Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تثبيط الكمون القصير (SAI) هو بروتوكول تحفيز مغناطيسي عبر الجمجمة لاستكشاف التكامل الحسي الحركي. توضح هذه المقالة كيف يمكن استخدام الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة لدراسة الحلقات الحسية الحركية المتقاربة في القشرة الحركية أثناء السلوك الحسي الحركي.

Abstract

تعتمد القدرة الحركية الماهرة على دمج الفاعلية الحسية بكفاءة في الأوامر الحركية المناسبة. يوفر التثبيط الوارد أداة قيمة لاستكشاف التأثير الإجرائي والتقريري على التكامل الحسي الحركي أثناء الإجراءات الحركية الماهرة. تصف هذه المخطوطة منهجية ومساهمات تثبيط وارد قصير الكمون (SAI) لفهم التكامل الحسي الحركي. يحدد الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة تأثير الكرة الطائرة الواردة المتقاربة على الناتج الحركي القشري الشوكي الذي يثيره التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS). يتم تشغيل الطائرة الواردة عن طريق التحفيز الكهربائي للعصب المحيطي. يتم توصيل محفز TMS إلى موقع فوق القشرة الحركية الأولية التي تثير استجابة موثوقة مستحثة بمحرك في عضلة يخدمها هذا العصب الوارد. يعكس مدى التثبيط في الاستجابة المستحثة الحركية حجم الكرة الطائرة الواردة المتقاربة على القشرة الحركية وتتضمن مساهمات GABAergic المركزية والكولينية. إن المشاركة الكولينية في الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة تجعل من الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة علامة محتملة للتفاعلات الإجرائية التصريحية في الأداء الحسي الحركي والتعلم. في الآونة الأخيرة ، بدأت الدراسات في التلاعب بالاتجاه الحالي TMS في الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة لإثارة الأهمية الوظيفية للدوائر الحسية الحركية المتميزة في القشرة الحركية الأولية للإجراءات الحركية الماهرة. عززت القدرة على التحكم في معلمات النبض الإضافية (على سبيل المثال ، عرض النبض) باستخدام معلمة النبض الحديثة التي يمكن التحكم فيها TMS (cTMS) من انتقائية الدوائر الحسية الحركية التي تم فحصها بواسطة محفز TMS ووفرت فرصة لإنشاء نماذج أكثر دقة للتحكم الحسي الحركي والتعلم. لذلك ، تركز المخطوطة الحالية على تقييم الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة باستخدام cTMS. ومع ذلك ، فإن المبادئ الموضحة هنا تنطبق أيضا على الأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة التي يتم تقييمها باستخدام محفزات TMS التقليدية ذات عرض النبضة الثابتة وغيرها من أشكال تثبيط الوارد ، مثل تثبيط الوارد طويل الكمون (LAI).

Introduction

تتلاقى الحلقات الحسية الحركية المتعددة في القشرة الحركية لتشكيل نتوءات المسالك الهرمية للخلايا العصبية الحركية الشوكية والخلايا العصبية البينية1. ومع ذلك ، فإن كيفية تفاعل هذه الحلقات الحسية الحركية لتشكيل الإسقاطات القشرية الشوكية والسلوك الحركي تظل سؤالا مفتوحا. يوفر تثبيط وارد قصير الكمون (SAI) أداة لاستكشاف الخصائص الوظيفية للحلقات الحسية الحركية المتقاربة في إخراج القشرة الحركية. يجمع SAI بين التحفيز المغناطيسي القشري الحركي عبر الجمجمة (TMS) والتحفيز الكهربائي للعصب الوارد المحيطي المقابل.

TMS هي طريقة غير جراحية لتحفيز الخلايا العصبية الحركية الهرمية بأمان عبر المشبكي في الدماغ البشري 2,3. يتضمن TMS تمرير تيار كهربائي كبير وعابر عبر سلك ملفوف يوضع على فروة الرأس. تخلق الطبيعة العابرة للتيار الكهربائي مجالا مغناطيسيا سريع التغير يحفز تيارا كهربائيا في الدماغ4. في حالة وجود محفز TMS واحد ، ينشط التيار المستحث سلسلة من المدخلات المثيرة للخلايا العصبية الحركية الهرمية 5-7. إذا كانت قوة المدخلات المثيرة المتولدة كافية ، فإن النشاط الهابط يثير استجابة عضلية معاكسة تعرف باسم الجهد المثار بالمحرك (MEP). يعكس زمن انتقال MEP وقت التوصيل الحركيالقشري 8. سعة MEP فهرسة استثارة الخلايا العصبية القشريةالشوكية 9. يمكن أيضا أن يسبق تحفيز TMS الفردي الذي يثير MEP محفز تكييف10،11،12. يمكن استخدام نماذج النبض المزدوج هذه لفهرسة تأثيرات تجمعات الخلايا العصبية الداخلية المختلفة على الناتج القشري الشوكي. في حالة الأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة ، يتم استخدام محفز التكييف الكهربائي المحيطي للتحقق من تأثير الكرة الطائرة الواردة على استثارة القشرة الحركية11،13،14،15. يعمل التوقيت النسبي لتحفيز TMS والتحفيز الكهربائي المحيطي على محاذاة عمل محفز TMS على القشرة الحركية مع وصول الإسقاطات الواردة إلى القشرة الحركية. بالنسبة ل SAI في عضلات الطرف العلوي البعيد ، يسبق التحفيز العصبي المتوسط عادة تحفيز TMS بمقدار 18-24 مللي ثانية11،13،15،16. في الوقت نفسه ، يزداد الجهاز الأعلى للرقابة المالية مع زيادة قوة الكرة الطائرة الواردة الناتجة عن التحفيز المحيطي13،17،18.

