Protocollo di stimolazione magnetica transcranica online per misurare la fisiologia corticale associata con l'inibizione di risposta

Neuroscience

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Summary

Descriviamo una procedura sperimentale per quantificare l'eccitabilità e l'inibizione della corteccia motoria primaria durante un'attività di inibizione di risposta motoria utilizzando la stimolazione magnetica transcranica nel corso di un'attività di segnale di 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

Descriviamo lo sviluppo di un'attività di inibizione di risposta motoria riproducibile, adatti indicato per la caratterizzazione di stimolazione magnetica transcranica (TMS) online di eccitabilità della corteccia motoria primaria (M1) e di inibizione. Inibizione di risposta motoria impedisce azioni indesiderate ed è anormale in parecchie circostanze neuropsichiatriche. TMS è una tecnologia non invasiva che può quantificare M1 eccitabilità e inibizione utilizzando protocolli di singolo e accoppiare-impulso e può essere perfettamente sincronizzata di studiare la fisiologia corticale con elevata risoluzione temporale. Abbiamo modificato l'attività di segnale di stop Slater-Hammel (S-H) originale per creare una versione di "macchina da corsa" con impulsi TMS eventi tempo-bloccata a intra-prova. Questo compito è autogestito, con ogni avvio di prova dopo un pulsante per spostare la macchina da corsa verso l'obiettivo di 800 ms. ANDARE a prove richiedono un dito-lift per fermare la macchina da corsa poco prima di questo obiettivo. Disseminati casualmente sono prove di STOP (25%) durante il quale il segnale di stop dinamicamente regolato richiede soggetti per prevenire dito-lift. Per le prove di GO, impulsi TMS sono stati consegnati alle 650 ms dopo l'inizio di prova; considerando che, per le prove di STOP, gli impulsi TMS si è verificato 150 ms dopo il segnale di stop. Gli intervalli di tempo degli impulsi TMS sono stati decisi basata sugli studi di elettroencefalografia (EEG) che indicano cambiamenti legati all'evento in questi intervalli di tempo durante le attività di segnale di stop. Questo compito è stato studiato in 3 blocchi a due siti di studio (n = 38) e abbiamo registrato prestazioni comportamentali e potenziali Motore-evocati evento-correlati (MEP). Modellazione di regressione era usato per analizzare le ampiezze MEP utilizzando età come covariata con più variabili indipendenti (sesso, studio sito, blocco, impulsi TMS condizione [single-vs accoppiare-impulso], condizioni di prova [GO, fermata di successo, non è riuscito STOP]). L'analisi ha mostrato che la TMS impulsi condizione (p < 0,0001) e la sua interazione con condizioni di prova (p = 0,009) erano significativi. Future applicazioni per questo paradigma S-H/TMS online includono l'aggiunta di acquisizione simultanea di EEG per misurare potenziali EEG TMS-evocati. Un potenziale limite è che nei bambini, il suono di impulso TMS poteva influenzare le prestazioni di attività comportamentali.

Introduction

L'inibizione di risposta è la capacità di impedire in modo selettivo tali azioni indesiderate che possono interferire con scopi funzionali intesi. 1 la rete cortico-striatale criticamente è coinvolto nell'inibizione di risposta, che progressivamente diventa più efficiente come figli a maturare, ma è alterata in numerose condizioni neuropsichiatriche come disordine di iperattività di deficit di attenzione ( ADHD), schizofrenia, disturbo ossessivo-compulsivo e disturbi di apprendimento. 2 , 3 l'inibizione di risposta del motore può essere esaminato con diversi paradigmi comportamentali ad esempio Go/NoGo (GNG) e segnale di Stop di attività (SST). 1 , 4 dati comportamentali da solo non fornisce informazioni sui meccanismi biologici potenzialmente modificabili, quantificabili. L'obiettivo del presente studio era quello di sviluppare un metodo amichevole bambino per valutare la fisiologia della corteccia motoria durante l'esecuzione di inibizione di risposta, al fine di sviluppare un cervello-based biomarcatore quantitativo del substrato neurale di questo compito. Tali biomarcatori potrebbero avere ampia applicazione nel trattamento dei disturbi neurocomportamentali o studi predittivi di prognosi.

