP aller, avec succès, STOP a échoué). L’interaction primaire d’intérêt est entre TMS impulsion condition et l’état du procès parce que nous nous intéressons à la différence entre le M1 excitabilité (seule impulsion TMS) et l’inhibition (impulsions pairées TMS) entre les conditions de travail différentes.

Pour les amplitudes MEP, le sexe de variables indépendantes, le site et le bloc du procès n’étaient pas significatifs dans le modèle de régression. Âge n’était pas significative comme covariable dans le modèle de régression (p = 0,28). Le TMS d’impulsion condition (p < 0,0001) et son interaction avec la condition du procès (p = 0,009) étaient significatives. La figure 3 illustre représentant neurophysiologiques données dans différentes conditions d’essai à l’aide de la méthode des moindres carrés les estimations calculées à partir du modèle de régression avec des barres d’erreur qui représente les écarts-types. Toutes les comparaisons par paires des amplitudes MEP seule impulsion entre les conditions de trois travail étaient négligeables (fausse découverte de régler le taux [FDR] p > 0,05). Toutefois, pour les députés européens les impulsions pairées inhibiteurs, les différences entre les deux aller vs n’a pas de STOP (FDR ajusté p = 0,009) et réussie contre l’arrêt ayant échoué (FDR ajusté p = 0,03) étaient significatives. La comparaison des amplitudes MEP impulsions pairées entre GO et essais réussis de STOP n’était pas significative (FDR ajusté p = 0,56).

Figure 1
Figure 1 : position de main et des doigts au cours de la tâche de la voiture de course S-H. Les deux mains sont reposés sur l’oreiller. Dominante index est étendue et s’appuie sur un bouton de contrôleur de jeu. Adduction de l’index dominante déprime le bouton et active de chaque essai. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Schéma de procès.
(A) Voir schéma du procès. Doigt dominant adduction vers un bouton active la voiture pour se déplacer dans l’écran. Les participants devraient lever le doigt entre 700 à 800 ms après le début de l’essai d’arrêter la voiture proche de, mais avant la cible de 800 ms. TMS impulsion est donnée à 650 ms après le début du procès.
(B) intercalées entre les essais de GO sont les essais d’arrêt au cours de laquelle les participants devaient empêcher doigt-ascenseur en réponse à un signal d’arrêt (c'est-à-dire voiture s’arrête brusquement à un certain moment avant que la marque 800 ms). Impulsions TMS ont été livrées à 150 ms après le signal d’arrêt. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Les amplitudes MEP au cours de la tâche de la voiture de course S-H. Amplitudes MEP (en millivolts) pour les mesures de TMS M1 seule et jumelé-impulsion sont tracées pour différentes conditions de cette tâche en ligne de S-H/TMS (GO, arrêt réussi, n’a pas de STOP). Moindres carrés signifie estimations calculées à partir de l’analyse de régression ont été utilisées pour cette figure. Barres d’erreur représentent les erreurs-types calculés à partir du modèle de régression. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Ce protocole est une nouvelle méthode adaptée aux enfants de combiner une tâche de signal stop et TMS pour examiner l’inhibition corticale liés à l’événement. L’observation clinique des déficits inhibiteurs moteurs et une piètre performance dans les tâches de signaux d’arrêt ont été démontrés dans nombreuses affections neuropsychiatriques. 3 relativement peu de chercheurs ont utilisé des fTMS en ligne afin d’examiner l’excitabilité corticale et inhibition au cours des tâches de l’inhibition de réponse. Certains groupes ont utilisé avec succès les TMS au cours de la tâche GNG pour montrer les différences dans la physiologie corticale chez les enfants et les adultes. 14 , 23 , 34 Toutefois, tâche GNG devrait idéalement être menée relativement vite rythme pour susciter une réponse motrice dominant tout au long de la tâche afin que le contrôle inhibiteur peut être examiné adéquatement dans les essais de Nogo. 35 , 36 du point de vue méthodologique, une tâche rapide de GNG impose des difficultés pour des expériences en ligne fTMS comme les condensateurs de l’appareil ont besoin de temps pour recharger pendant l’impulsion suivante de stimulation. Par exemple, nos impulsions monophasiques dispositif TMS de génération a besoin d’au moins un intervalle inter du procès de 4 secondes, limitant ainsi les expériences TMS/GNG en ligne rapide. En outre, troubles neuropsychiatriques ou de développement sous-jacents peuvent affecter capacité des enfants à accomplir une tâche GNG trépidante. Une caractéristique de la tâche de Slater-Hammel est qu’elle est au rythme du participant et permet ainsi l’intégration de TMS pour effectuer des mesures physiologiques en ligne. 16 Coxon et coll. a utilisé une tâche en ligne de S-H fTMS/clockhand chez les adultes en bonne santé pour montrer que l’inhibition corticale, telle que mesurée par SICI, est plus robuste lors d’arrêt que les essais de GO. Une étude distincte en ligne fTMS/SST a montré des résultats similaires en ce que M1 excitabilité diminue de manière significative après STOP cue en essais réussis de STOP. 15 Par rapport au protocole de fTMS/S-H Coxon16, nous avons fait deux modifications importantes. Tout d’abord, nous avons créé la version « voiture de course » de S-H arrêt signal tâche qui est plus attrayant pour les participants pédiatriques. À l’aide de cette conception, développant typiquement enfants (Figure 3) et ceux atteints de TDAH (données non publiées) ont pu compléter au moins 120 essais. L’autre caractéristique que nous avons construit dans la tâche de fTMS/S-H en ligne est l’algorithme de suivi dynamique pour régler la synchronisation du signal d’arrêt telles que les taux de réussite de l’essai STOP est environ 50 % à la fin de l’expérience entière. Ceci est important car il permet des comparaisons de l’inhibition corticale pendant réussi vs infructueuse STOP essais et élimine également l’exécution des tâches comme une variable confusionnelle.