على الرغم من ارتباطه القوي بالخصائص الخارجية للإسقاط الوارد إلى القشرة الحركية ، فإن SAI هي ظاهرة مرنة متورطة في العديد من عمليات التحكم في المحركات. على سبيل المثال ، يتم تقليل SAI في العضلات ذات الصلة بالمهمة قبل حركة وشيكة 19،20،21 ولكن يتم الاحتفاظ بها في التمثيلات الحركية المجاورة غير ذات الصلةبالمهمة 19،20،22. يفترض أن الحساسية لملاءمة المهمة تعكس آلية تثبيط المحيط23 التي تهدف إلى تقليل توظيف المستجيب غير المرغوب فيه. في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح أن الانخفاض في الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة في المستجيب ذي الصلة بالمهمة قد يعكس ظاهرة بوابات مرتبطة بالحركة مصممة لقمع الحدة الحسية المتوقعة21 وتسهيل التصحيحات أثناء التخطيط والتنفيذ الحسي24. بغض النظر عن الدور الوظيفي المحدد ، يرتبط الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبي بالتخفيضات في البراعة اليدوية وكفاءة المعالجة25. يرتبط الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة المتغير أيضا بزيادة خطر السقوط لدى كبار السن 26 وضعف الوظيفة الحسية الحركية في مرض باركنسون26،27،28 والأفراد الذين يعانون من خلل التوتر العضليالبؤري 29.

تشير الأدلة السريرية والدوائية إلى أن المسارات المثبطة التي تتوسط SAI حساسة للتعديل الكوليني المركزي30. على سبيل المثال ، فإن إعطاء مضادات مستقبلات الأسيتيل كولين المسكارينية سكوبولامين يقلل من SAI31. في المقابل ، فإن زيادة عمر النصف للأسيتيل كولين عبر مثبطات الأسيتيل كولينستراز يعزز SAI32,33. تمشيا مع الأدلة الدوائية ، فإن الجهاز التنفسي المحاسبي حساس للعديد من العمليات المعرفية مع المشاركة الكولينية المركزية ، بما في ذلك الإثارة 34 ، والمكافأة35 ، وتخصيص الانتباه21،36،37 ، والذاكرة38،39،40. يتم تغيير SAI أيضا في السكان السريريين الذين يعانون من عجز معرفي مرتبط بفقدان الخلايا العصبية الكولينية ، مثل مرض الزهايمر41،42،43،44،45،46،47 ، مرض باركنسون (مع ضعف إدراكي معتدل)48،49،50 ، وضعف إدراكي معتدل 47 ،51,52. يشير التعديل التفاضلي ل SAI بواسطة مختلف البنزوديازيبينات ذات الصلات التفاضلية لمختلف أنواع الوحدات الفرعية لمستقبلات حمض γ أمينوبتيريك من النوع A (GABAA) إلى أن المسارات المثبطة للأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة تختلف عن المسارات التي تتوسط أشكالا أخرى من تثبيط النبض المزدوج30. على سبيل المثال ، يقلل لورازيبام من SAI ولكنه يعزز تثبيط القشرة قصيرة الفاصل الزمني (SICI)53. يقلل الزولبيديم من SAI ولكن له تأثير ضئيل على SICI53. يزيد الديازيبام من SICI ولكن له تأثير ضئيل على الجهاز الأعلى للرقابةالمالية والمحاسبة 53. أدى الانخفاض في SAI بواسطة هذه المعدلات الخيفية الإيجابية لوظيفة مستقبلات GABAA ، إلى جانب ملاحظة أن GABA يتحكم في إطلاق الأسيتيل كولين في جذع الدماغ والقشرة54 ، إلى الفرضية القائلة بأن GABA يعدل المسار الكوليني الذي يمتد إلى القشرة الحسية الحركية للتأثير على SAI55.

في الآونة الأخيرة ، تم استخدام الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة للتحقيق في التفاعلات بين الحلقات الحسية الحركية التي تحدد عمليات التحكم الحركي الإجرائية وتلك التي تعمل على مواءمة العمليات الإجرائية مع الأهداف الصريحة من أعلى إلى أسفل وعمليات التحكم المعرفي21،36،37،38. تشير المشاركة الكولينية المركزية في الجهاز الأعلى للرقابةالمالية والمحاسبة 31 إلى أن الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة قد يفهرس تأثيرا تنفيذيا على التحكم الحسي الحركي الإجرائي والتعلم. الأهم من ذلك ، بدأت هذه الدراسات في تحديد التأثيرات الفريدة للإدراك على دوائر حسية حركية محددة من خلال تقييم الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة باستخدام اتجاهات تيار TMS المختلفة. عادة ما تستخدم دراسات الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة التيار الخلفي الأمامي (PA) المستحث ، في حين أن عددا قليلا فقط من دراسات الأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة قد استخدم التيار الأمامي الخلفي (AP)المستحث 55. ومع ذلك ، فإن استخدام TMS للحث على AP مقارنة بتيار PA أثناء تقييم SAI يجند دوائر حسية حركية متميزة16,56. على سبيل المثال ، يتم تغيير الدوائر الحسية الحساسة ل AP ، ولكن ليست حساسة للسلطة الفلسطينية ، عن طريق تعديل المخيخ37,56. علاوة على ذلك ، يتم تعديل الدوائر الحسية الحساسة ل AP ، ولكن ليست حساسة للسلطة الفلسطينية ، بواسطة حمل الانتباه36. أخيرا ، قد تتلاقى تأثيرات الانتباه والمخيخ على نفس الدوائر الحسية الحركية الحساسة ل AP ، مما يؤدي إلى تغييرات غير قادرة على التكيف في هذه الدوائر37.