Per questo scopo, i ricercatori hanno selezionato e modificato il compito di Slater-Hammel (S-H)5. Si tratta di un compito di segnale di stop che richiede ai partecipanti di inibire un'azione pre-programmata generata internamente. Questa attività di autoapprendimento è costituito da prove sia GO e STOP. Vai prove vengono avviate dal soggetto premendo e mantenendo la pressione su un pulsante, con l'istruzione per sollevare il dito dal pulsante (cioè GO azione) più vicino possibile, ma prima della destinazione di 800 ms. Nel paradigma originale, ora è indicata su un orologio con una mano rapida rotazione. Prove di STOP in modo casuale sono sparpagliate tra GO prove durante il quale la persona deve inibire l'azione di GO pre-pianificata (cioè impedire ascensore dito). L'attività di segnale di stop è più difficile perché soggetti hanno inibire una risposta nel contesto di un segnale GO pre-programmato, mentre nel compito GNG, la decisione è se avviare o non avviare un'azione senza precedenti comandi. 6 inoltre, può essere più accurata per indagare l'inibizione di risposta tramite attività di segnale di stop perché nell'attività GNG coerente correlazioni tra segnale e risposte possono provocare l'inibizione automatica. 7 l'inibizione automatica è la teoria che coerenza mapping tra segnale e risposta (cioè GO segnale sempre si traduce in una risposta GO e viceversa) porta ad un'elaborazione automatica durante tutto il corso dell'esperimento, tale che le prove di STOP sono parzialmente elaborati tramite il recupero di memoria e consente di ignorare determinati controlli esecutivi. 8 , 9

Stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una tecnologia non invasiva che può essere usata per misurare la fisiologia corticale. Utilizzando paradigmi di stimolazione impulso singolo e in coppia, uno può quantificare l'inibizione e l'eccitabilità corticale. Sebbene più studi pubblicati di TMS studiare fisiologia corticale a riposo, alcuni gruppi hanno esaminato eccitabilità/inibizione corticale durante la preparazione mentale per azione10 e durante gli stati cognitivi diversi che possono essere riflesse nel motore fisiologia di corteccia. 11 , 12 , 13 , 14 questo approccio funzionale di TMS (FTM) richiede misure TMS in linea mentre i partecipanti eseguono mansioni comportamentistiche, così permettendo ad uno di sonda corticale cambia che sono stato-dipendenti con elevata risoluzione temporale. Fornendo informazioni in tempo reale sui cambiamenti neurofisiologici in un tal modo amplia l'indagine fisiologica di controllo motore15,16 e condizioni neuropsichiatriche17,18, 19,20.

FTMS precedenti studi hanno esplorato meccanismi corticali di inibizione di risposta negli adulti sani utilizzando GNG14 e SST compiti15,16,21. Inoltre, uno studio ha mostrato che una singola dose di metilfenidato cambiato fisiologia motoria corticale di adulti sani durante un esperimento di FTM/GNG. 22 fin qui, ci sono due gruppi che hanno pubblicato gli studi pediatrici fTMS utilizzando task GNG per caratterizzare la fisiologia corticale di ADHD23 e la sindrome di Tourette17. Attualmente, non esiste nessuno studio pubblicato fTMS utilizzando SST nella popolazione pediatrica.

Un problema critico negli studi di FTM, in misura molto maggiore rispetto agli studi TMS resto da solo, è muscolo artefatto. Misure standardizzate elettromiografia di superficie (EMG) di ampiezza e latenza da potenziali Motore-evocati (MEP) non devono essere contaminati da artefatto del muscolo. Così, ad esempio, per studiare i cambiamenti corticali in preparazione per un movimento in uno studio di tempo di reazione, TMS impulsi devono essere perfettamente sincronizzati si verifichi dopo un segnale di andare, ma prima del tempo di reazione di un individuo. Così in qualsiasi attività, è fondamentale per garantire che gli impulsi TMS che si verificano in un momento quando la risposta di motore non è ancora iniziata, e che il partecipante sia confortevole e in grado di mantenere il relativo muscolo a riposo. Questo può essere particolarmente problematico con bambini hyperkinetic che naturalmente possono avere movimenti estranei e che possono mantenere il loro braccio e la mano tesa per tutto un tempo di reazione gioco.