Seule impulsion essais dans ce protocole permettent l’étude de l’excitabilité corticale au cours de la préparation du mouvement. Toutefois, dans le cadre de la tâche de l’inhibition de réponse de signal stop, nous nous intéressons également à quantifier SICI M1 au cours de l’arrêt des essais. Pour la quantification de SICI, l’une intensité de stimulation des impulsions de conditionnement est un paramètre expérimental important. Des études préalables ont documenté l’effet dosage du conditionnement intensité sur SICI d’impulsion. 37 , 38 ces études montrent qu’une forte impulsion de conditionnement suscite SICI plus profonde. Cependant, notre laboratoire a historiquement utilisé 60 % * RMT comme le conditionnement des impulsions intensité de déceler des différences dans les études pédiatriques de TMS castémoins SICI. 19 , 20 car ce conditionnement d’impulsions intensité suscite aussi importante M1 SICI29, nous avons utilisé 60 % * RMT pour le conditionnement du pouls dans cette tâche de fTMS/S-H.

Un autre facteur à considérer dans la quantification de SICI est la seule impulsion provoquée par l’amplitude de la MEP. L’amplitude moyenne des MEP induite en seule impulsion est utilisé comme dénominateur pour le calcul du ratio SICI. Cette amplitude de référence dépend de différents États comme reste, observation/imagerie motrice, préparation moteur mais aussi que de l’intensité de stimulation des impulsions test. 10 , 39 , 40 dans cette tâche de fTMS/S-H en ligne, les amplitudes MEP sont généralement 3 à 4 fois supérieures au cours de la tâche par rapport à l’état de repos initial (données non présentées). À l’origine SICI étude28, les auteurs ont indiqué que SICI est moins avec un stimulus de test plus fort. Toutefois, les données brutes étayant cette conclusion ne figurait pas dans le manuscrit. Des études ultérieures ont examiné un éventail des amplitudes de base reste MEP (mV 0.2, 1 et 4) et a montré que l’amplitude de référence MEP n’affectait pas SICI. 41 , 42 une autre étude a examiné les effets de condition moteur (repos, contractions isométriques ipsilatéral/controlatéral) et des intensités de stimulation impulsion test (90-150 % * RMT) sur SICI. 37 SICI est inférieur au cours de la contraction isométrique doigt et variée selon l’intensité de la stimulation des impulsions test. Toutefois, les mesures répétées ANOVA n’a pas identifié une interaction significative entre l’intensité de stimulation impulsion condition et test. Analyse post-hoc a montré que SICI lors d’une contraction isométrique controlatérale est important pour une gamme d’intensités de stimulation impulsion test (110, 120, 130 et 140 % de la RMT). En raison des seuils moteurs naturellement élevés en enfants33, il est idéal pour garder l’intensité des impulsions test aussi bas que possible en raison d’éventuelles limitations matérielles TMS et le confort des participants. Pour ces raisons, nous avons choisi 120 % * RMT comme l’intensité des impulsions test. Toutefois, cette tâche de S-H/TMS en ligne pourrait être applicable aux enfants encore plus jeunes si nous devions baisser l’intensité des impulsions test à 105-110 % * RMT pour de futures expériences.

Une des limites potentielles du présent protocole est que plus fortes, plus fortes TMS impulsions nécessaires pour les enfants peuvent affecter leurs performances de tâche de S-H. Il est également possible que l’intensité moyenne accrue des impulsions TMS pourrait perturber les circuits corticaux telle que l’inhibition de la réponse est affectée. Une autre possibilité est que l’impulsion plus forte est plus forte et pourrait distraire les enfants au cours de la tâche. Pour de futures expériences, cela peut être testé en re-faisant la tâche de Slater-Hammel avec TMS impulsions envoyées à des intensités similaires dans une région non impliquée dans l’inhibition de la réponse motrice ou bobine de TMS à l’aide d’une imposture. Une autre limitation est le faible nombre d’essais d’arrêt. Cette tâche de fTMS nécessite les participants compléter les 120 essais, de ces seuls 30 sont des essais de STOP. Notre algorithme de suivi dynamique devrait se traduire par un taux de réussite d’environ 50 % ; par conséquent, il y a seulement 15 réussies et 15 essais infructueux pour analyse. Si artéfacts de mouvement important est détecté dans certains de ces essais, puis traçage n’est pas inclus pour analyse et puissance statistique est diminuée. C’est probablement le cas si les données sont représentées comme amplitude MEP moyenne de chaque individu pour chaque type d’essai (repos, aller, STOP). À l’aide d’un modèle statistique de mesures répétées qui évalue les députés trial-type basées sur tous les essais, comme nous l’avons fait, peut permettre des résultats plus significatifs.

En conclusion, nous avons développé une méthode non invasive, bien tolérée et interactive pour quantifier l’inhibition corticale pour détecter des différences au cours de la tâche de l’inhibition de réponse. Ceci peut être appliqué à la suite des troubles neuropsychiatriques pour étudier l’inhibition corticale chez les enfants. Il existe de nombreuses méthodes d’expansion sur ce protocole de fTMS. Des études récentes ont utilisé des paradigmes TMS impulsions pairées deux bobines pour étudier la connectivité corticale au cours de tâches comportementales chez l’adulte. 43 , 44 à l’aide de neuronavigation, cette approche peut être étendue à la population pédiatrique pour examiner les effets des nœuds préfrontal sur l’inhibition de la réponse. TMS répétitive (SMTr) offre une autre option pour moduler les régions du cerveau qui sont essentielles pour l’inhibition des réponses motrices. 43 , 45 , 46 par ailleurs, une autre application future potentielle est combinant ce protocole avec EEG simultané pour quantifier les potentiels corticaux évoquée par TMS dans non-M1 régions47 pour caractériser la physiologie corticale associée à réponse motrice inhibition.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Cette étude a été financée par le 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

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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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