توفر التطورات في تقنية TMS مرونة إضافية للتعامل مع تكوين تحفيز TMS المستخدم أثناء التطبيقات أحادية النبضة والنبضة المزدوجةوالمتكررة 57,58. تتوفر الآن محفزات TMS (cTMS) التي يمكن التحكم فيها تجاريا للاستخدام البحثي في جميع أنحاء العالم ، وتوفر هذه التحكم المرن في عرض النبضة وشكلها57. تنشأ المرونة المتزايدة من التحكم في مدة تفريغ مكثفين مستقلين ، كل منهما مسؤول عن مرحلة منفصلة من تحفيز TMS. تخضع الطبيعة ثنائية الطور أو أحادية الطور للحافز لسعة التفريغ النسبية من كل مكثف ، وهي معلمة تسمى نسبة M. جمعت دراسات cTMS بين معالجة عرض النبضة واتجاهات التيار المختلفة لإثبات أن عروض النبضة الثابتة المستخدمة من قبل محفزات TMS التقليدية (70-82 μs)59,60 من المحتمل أن تجند مزيجا من الدوائر الحسية الحركية المتميزة وظيفيا خلال SAI 56. لذلك ، يعد cTMS أداة مثيرة لفك الأهمية الوظيفية لمختلف الحلقات الحسية الحركية المتقاربة في الأداء الحسي الحركي والتعلم.

توضح هذه المخطوطة بالتفصيل نهجا فريدا للأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة لدراسة التكامل الحسي الحركي الذي يدمج التحفيز الكهربائي المحيطي مع التحفيز المغناطيسي المتكرر عبر الجمجمة أثناء السلوكيات الحسية. يعمل هذا النهج على تحسين نهج الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة النموذجي من خلال تقييم تأثير الإسقاطات الواردة على مجموعات مختارة من الخلايا العصبية الداخلية في القشرة الحركية التي تحكم الناتج القشري النخاعي أثناء السلوك الحسي الحركي المستمر. على الرغم من أن cTMS جديد نسبيا ، إلا أنه يوفر ميزة واضحة في دراسة التكامل الحسي الحركي في المجموعات السكانية النموذجية والسريرية. علاوة على ذلك، يمكن تكييف النهج الحالي بسهولة للاستخدام مع محفزات TMS التقليدية ولتحديد الأشكال الأخرى من تثبيط وتسهيل الواردات، مثل تثبيط وارد الكمون الطويل (LAI)13 أو التيسير الوارد قصير الكمون (SAF)15.

Protocol

يمكن تطبيق البروتوكول التالي على تجارب مختلفة. تفصل المعلومات المقدمة تجربة يتم فيها استخدام الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة لتحديد التكامل الحسي الحركي أثناء استجابة الإصبع لمسبار جديلة بشكل صحيح أو غير صحيح. في هذا البروتوكول ، يتم تقييم الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة بدون مهمة ، ثم بشكل متزامن أثناء المهمة الحسية الحركية ، ثم مرة أخرى بدون مهمة. يمكن استبدال محفز cTMS بأي محفز TMS تقليدي متاح تجاريا. ومع ذلك ، سيتم تثبيت عرض النبضة لمحفز TMS التقليدي بين 70-82 μs اعتمادا على الأجهزةالمحددة 59,60. تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل مكتب أخلاقيات البحث بجامعة واترلو. وقدم جميع المشاركين موافقة خطية مستنيرة.

1. متطلبات الأجهزة / البرامج

ملاحظة: يعرض الشكل 1 مخططا لمتطلبات الأجهزة لدمج المحفزات الكهربائية الطرفية ومحفزات TMS مع مهمة حسية يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر. يوضح الشكل 2 أ إعداد الجهاز الأعلى للرقابة المالية للرقابة المالية للتيار المستحث ب PA والمستحث ب AP. يوضح الشكل 2 ب تسلسل الأحداث للمهمة الحسية الحركية والتوقيت النسبي لتقييم الجهاز الأعلى للرقابة المالية. يوصى بشدة باستخدام نظام توجيه تجسيمي لتتبع اتجاه ملف TMS بالنسبة للمشارك لتقليل التباين التجريبي في الاستجابة الفسيولوجية المرتبطة بالاختلاف في موضع الملف والمسار61.