L'obiettivo del presente studio è quello di sviluppare una versione del SST Slater-Hammel che è adatti ai bambini e adatto per lo studio della fisiologia della corteccia motoria primaria (M1). Questo compito dovrebbe essere 1) facilmente comprensibile per i bambini, 2) relativamente facili da completare per bambini e 3) compatibile con TMS online.

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Protocol

Questo protocollo è stato approvato dai Hospital Medical Center bambini di Cincinnati e Johns Hopkins Institutional Review Boards come un rischio minimo di studio nei bambini e negli adulti. Singolo e accoppiare-impulso TMS è considerato come sicuro nei bambini di 2 anni e più vecchi al consenso di esperti internazionale. 24 dopo aver spiegato i rischi potenziali di TMS al genitore/tutore e partecipante, consenso e assenso moduli sono firmati se acconsentono a procedere con lo studio.

1. screening e introduzione

  1. Soggetti di schermo per TMS contraindication(s) utilizzando un questionario standardizzato. 25
  2. Dimostrare il funzionamento di TMS fornendo un impulso magnetico sopra l'avambraccio dell'operatore.
  3. Forniscono un impulso TMS rispetto dell'avambraccio del partecipante in modo che lui/lei può sentire il polso.
  4. Posizionare i tappi per le orecchie nelle orecchie del partecipante per la protezione dell'udito.

2. configurazione di piombo di EMG di superficie e posizionamento della mano

  1. Avere il soggetto rapire il dito indice dominante per identificare il primo muscolo interosseous dorsale (FDI). Posizionare l'elettrodo negativo sopra la pancia degli investimenti diretti esteri, quindi posizionare l'elettrodo positivo tra 2nd e 3 giunti metacarpophalangeal (MCP) dird e l'elettrodo di terra sopra il 5th MCP giunto.
  2. Posizionare le mani del partecipante con aspetti ulnare di armi sia e le mani appoggiate completamente su un cuscino, con nessuno sforzo di anti-gravità richiesto (Figura 1).
  3. Che il partecipante estendere il dito indice dominante, mentre le dita di terzo-quinto sono flesse. Quindi posizionare un pad controller di gioco sul cuscino in modo che il dito indice poggia sul pulsante utilizzato per l'attività di S-H di auto da corsa. La spiegazione razionale per questa posizione della mano è che l'azione di GO richiede l'attivazione di IED per sollevare il dito indice dal pulsante. Di conseguenza, registrazione traccia di EMG del FDI dominante sonda M1 eccitabilità e inibizione per GO e STOP prove rispettivamente.

3. acquisizione di dati TMS baseline

  1. Impostare i parametri di registrazione per la registrazione di MEP - basso e passa alto filtri di 100 e 1000 Hz, frequenza di campionamento di 2 kHz.
  2. Ottenere misurazioni di TMS base usando una bobina di TMS circolare 90 mm posizionata tangenzialmente al cranio sopra il vertice con il manico rivolto verso l'occipite alla posizione ottimale e orientamento per la produzione di un deputato della destra degli investimenti diretti esteri dal seguente standard protocollo. 26 questa bobina posizione e l'orientamento dovrebbe produrre una corrente indotta posteriore-anteriore sopra M1.
    1. Utilizzare una matita di cera per contrassegnare la posizione di cuoio capelluto una volta che l'hotspot è stato individuato per garantire che la consegna di impulsi TMS si verifica alla stessa regione corticale.
  3. Eseguire venti prove27 di baseline single-pulse (sp) TMS ha indotto i deputati FDI con entrambe le mani a riposo utilizzando un'intensità del 120% del RMT.
  4. Eseguire venti prove delle misure della linea di base accoppiare-impulso TMS inibizione intracorticale breve intervallo da M1 (SICI) a riposo utilizzando intervallo di Inter-stimolo di 3 ms, 60% * RMT come il condizionamento di impulso intensità e 120% RMT come l'intensità di stimolazione di prova per quantificare M1 inibitorio GABAA-attività interneuronale ergic. 28 , 29 , 30 impostare l'intervallo Inter-trial per misurazioni di base a 6 ± 0,3 secondi.