figure-protocol-1512
الشكل 1: رسم تخطيطي للأجهزة المستخدمة لتقييم الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة أثناء السكون وأثناء السلوك الحسي الحركي المتزامن. PC1 ، الذي يستخدم للتحكم في المهمة الحسية الحركية وتوقيت تحفيز cTMS / التحفيز الكهربائي المحيطي ، متصل بمحول رقمي إلى تناظري قادر على توليد مشغل إخراج TTL 5 فولت عبر كابل USB. بالنسبة للتجارب غير المشروطة ، يتم إرسال المشغل من قناة الإدخال والإخراج الرقمية 1 إلى محفز cTMS عبر كابل BNC. بالنسبة للتجارب المشروطة ، يسبق المشغل من قناة الإدخال والإخراج الرقمية 1 ، والذي يتم إرساله إلى محفز cTMS ، مشغل من قناة الإدخال والإخراج الرقمية 2 إلى المحفز الكهربائي المحيطي. يتم إرسال كبل BNC من قناة الزناد على وحدة cTMS إلى لوحة تناظرية إلى رقمية لنظام EMG لتشغيل تسجيل مضخم EMG وعرض / حفظ البيانات بواسطة برنامج الحصول على EMG على PC2. يتم أيضا إرسال كبل BNC اختياري من مشغل cTMS إلى نظام التوجيه التجسيمي لتسجيل موضع الملف ومساره في وقت تحفيز cTMS. الاختصارات: PC = الكمبيوتر الشخصي ؛ USB = ناقل تسلسلي عالمي ؛ TTL = كابل الزناد المنطقي للترانزستور والترانزستور ؛ BNC = موصل حربة نيل كونسلمان ؛ cTMS = محفز مغناطيسي عبر الجمجمة يمكن التحكم فيه ؛ TMS = التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة ؛ A / D = التناظرية الرقمية ؛ EMG = تخطيط كهربية العضل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-3040
الشكل 2: إعداد الجهاز الأعلى للرقابة المالية والمحاسبة والمهمة الحسية. (أ) رسم تخطيطي للإعداد لتقييم الجهاز الأعلى للرقابة المالية في عضلة الاستثمار الأجنبي المباشر. من الجدير بالذكر أن التيار المستحث في الدماغ هو عكس اتجاه التيار في ملف TMS. (ب) تصوير لإشارة إصبع السبابة الصالحة (أعلى) وتجربة إشارة السبابة غير الصالحة (أسفل). يتم تصوير الإشارة دائما على أنها الحافز العلوي (تبرزها الدائرة المتقطعة). يتوافق لون جديلة مع استجابة إصبع محددة. تم توجيه المشاركين للاستجابة للون المسبار بأسرع ما يمكن وبدقة. يمكن أن تكون الإشارات والتحقيقات أي لون. كان احتمال وجود إشارة صالحة 70٪. حدثت إشارات غير صالحة في 30٪ من التجارب. الاختصارات: SAI = تثبيط وارد قصير الكمون ؛ PA = الخلفي الأمامي ؛ AP = الأمامي الخلفي ؛ الاستثمار الأجنبي المباشر = أول ظهرية بين العظام ؛ EMG = تخطيط كهربية العضل. MNS = التحفيز العصبي المتوسط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. قم بتجهيز جهاز كمبيوتر شخصي واحد (PC1) ببرنامج للتحكم في المهمة الحسية الحركية عبر لوحة USB (أو منفذ تسلسلي) رقمية تناظرية مع قناتين إخراج رقميتين.
  2. قم بإعداد روتين برمجي بدون مهمة للتحكم في ترتيب محفزات cTMS غير المشروطة ومحفزات cTMS التي سيتم تكييفها عن طريق التحفيز الكهربائي المحيطي مع فاصل زمني بين التحفيز (ISI) يبلغ 21 مللي ثانية. قم بالتوزيع العشوائي للفاصل الزمني بين أي محفزين (على سبيل المثال ، مشروط أو غير مشروط) باستخدام توزيع مستطيل مدته بين 5-8 ثوان.
    1. تأكد من أن الروتين يرسل مشغل إخراج رقمي واحد إلى الزناد في منفذ وحدة cTMS للمحفزات غير المشروطة. تأكد من أن الروتين يرسل مخرجات رقمية منفصلة إلى وحدة cTMS والمحفز الكهربائي المحيطي للمحفزات المكيفة.
    2. تأكد من أن مشغل المحفز المحيطي يسبق مشغل cTMS بمقدار 21 مللي ثانية. تأكد من أن عدد المحفزات غير المشروطة والمشروطة يتراوح بين 8 و 24. من الناحية المثالية ، يجب أن يكون ترتيب التجارب غير المشروطة والمشروطة عشوائيا.
  3. قم بإعداد روتين برمجي للتحكم في المهمة الحسية. تأكد من أن هذا البرنامج يقوم أيضا بتأمين مشغلات الإخراج الرقمية المرسلة إلى cTMS والمحفزات الكهربائية الطرفية إلى نقطة (نقاط) معينة أثناء السلوك.
    ملاحظة: استخدمت التجربة الموضحة مهمة حسية حركية (الشكل 2 ب). تم توقيت محفزات المحفز المحيطي ومحفز cTMS لتحدث 225-275 مللي ثانية بعد بداية إشارة الاستجابة باستخدام توزيع مستطيل. كان الغرض من هذا التوقيت هو تقييم التغيرات في التكامل الحسي الحركي بناء على الصلاحية بين إشارة الاستجابة وإشارة التحضير المسبق ، والتي كانت صالحة في 70٪ من جميع التجارب.
  4. قم بتجهيز جهاز كمبيوتر شخصي ثان (PC2) بمضخم تخطيط كهربية العضل ثنائي القناة (EMG) متصل بمحول رقمي تناظري. تأكد من أن المحول الرقمي التناظري يحتوي على قناة إدخال رقمية لقفل EMG على تحفيز TMS. تأكد من أن PC2 مجهز ببرنامج الحصول على بيانات EMG لتسجيل استجابات العضلات التي يثيرها TMS.
    ملاحظة: يمكن استخدام PC1 للتحكم في المهمة الحسية الحركية وتسجيل مخطط كهربية العضل. ومع ذلك ، يجب على الباحثين التحقق بشكل مستقل من توقيت المشغلات لمحفز TMS ، والمحفز المحيطي ، ونظام EMG. تزيد الأجهزة المتعددة المتصلة بجهاز كمبيوتر واحد من احتمالية حدوث تعارضات في المعالجات المركزية ، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار في التوقيت النسبي لعلامات الحدث.
  5. قم بإعداد برنامج الحصول على بيانات EMG بالإعدادات التالية: ثلاث قنوات تسجيل ، 2 EMG ، مشغل إدخال واحد ، تشغيل تسجيلات بحقبة من -0.3 ثانية إلى 0.5 ثانية حول مشغل TTL ، عامل تضخيم EMG يبلغ 1000x ، معدل أخذ عينات 4000 هرتز ، مرشح تمرير النطاق من 3 هرتز إلى 1 كيلو هرتز ، ومرشح التيار الكهربائي (اختياري).
    ملاحظة: يستخدم البروتوكول الحالي أسلوب تسجيل تاريخي. يراقب برنامج اقتناء EMG إشارة EMG باستمرار. ومع ذلك ، يتم عرض وتسجيل البيانات القديمة المقفلة زمنيا لتحفيز TMS فقط.
  6. قم بتوصيل قناة إخراج رقمية واحدة من PC1 بإدخال الزناد على محفز cTMS. قم بتوصيل قناة الإخراج الرقمية الثانية من PC1 بإدخال الزناد على المحفز الكهربائي المحيطي. عند استخدام نظام تشغيل الكمبيوتر ، تأكد بشكل مستقل من التوقيت النسبي للمخرجين الرقميين من PC1.
  7. قم بتوصيل خرج الزناد بالإدخال الرقمي لنظام EMG. في حالة استخدام نظام توجيه تجسيمي ، قد يكون من الممكن تقسيم خرج الزناد إلى نظام التوجيه لتسجيل التجربة حسب الموضع التجريبي لملف cTMS في وقت تحفيز cTMS.

2. فحص المشاركين والموافقة المستنيرة

  1. فحص المشارك لموانع TMS9،62،63،64،65.
  2. إطلاع المشارك على أهداف الدراسة وإجراءاتها. مراجعة المخاطر الموضحة في وثيقة الموافقة المعتمدة من مجلس مراجعة الأخلاقيات للمؤسسة. أجب عن أي أسئلة حول المخاطر المحتملة. الحصول على موافقة خطية مستنيرة قبل البدء في أي إجراءات دراسية.

3. وضع قطب تخطيط كهربية العضل (EMG)

  1. اطلب من المشارك الجلوس على الكرسي التجريبي مع وضع مرفقيه على أذرع الكرسي وثنيه للسماح للمعصم / اليد بالراحة بشكل مريح في مساحة عمل المكتب. اضبط ارتفاع الكرسي ومساحة عمل المكتب حسب الحاجة.
  2. نظف الجلد فوق أول ظهر بين العظام (FDI) ، وخاطف بوليسيس بريفيس (APB) ، وعملية الإبرية الزندية باستخدام كريم كاشط معتدل يوضع على وسادة قطنية مستديرة. امسح أي بقايا بعيدا باستخدام ضمادة تحضير الكحول.
  3. لكل عضلة ، ضع قطبا لاصقا Ag-AgCl يمكن التخلص منه على بطن العضلات. ضع قطبا كهربائيا ثانيا على معلم عظمي قريب كمرجع. أخيرا ، ضع قطبا لاصقا إضافيا من Ag-AgCl على عملية الإبرية الزندية ليكون بمثابة أرض.
    ملاحظة: الموقع المرجعي الشائع للاستثمار الأجنبي المباشر هو البروز العظمي عند قاعدة السلامية القريبة الثانية على الجانب الكعبري من اليد. الموقع المرجعي الشائع ل APB هو البروز العظمي للسلامية القريبة على الجانب الكعبري للإبهام.
  4. قم بتوصيل كل زوج من الأقطاب الكهربائية والأرض بمضخم EMG ونظام الحصول على البيانات. استخدم القناة 1 للاستثمار الأجنبي المباشر والقناة 2 للبنك الشعبي العام.

4. وضع قطب المحفز الكهربائي المحيطي

  1. قم بتوصيل مشغل الإخراج الرقمي للمحفز المحيطي بقناة إدخال الزناد على نظام EMG لتشغيل تسجيل EMG عند تسليم التحفيز المحيطي.
  2. استخدم كريما كاشطا معتدلا لتنظيف البشرة من داخل الساعد. ابدأ من تجعد ثني المعصم وتمتد إلى ~ 6 سم قريب. قم بتمديد التنظيف إلى المنطقة بدءا من خط وسط المعصم إلى الجانب الكعبري من الساعد. امسح أي بقايا باستخدام ضمادة تحضير الكحول.
  3. ضع الجل الموصل على قطب كهربائي محفز قابل لإعادة الاستخدام. استخدم ما يكفي من الجل لتغطية الأقراص المعدنية لنقاط الاتصال الأنودية والكاثودية. ضع القطب المنبه على الجلد على الجانب الراحي من الرسغ مع وجود الكاثود بالقرب من الأنود. ضع الكاثود الإنسي قليلا والقريب من عملية الإبرية الشعاعية.
    1. لا تستخدم هلام مفرط. إذا أنشأ الجل جسرا بين طرفي الأنود والكاثود ، فقم بتنظيف القطب لإزالة كل الجل ، وأعد تطبيقه. سيؤدي جسر الهلام بين الأنود والكاثود إلى تحويل التيارات الكبيرة على طول الجلد ، مما يجعل من الصعب تحفيز العصب المتوسط.
  4. على المحفز المحيطي ، اضبط محدد نوع التحفيز على أحادي الطور ، واضبط مدة التحفيز على 200 ميكرو ثانية ، وحدد الجهد والتيار المناسبين ، وتحقق مرة أخرى من أي عوامل ضرب. تم ضبط الجهد (Vmax) على 200 فولت للأجهزة المستخدمة هنا ، مع تيار أولي يبلغ 0.05 × 10 مللي أمبير.
  5. أثناء الإمساك بالقطب المحفز ، قم بتوصيل حافز كهربائي واحد عن طريق الضغط على مفتاح الزناد على محفز التيار المستمر. بعد ذلك ، افحص بصريا عضلة APB وشاشة EMG (القناة 2) بحثا عن دليل على تقلص العضلات. يتم استنباط تقلص العضلات ، المعروف باسم الموجة M ، عن طريق التنشيط المباشر للمحور الحركي بواسطة التحفيز الكهربائي ويجب أن يحدث بين 6-9 مللي ثانية بعد قطعة أثرية التحفيز الكهربائي المحيطي.
  6. إذا لم يكن هناك دليل على تقلص العضلات ، فاسأل المشارك عما إذا كان يشعر بإحساس بالوخز يشع نحو الأصابع أو أسفل القطب مباشرة. سيكون الموضع الأمثل هو موضع القطب الذي يثير تقلص عضلات APB الأكثر أهمية عند شدة التحفيز الحالية.
    1. إذا لم يتم الإبلاغ عن أي إحساس أو كان الإحساس مقصورا على الجلد الموجود أسفل القطب مباشرة ، فقم بزيادة التيار بزيادات قدرها 0.05 (مضروبا في عامل 10) حتى يبلغ المشارك عن إحساس بالوخز يصل إلى الأصابع / الإبهام. إذا تم الإبلاغ عن إحساس مشع في رقم آخر غير الإبهام ، فقم بتغيير موضع القطب عن طريق تحريك القطب شعاعيا حتى يشع الشعور إلى الإبهام.
  7. بمجرد تحديد الموضع الأمثل للقطب المحفز ، قم بتثبيت القطب على المعصم باستخدام ثلاث قطع من الشريط. ضع القطعة الأولى فوق منتصف القطب ، ثم استخدم القطعتين الثانية والثالثة لتأمين الجزء العلوي والسفلي من القطب.
    ملاحظة: بناء على الخبرة ، يقترح أولا تثبيت شريط الشريط في الجزء الخلفي من القطب ثم تشغيل الشريط أسفل جانب القطب إلى الجلد. يبدو أن هذا النهج يؤمن القطب ويقلل من احتمالية الحركة الجانبية أثناء التجربة.
  8. بعد تثبيت القطب ، اطلب من المشارك أن يفترض اتجاه الطرف المطلوب لاستخدامه أثناء تحفيز TMS. تحقق للتأكد من استمرار نشل الإبهام.