4. S-H attività comportamentali

  1. Visualizzare l'attività di inibizione di risposta Racecar S-H su un monitor direttamente davanti al soggetto. Iniziare l'esperimento di prima formazione soggetti nell'attività comportamentali. Dire il soggetto che l'auto sul lato sinistro del monitor inizierà a muoversi dopo che viene premuto il pulsante di adduzione del dito indice dominante (Figura 2A).
  2. Dire ai partecipanti che l'obiettivo per le prove di GO è di sollevare il dito più vicino possibile ma prima di 800 ms destinazione come raffigurato da una linea verticale sullo schermo. Verrà visualizzata la schermata "Buon lavoro" in caso di dito ascensori tra 700 e 800 ms, in caso contrario verrà visualizzato sia "Troppo presto" o "Troppo tardi". Hanno il partecipante pratica 10 GO prove.
  3. Fornire una formazione per l'attività STOP raccontando i partecipanti che la seconda serie di prove comporta l'auto in modo casuale sosta prima della destinazione di 800 ms.
    1. Dire al bambino di tenere il dito indice sul pulsante senza sollevare il dito quando l'automobile si arresta in modo casuale. Per avere successo in queste prove di STOP, il dito deve rimanere sul pulsante fino a quando una bandiera a scacchi è visto che è programmato per apparire 1000 ms dopo l'inizio di ogni prova. Informare il partecipante che, se segnale di arresto è presentato e viene alzato il dito prima la bandiera a scacchi, verrà visualizzato un messaggio "Troppo presto". Dire al bambino che verrà visualizzato un messaggio di "Grande" dopo sperimentazioni di successo STOP.
    2. Avere il bambino pratica 10 STOP prove.
      Nota: Il programma ha un algoritmo di rilevamento dinamico. Nell'esperimento effettivo dopo l'allenamento, il primo segnale STOP si verifica a 500 ms se il partecipante non è una prova di arresto, quindi la prossima prova di arresto sarà più facile (cioè il segnale di STOP si sposterà 50 ms distante dal target 800 ms). Tuttavia, se il processo di arresto è stato completato, la prossima prova di arresto sarà più difficile (cioè il segnale di STOP si sposterà 50 ms verso il bersaglio). Questo processo di rilevamento dinamico assicura che entro la fine dell'intero esperimento, circa il 50% delle prove STOP sarà successo mentre l'altra metà sarebbe fallite prove. Il segnale di STOP è programmato per regolare tra 300 e 700 ms dopo l'inizio della prova.
  4. Dopo i partecipanti messa in pratica solo STOP e GO-solo prove, dire loro che il prossimo blocco di pratica contiene una miscela di prove GO e STOP. Avere il bambino eseguire 20 prove di GO misto e STOP come una pratica finale.