5. تحديد متوسط شدة تحفيز العصب

  1. حدد عتبة التحفيز المحيطي عن طريق ضبط شدة التحفيز المحيطي حتى يتم استنباط موجة M من 0.2 mV37,56. إذا تجاوزت الموجة M السعة المستهدفة المرغوبة 0.2 مللي فولت على ثلاثة محفزات متتالية ، فقم بتقليل التيار. إذا كانت الموجة M أقل من السعة المستهدفة المرغوبة 0.2 مللي فولت على ثلاثة محفزات لاحقة ، فقم بزيادة التيار. العتبة هي قيمة التيار الأولى حيث تتجاوز الموجة M 0.2 مللي فولت.
    ملاحظة: البديل الشائع هو ضبط الشدة إما على 3x العتبة الحسية الإدراكية أو 1x عتبة المحرك11،16،17،66،67،68. العتبة الحسية هي شدة التحفيز التي يبلغ فيها المشاركون بشكل صحيح عن إحساس في 5 من 10 محفزات كهربائية. عتبة المحرك هي شدة التحفيز التي يتم عندها استنباط نشل مرئي في 5 من 10 محفزات.

6. تحديد مسار الملف الأمثل للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة

  1. استخدم ملف صورة الرنين المغناطيسي (MRI) لإنشاء ملف مشروع نظام توجيه تجسيمي جديد لمراقبة موضع المشارك واتجاه الملف. بعد ذلك ، قم بتوصيل مشغل الإخراج الرقمي من محفز TMS بقناة إدخال الزناد على نظام EMG لتشغيل تسجيل EMG عند تسليم تحفيز TMS.
    ملاحظة: عند توفره، يمكن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الخاص بالموضوع. ومع ذلك ، فإن MEP كافية لتحديد موضع الملف الأمثل لدراسات تحفيز القشرة الحركية.
  2. قم بتثبيت أداة تتبع ملف نظام التوجيه على ملف PA TMS. استخدم أداة معايرة الملف لمعايرة اتجاه أداة تتبع الملف إلى نقطة منتصف ملف TMS. كرر هذه الخطوة باستخدام أداة تتبع الملف الثانية لملف AP بهندسة مماثلة لملف PA.
  3. قم بتثبيت أداة تتبع موضوع نظام التوجيه على جبين المشارك باستخدام قطبين كهربائيين EMG. استخدمي قلم تحديد دقيق للمسح الجاف أو أداة وضع كحل للعين لوضع علامات على منتصف طرف الأنف والصدر والحفر قبل الأذنية اليسرى واليمنى. استخدم أداة معايرة الموضوع الخاصة بنظام التوجيه للمس موضع كل علامة وتسجيلها.
  4. اضبط موضع الملف الأولي عن طريق وضع الملف على رأس المشارك وتسجيل مسار الملف. تأكد من أن السطح المركزي للملف عرضي لفروة الرأس. قم بمحاذاة خط الوسط للملف عند 45 درجة إلى المستوى السهمي الأوسط لرأس المشارك.
    1. للحصول على تقريب أولي لنقطة اتصال القشرة الحركية ، تخيل خطا عرضيا يربط نقطة أمامية بالرأس 5 سم و 5 سم جانبية بالرأس ، وضع ملفا 70 مم على بعد حوالي 2 سم من النقطة الأمامية على طول الخط العرضي.
      ملاحظة: هناك طريقة بديلة لتقريب النقطة الساخنة الحركية القشرية للعضلات البعيدة لليد المقابلة وهي أن يضع المجرب إصبع السبابة الأيسر (إذا كان محفزا فوق القشرة الحركية اليسرى للمشارك) على رأس الرأس وإبهام اليد اليسرى على النقطة السابقة للأذن اليسرى. يمكن استخدام موضع مفصل مشط إصبع السبابة لتصور موضع تقريبي لوضع مركز الملف.
  5. على محفز cTMS ، اضبط محدد نوع النبض على أحادي الطور الإيجابي للحث على تيار PA في الأنسجة العصبية الأساسية. بعد ذلك ، اضبط نسبة M على 0.2 وشدة التحفيز (المعروفة أيضا باسم الطاقة) على 30٪ من الحد الأقصى لإخراج المحفز. أخيرا ، اضبط عرض النبضة (المعروف أيضا باسم مدة المرحلة الإيجابية) على 120 μs (أطول عرض نبضة مستخدم في الدراسة).
    ملاحظة: سيتم استخدام موضع الملف والمسار المحدد باستخدام التيار المستحث ب PA للتيار المستحث AP16،36،37،38،56،69.
  6. تقديم ثلاثة إلى خمسة محفزات TMS بينما يحافظ المشارك على تقلص طفيف في عضلة الاستثمار الأجنبي المباشر (~ 5٪ -10٪ من الحد الأقصى للانقباض الطوعي). إذا لم يتم استنباط أي جهد مستحث بمحرك (MEP) ، فقم بزيادة شدة المحفز بنسبة 10٪ ، وقم بتوصيل ثلاثة إلى خمسة محفزات TMS إضافية.
  7. كرر الخطوة السابقة حتى يتم استنباط MEP لا يقل عن 0.2 مللي فولت باستمرار لكل حافز ، أو حتى تصل شدة المحفز إلى 60٪ -70٪ من الحد الأقصى لإنتاج المحفز. إذا لم يتم استنباط MEP موثوق به ، فحافظ على معلمات التحفيز ثابتة ، وحرك محفز TMS في دائرة بقطر ~ 2 سم حول موقع التحفيز الأصلي. قم بزيادة قطر الدائرة بمقدار 1 سم إذا كان لا يزال MEP الموثوق به غير مستنبط في أي وقت في الدائرة الأصلية.
  8. بمجرد استنباط MEP موثوق به ، قم بتأكيد نقطة اتصال محرك FDI عن طريق الحفاظ على معلمات التحفيز ثابتة وتحريك محفز TMS 2 سم شمال وشرق وجنوب وغرب موقع الملف الحالي. قدم ثلاثة إلى خمسة محفزات TMS في كل موقع70. سجل موضع الملف الجديد ومساره إذا تم استنباط MEP أكبر باستمرار في أي من الأرباع الأربعة. استخدم موضع الملف الجديد ومساره كنقطة ساخنة للمحرك القشري.