5. online esperimento S-H/TMS

  1. Prima di iniziare la linea S-H/TMS esperimento, ricordare al partecipante di addotto (spingere verso il basso) al dito indice dominante per iniziare la prova, per rapire (sollevare) dito per prove di GO e tenere il dito sul pulsante per le prove di arresto. L'adduzione del dito indice è stato scelto per iniziare e mantenere il movimento dell'automobile durante ogni prova perché al momento degli impulsi TMS (Figura 2A e 2B), l'antagonista primo muscolo interosseous dorsale (IED), dove il cavo EMG è disposto, sarebbe riposo, riducendo così la probabilità di artefatto movimento nel ricalco FDI.
  2. Raccontare il partecipante che impulsi TMS saranno consegnati durante l'attività di S-H. Indicare il soggetto che ci saranno 3 blocchi di prove online TMS S-H (3 Vai: 1 rapporto di prova di STOP).
    Nota: Durante le prove di GO, impulsi TMS sono programmato per essere consegnati alle 650 ms dopo l'inizio di ogni prova. Questa temporizzazione è inizialmente scelti basati su previo studio TMS mostrando che aumento di eccitabilità M1 connesso con preparazione di movimento possa essere catturato in questa gamma. 10 prove per arrestare, impulsi TMS viene consegnato 150 ms dopo il segnale di stop. In sperimentazioni di successo STOP, il dito indice non sollevare il pulsante quindi M1 catturato riflette eccitabilità corticale attività legate alla risposta inibizione anziché motore preparazione o esecuzione.
  3. Posizionare la bobina circolare di 90 mm sopra il vertice utilizzando precedente segno a matita cera preferenzialmente stimolano dominante M1 e impostare il condizionamento intensità al 60% di impulso * RMT e prova impulso al 120% * RMT. Iniziare l'esperimento di S-H/TMS online. I bambini del tempo necessario per finire 120 prove è generalmente 30-40 minuti.

6. racecar Slater-Hammel dati comportamentali

  1. Per le prove di GO, è possibile determinare il tempo di reazione come il dito-alzano il tempo relativo all'inizio di ogni prova. Media ogni blocco. Per le prove di STOP, il dito-alzano il tempo determina il successo, considerando che l'auto fermare il segnale tempo (cioè ritardo segnale Stop; SSD) è l'intervallo di tempo dall'inizio della prova fino al punto dove l'automobile si arresta in modo casuale. A causa del processo di tracciabilità dinamica, il tempo di fermata segnale converge verso una media di successo/fail ~ 50%.
  2. Calcolare il tempo di reazione di segnale Stop (SSRT) sottraendo il tempo medio di auto-stop dal tempo ascensore dito medio sulle prove di GO (SSRT = tempo medio di reazione GO – fermata segnale tempo [cioè SSD] medio). Media di tutte le unità SSD da blocco e calcolare un SSRT per ogni blocco.

7. elaborazione dati TMS

  1. Quantificare la TMS durante ogni processo produsse un MEP utilizzando picco-picco di ampiezza misurata in millivolt. Escludere le prove per artefatti di movimento (aree di EMG sotto la curva superiore a 70 microvolts oltre 100 ms) prima l'impulso TMS.

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Representative Results

Analisi di regressione viene eseguita utilizzando un pacchetto commerciale software statistici per analizzare i dati comportamentali e neurophysiologic separatamente. I dati del rappresentante sono da 23 bambini da Cincinnati e 15 da Baltimora (25 maschio, femmina 13) con sviluppo tipico. Età non hanno differito fra sito (10,3 ± 1,3 anni per Cincinnati e 10,4 ± 1,2 anni per Baltimora; t test p = 0.74)

Abbiamo usato un modello di regressione per analizzare SSRT con l'età come covariata insieme sesso, sito (Cincinnati vs Baltimora) e blocco di prova come variabili indipendenti. Interazioni tra queste variabili inoltre sono state esplorate. Questa analisi ha rivelato che l'età era l'unica variabile con un effetto significativo sulla SSRT (p = 0,005).

I dati neurofisiologici di TMS è stati caratterizzati mediante picco-a-picco di ampiezza MEP come la variabile dipendente per l'analisi di regressione. Durante la preparazione del movimento, M1 eccitabilità aumenta prima movimento effettivo si verifica. TMS studi hanno dimostrato che questo aumento di eccitabilità si verifica 100-140 ms prima contrazione del muscolo. 10 , 11 , 31 , 32 in questo compito di S-H, il tempo tra impulsi TMS e dito-lift per sperimentazioni di successo STOP è sempre maggiore di 150 ms (cioè impulsi TMS possibili più recenti si trova a 850 ms e ascensore dito verifica > 1000 ms dopo l'inizio della prova). Nella nostra analisi, siamo interessati a confronto di eccitabilità corticale e inibizione collegato con inibizione di risposta motoria. Dal momento che siamo interessati a confronto tutti e tre differenti attività conditions (GO, successo STOP, STOP non riuscita), abbiamo analizzato i dati dalle prove, quando il tempo tra TMS impulso e dito ascensore è almeno 150 ms perché ampiezza MEP oltre questo lasso di tempo non è influenzata da preparazione del movimento. 10 , 11 , 31 , 32 pertanto questa latenza di tempo non è stato incluso nel modello di regressione come covariata. Per il nostro modello di regressione, abbiamo incluso età come covariata perché colpisce ampiezza MEP nell'infanzia. Variabili di classe indipendente di 33 per il modello incluso sesso, sito, blocco di prova, condizione di impulsi TMS (singolo-vs accoppiare-impulso) e condizioni di prova (Vai, successo STOP, STOP non riuscita). L'interazione primaria di interesse è tra TMS impulso stato e condizione di prova perché siamo interessati a come M1 eccitabilità (single-pulse TMS) e inibizione (accoppiare-impulso TMS) differiscono tra condizioni delle diverse attività.