7. تحديد شدة التحفيز للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة

  1. قم بتشغيل أداة تقييم عتبة محرك TMS المتاحة مجانا (MTAT 2.1)71,72,73 لتحديد شدة التحفيز المطلوبة لاستنباط MEP من 1 mV (عتبة 1 mV)16,67,74. اضبط طريقة التقدير على بدون معلومات مسبقة ، وانقر فوق ابدأ.
    ملاحظة: يستخدم البروتوكول الحالي شدة TMS تبلغ 1 mV16. ومع ذلك ، تفضل بعض الدراسات ضبط الشدة على أنها 120٪ من عتبة المحرك أثناء الراحة للفرد. بالنسبة لتيار AP ، قد لا يمكن الحصول على 1 mV MEP. في مثل هذه الحالات ، حدد ناتج المحفز الذي يثير الحد الأقصى ل MEP المستمد من تكوين تحفيز AP ، بشرط أن يكون الحد الأقصى ل MEP 0.5 مللي فولت على الأقل.
  2. حدد الحد الأقصى لإخراج المحفز المتاح لعرض النبضة البالغ 120 ميكرو ثانية. بعد ذلك ، استخدم مخطط تحويل لإعادة قياس نطاق إخراج المحفز من 0 إلى 100 بحيث يتطابق إخراج المحفز مع مقياس برنامج MTAT 2.1.
    ملاحظة: بالنسبة للنموذج المستخدم في الدراسة الحالية ، فإن الحد الأقصى لإخراج المحفز لعرض نبضة يبلغ 120 ميكروثانية هو 50٪. لذلك ، يتم تقسيم القيم التي يوفرها برنامج MTAT 2.1 على 2 لتحديد القيمة المحددة على المحفز. بالنسبة لعرض النبضة البالغ 70 ميكرو ثانية ، يكون الحد الأقصى لإخراج المحفز 66٪ ، لذلك يتم ضرب جميع القيم التي يوفرها برنامج MTAT 2.1 في 0.66 (ويتم تقريبها إلى أقرب 0.5٪). لعرض النبضة 30 ميكرو ثانية ، يكون الحد الأقصى لإخراج المحفز 100٪. لذلك ، لا يلزم تعديل التحجيم.
  3. اضبط شدة محفز TMS على النسبة المئوية الأولية لإخراج المحفز الأقصى المشار إليه بواسطة برنامج MTAT 2.1 وقم بتقديم حافز TMS واحد. إذا كان MEP المسجل في النطاق الزمني 20-50 مللي ثانية بعد أن تجاوز تحفيز TMS 1 مللي فولت ، فأشر إلى "نعم" بالضغط على المفتاح Y . إذا كان MEP المسجل أقل من 1 مللي فولت ، فأشر إلى "لا" بالضغط على المفتاح N . كرر هذه الخطوة حتى تتغير شدة التحفيز التي يعرضها برنامج MTAT من الأسود إلى الأخضر.
    ملاحظة: القيمة الأولية المشار إليها بواسطة برنامج MTAT 2.1 هي دائما 37٪. لعرض النبضة 120 μs ، تكون قيمة المحفز الفعلية 18.5٪. بالنسبة لعرض النبضة 70 μs ، تكون قيمة المحفز الفعلية 24٪. لعرض النبضة 30 μs ، تكون قيمة المحفز 37٪.
  4. كرر لكل مجموعة من الاتجاه الحالي ومدة التحفيز. بالنسبة لتيار AP ، قم بتدوير اتجاه التيار إلى 180 درجة عن طريق تدوير الملف فعليا للحث على تيار PA بمقدار 180 درجة ، أو استخدم ملفا مخصصا تم تصنيعه للحث على تيار AP.
    ملاحظة: عند استخدام اتجاهات تيار TMS متعددة وعرض النبضات ، يمكن تحديد جميع العتبات قبل جمع البيانات أو قبل استخدام هذه المجموعة المحددة من الاتجاه الحالي وعرض النبضة في البروتوكول.

8. تثبيط الوارد قصير الكمون (لا يوجد خط أساس للمهمة)

  1. قم بتوصيل الملف الذي سيحث تيار PA في الدماغ بمحفز cTMS. اضبط نوع النبض على أحادي الطور إيجابي ونسبة M على 0.2. اضبط عرض النبضة على 120 ميكروثانية. أخيرا ، اضبط شدة التحفيز على عتبة 1 mV المحددة في الخطوة 7.
    ملاحظة: في حالة استخدام كل من الاتجاهات الحالية PA و AP ، يجب أن يكون الترتيب الذي يتم به إجراء الخطوة 8 عشوائيا عبر المشاركين. في حالة استخدام عرض نبضات متعددة ، يجب موازنة الترتيب الذي يتم به تنفيذ الخطوة 8 عبر المشاركين. كان PA120 و AP30 هما التكوينات الحالية الوحيدة المستخدمة في التجربة الموصوفة.
  2. اضبط شدة التحفيز الكهربائي المحيطي على الشدة المحددة في الخطوة 5. بعد ذلك ، قم بتشغيل روتين البرنامج بدون مهمة على جهاز الكمبيوتر 1. بعد ذلك ، اضبط الفاصل الزمني بين المحفزات الكهربائية الطرفية ومحفزات TMS على 21 مللي ثانية.
  3. ضع ملف TMS فوق نقطة اتصال محرك FDI المحددة في الخطوة 6. اطلب من المشارك أن يحمل تقلصا طفيفا في عضلة الاستثمار الأجنبي المباشر (~ 5٪ -10٪ من الحد الأقصى للانكماش الطوعي). بعد ذلك ، قم بتشغيل برنامج عدم وجود مهمة على PC1 لتشغيل كل من محفزات الأجهزة الطرفية و cTMS.
  4. كرر الخطوات الخاصة بتكوين تيار AP30 باستخدام الملف الذي يحفز تيار AP في الدماغ.
    ملاحظة: يوصى بتكرار خط الأساس لعدم وجود مهمة في نهاية التجربة، إذا سمح الوقت بذلك. ينصح بشدة بتقييمات الأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة قبل وبعد عدم وجود مهمة من أجل توفير خط أساس للأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة وتحديد أي اختلافات موجودة مسبقا بين المجموعات (إن وجدت).