Per ampiezze MEP, il sesso di variabili indipendenti, il sito e il blocco di prova non erano significative nel modello di regressione. Età non era significativa come covariata nel modello di regressione (p = 0.28). Condizione di impulso TMS (p < 0,0001) e la sua interazione con condizioni di prova (p = 0,009) erano significativi. La figura 3 Mostra rappresentante neurophysiologic dati in condizioni di prova diverse utilizzando i minimi quadrati: stime calcolate dal modello di regressione con barre di errore che rappresentano gli errori standard. Tutti i confronti pairwise delle ampiezze MEP single-pulse tra le condizioni di tre attività erano insignificanti (falso scoperta tasso [FDR] regolato p > 0.05). Tuttavia, per i deputati di accoppiare-impulso inibitori, le differenze tra andare vs fallito STOP (FDR regolata p = 0,009) e successo vs STOP non riuscita (FDR regolata p = 0,03) erano significativi. Il confronto delle ampiezze MEP accoppiare-impulso tra GO e sperimentazioni di successo STOP non era significativo (FDR regolata p = 0,56).

Figure 1
Figura 1: posizione di mano e dito durante attività di racecar S-H. Entrambe le mani sono riposate sul cuscino. Dito indice dominante è esteso e poggia su un pulsante del controller di gioco. Adduzione del dominante dito indice preme il pulsante e si attiva ogni prova. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Schemi di prova.
(A) andare prova schematica. Adduzione di dominante dito indice su un tasto si attiva la macchina per muoversi attraverso lo schermo. I partecipanti sono tenuti a sollevare il dito tra le 700-800 ms dopo l'inizio della prova per fermare la macchina vicino a ma prima della destinazione di 800 ms. TMS impulso alle 650 ms dopo l'inizio di prova.
(B) intercalati tra GO prove sono prove di arresto durante il quale i partecipanti sono stati incaricati di prevenire dito-ascensore in risposta a un segnale di arresto (vale a dire auto improvvisamente si ferma a un certo punto prima che il marchio 800 ms). Gli impulsi TMS sono stati consegnati 150 ms dopo il segnale di stop. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3. Ampiezze MEP durante attività di racecar S-H. Ampiezze MEP (in millivolt) per M1 singolo e coppia-misure - pulse TMS sono tracciate per le diverse condizioni di questo compito S-H/TMS online (GO, STOP riuscito, fallito STOP). Minimi quadrati significa stime calcolate dall'analisi di regressione sono state usate per questa figura. Barre di errore rappresentano errori standard calcolati dal modello di regressione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Questo protocollo è un nuovo metodo di bambino-amichevole di combinare un compito di segnale di stop e TMS per esaminare inibizione corticale correlate all'evento. Osservazione clinica del deficit inibitorio del motore e prestazioni scarse nei compiti di segnale di stop sono stati dimostrati in numerose condizioni neuropsichiatriche. 3 relativamente pochi ricercatori hanno usato gli FTM online per esaminare eccitabilità corticale e inibizione durante le attività di inibizione di risposta. Alcuni gruppi hanno utilizzato con successo TMS durante attività di GNG per mostrare le differenze nella fisiologia corticale nei bambini e negli adulti. 14 , 23 , 34 tuttavia, compito GNG dovrebbe idealmente essere condotta a un relativamente veloce ritmo di suscitare prepotent risposta motoria in tutta l'attività affinché il controllo inibitorio può essere adeguatamente esaminato negli studi di Nogo. 35 , 36 dal punto di vista metodologico, una frenetica attività GNG impone difficoltà per gli FTM online esperimenti come condensatori dispositivo richiedono tempo per ricaricare le batterie per il successivo impulso di stimolazione. Ad esempio, nostro monofasica impulso elettromagnetico TMS ha bisogno di almeno un inter-prova intervalli di 4 secondi limitando così frenetico esperimenti TMS/GNG online. Inoltre, sottostanti disturbi neuropsichiatrici o inerente allo sviluppo possono influenzare la capacità dei bambini di completare un'attività frenetica di GNG. Una caratteristica dell'attività Slater-Hammel è che esso è autogestito e così permette integrazione di TMS per condurre misure fisiologiche online. 16 Coxon et al. utilizzato un online compito S-H fTMS/clockhand in adulti sani per mostrare che l'inibizione corticale, come misurato da SICI, è più robusto durante la sosta che prove di GO. Uno studio separato online fTMS/SST ha mostrato risultati simili in quanto M1 eccitabilità diminuisce in modo significativo dopo STOP cue in sperimentazioni di successo STOP. 15 Rispetto al Coxon protocollo fTMS/S-H16, abbiamo fatto due modifiche significative. In primo luogo, abbiamo creato la versione di "macchina da corsa" dell'attività di segnale di stop S-H che è più coinvolgenti per i partecipanti pediatrici. Utilizzando questa struttura, in genere lo sviluppo di bambini (Figura 3) e quelli con ADHD (dati non pubblicati) sono riusciti a completare almeno 120 prove. L'altra caratteristica che abbiamo costruito nell'attività online fTMS/S-H è l'algoritmo di rilevamento dinamico per regolare la temporizzazione del segnale di arresto che il tasso di successo trial STOP è ~ 50% alla fine dell'intero esperimento. Questo è importante perché permette comparazioni di inibizione corticale durante successo vs infruttuoso arrestare prove ed elimina anche le prestazioni di attività come una variabile di confusione.

Single-pulse prove in questo protocollo consentono lo studio dell'eccitabilità corticale durante la preparazione del movimento. Tuttavia, nel contesto dell'attività di inibizione di fermata segnale risposta, siamo anche interessati a quantificare M1 SICI durante le prove di arresto. Per la quantificazione di SICI, il photocoagulation intensità di stimolazione degli impulsi di condizionamento è un importante parametro sperimentale. Precedenti studi hanno documentato l'effetto di dosaggio del condizionamento intensità su SICI di impulso. 37 , 38 questi studi indicano che un più forte impulso condizionata suscita più profonda SICI. Tuttavia, il nostro laboratorio usato storicamente 60% * RMT come il condizionamento intensità per rilevare le differenze SICI in studi caso-controllo per TMS pediatrici di impulso. 19 , 20 poiché questo condizionamento intensità di impulso suscita anche significativi M1 SICI29, abbiamo usato il 60% * RMT per il condizionamento di impulso in questa attività gli FTM/S-H.

Un altro fattore da considerare nella quantificazione di SICI è che indotto il single-pulse ampiezza MEP. L'ampiezza media del MEP single-pulse indotto viene utilizzato come il denominatore per il calcolo del rapporto SICI. Questa ampiezza di previsione dipende dai diversi Stati come resto, osservazione/immaginazione motoria, preparazione motore, nonché test di stimolazione di un impulso. 10 , 39 , 40 in questo compito gli FTM/S-H online, ampiezze MEP sono in genere 3 o 4 volte maggiore durante l'attività rispetto alla condizione di riposo della linea di base (dati non mostrati). Nell'originale SICI Studio28, gli autori hanno dichiarato che SICI è minore con un più forte stimolo di prova. Tuttavia, dati raw a sostegno di questa conclusione non è stati indicati nel manoscritto. Successivi studi hanno esaminato una gamma di ampiezze di base resto MEP (mV 0,2, 1 e 4) e ha mostrato che l'ampiezza della linea di base MEP non ha colpito SICI. 41 , 42 un altro studio ha esaminato gli effetti della condizione motore (resto, contrazioni isometriche ipsilateral/controlaterale) e intensità di stimolazione di prova impulso (90-150% * RMT) su SICI. 37 SICI è minore durante la contrazione isometrica dito e varia a seconda dell'intensità di stimolazione di prova impulso. Tuttavia, misure ripetute ANOVA non ha identificato un'interazione statisticamente significativa tra intensità di stimolazione di impulso di condizione e test. Analisi post-hoc ha mostrato che SICI durante la contrazione isometrica controlaterale era significativa per una gamma di intensità di stimolazione di prova impulso (110, 120, 130 e 140% di RMT). A causa di soglie motore naturalmente elevate in bambini33, è ideale per mantenere l'intensità di stimolazione di prova più basso possibile a causa di potenziali limitazioni di hardware TMS e comfort dei partecipanti. Per queste ragioni, abbiamo scelto il 120% * RMT come l'intensità di stimolazione di prova. Tuttavia, questa attività di S-H/TMS online potrebbe essere applicabile ai bambini anche più piccoli eravamo rimasti per abbassare l'intensità di stimolazione di prova a 105-110% * RMT per futuri esperimenti.

Uno dei potenziale limiti di questo protocollo è che più forti, più forti impulsi TMS necessari per i bambini possono influenzarne le prestazioni di attività di S-H. È anche possibile che la media maggiore intensità degli impulsi TMS potrebbe interrompere circuiti corticali tale che l'inibizione di risposta è influenzata. Un'altra possibilità è che l'impulso più forte è più forte e potrebbe distrarre i bambini durante l'attività. Per gli esperimenti futuri, questo può essere testato da ri-fare il compito di Slater-Hammel con impulsi TMS consegnati a intensità simile su una regione non coinvolta nell'inibizione di risposta motoria, o utilizzando una farsa della bobina di TMS. Un'altra limitazione è il basso numero di prove di arresto. Questo compito di fTMS richiede ai partecipanti di completa 120 prove, di questi solo 30 sono prove di arresto. Il nostro algoritmo di rilevamento dinamico dovrebbe provocare un tasso di successo del ~ 50%; di conseguenza, ci sono solo 15 prove infruttuosa successo e 15 per l'analisi. Se artefatto movimento significativo è rilevato in alcune di queste prove, quindi l'analisi non è incluso per analisi e potere statistico è diminuito. Questo è probabilmente vero se i dati sono rappresentati come ampiezza media di MEP di ogni individuo per ogni tipo di prova (resto, GO, STOP). Utilizzando un modello statistico di misure ripetute che stima i deputati di processo-tipo basati su tutte le prove, come abbiamo fatto, può consentire risultati più significativi.

In conclusione, abbiamo sviluppato un metodo non invasivo, ben tollerato e interattivo per quantificare l'inibizione corticale per rilevare differenze durante attività di inibizione di risposta. Questo può essere applicato a seguito di circostanze neuropsichiatriche di studiare l'inibizione corticale nei bambini. Ci sono numerosi metodi di espansione su questo protocollo di FTM. Recenti studi hanno utilizzato paradigmi TMS accoppiare-impulso di due-bobina per studiare connettività corticale durante attività comportamentali negli adulti. 43 , 44 utilizzando Neuronavigazione, questo approccio può essere esteso alla popolazione pediatrica per esaminare gli effetti dei nodi prefrontali su inibizione di risposta. TMS ripetitiva (rTMS) fornisce un'altra opzione per modulare le regioni del cervello che sono critiche per l'inibizione di risposte motorie. 43 , 45 , 46 peraltro, un'altra potenziale applicazione futura sta combinando questo protocollo con simultanea EEG per quantificare i potenziali corticali TMS-evocati in non-M1 regioni47 per caratterizzare la fisiologia corticale associata con risposta motoria inibizione.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Questo studio è stato finanziato dal 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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