9. تثبيط وارد قصير الكمون (مهمة حسية)

  1. قم بتوصيل ملف PA بمحفز cTMS. اضبط نوع النبض على أحادي الطور إيجابي ونسبة M على 0.2. اضبط عرض النبضة على 120 ميكروثانية. أخيرا ، اضبط شدة التحفيز على عتبة 1 mV المحددة في الخطوة 7.
    ملاحظة: عند استخدام تكوينات تيار TMS متعددة (على سبيل المثال ، PA120 ، AP30) ، يجب موازنة التكوين الحالي المستخدم أثناء المهمة الحسية الحركية عبر المشاركين. يوصى باستخدام نفس الموازنة المستخدمة لتحديد ترتيب تقييم خط الأساس بدون مهمة.
  2. اضبط شدة التحفيز الكهربائي المحيطي على الشدة المحددة في الخطوة 5. بعد ذلك ، قم بتشغيل روتين برنامج المهام الحسية على جهاز الكمبيوتر 1. اضبط الفاصل الزمني بين المحفزات الكهربائية الطرفية ومحفزات TMS على 21 مللي ثانية.
  3. ضع ملف TMS فوق نقطة اتصال محرك FDI المحددة في الخطوة 6. اطلب من المشارك أن يحمل تقلصا طفيفا في عضلة الاستثمار الأجنبي المباشر (~ 5٪ -10٪ من الحد الأقصى للانكماش الطوعي).
  4. قم بتشغيل روتين برنامج المهام الحسية للتحكم في المهمة الحسية الحركية وإرسال المشغلات الرقمية المقفلة بالسلوك إلى محفزات الأجهزة الطرفية ومحفزات cTMS. احتفظ بالعدد المطلوب من التجارب غير المشروطة والمشروطة بين 8 و 24 محفزا لكل حالة.
  5. كرر الخطوات الخاصة بتكوين تيار AP30 باستخدام الملف لتحفيز تيار AP في الدماغ.

10. معالجة البيانات وتحليلها

  1. افحص بصريا بيانات EMG في وضع عدم الاتصال وتجاهل أي آثار يتجاوز فيها جذر متوسط مربع EMG (-50 إلى بداية التحفيز) سعة المعيار. احسب جذر متوسط مربع الخطأ لكل تجربة كما يلي:
    figure-protocol-22007
    حيث N هو عدد نقاط البيانات بين −50 وبداية التحفيز ، و EMG هو الجهد عند النقطة n. بالنسبة ل SAI الذي يتم إجراؤه مع العضلات أثناء الراحة ، استخدم سعة قياسية من 10-15 μV. بالنسبة للأجهزة العليا للرقابة المالية والمحاسبة التي تم تقييمها بانكماش منشط طفيف، استخدم سعة قياسية تمثل متوسط RMSE في جميع التجارب بالإضافة إلى انحرافين معياريين، بافتراض مراقبة مستويات الانكماش أثناء الدراسة.
  2. لكل تجربة ، احسب سعة MEP من الذروة إلى الذروة للاستثمار الأجنبي المباشر كفرق بين القيم الدنيا والقصوى في النافذة الزمنية بين 20 مللي ثانية إلى 50 مللي ثانية بعد أداة التحفيز TMS في القناة 170.
  3. بالنسبة للتجارب المشروطة ، احسب سعة الموجة M من الذروة إلى الذروة ل APB كسعة من الذروة إلى الذروة من 5 مللي ثانية إلى 15 مللي ثانية بعد قطعة أثرية للتحفيز المحيطي في القناة 2.
    ملاحظة: يعد حساب سعة الموجة M من الذروة إلى الذروة طريقة للتأكد من أن شدة التحفيز لم تختلف عبر الظروف طوال التجربة.
  4. احسب متوسط سعة MEP للتجارب غير المشروطة والمشروطة ومتوسط الموجة M للتجارب المشروطة لكل مجموعة من اتجاه تيار TMS وعرض النبضة والحالة السلوكية.
  5. عبر عن سعة MEP المشروطة كنسبة من سعة MEP غير المشروطة لكل مشارك باستخدام المعادلة أدناه11:
    figure-protocol-23310
    ملاحظة: تعكس النسب المنخفضة تثبيطا أكثر قوة. يعد ضرب النسبة في 100٪ أمرا شائعا للتعبير عن سعة MEP المشروطة كنسبة مئوية من سعة MEP غير المشروطة.
  6. احسب المتوسط عبر جميع المشاركين لكل اتجاه تيار TMS وعرض النبضة ومجموعة الحالة السلوكية. الإبلاغ عن هذه القيم. على الرغم من الإبلاغ عن القيم المتوسطة بشكل عام ، أظهر البيانات الفردية بالأرقام حيثما أمكن ذلك.

النتائج

يوضح الشكل 3 أمثلة على MEPs غير المشروطة والمشروطة من مشارك واحد مستنبط في عضلة FDI أثناء المهمة الحسية الحركية باستخدام PA120- و AP30- (يشير الرمز السفلي إلى عرض النبض) التيار المستحث. توضح الرسوم البيانية الشريطية في العمود الأوسط متوسط سعة MEP الأولية من الذروة إلى الذ?...

Discussion

تبحث طريقة SAI الموصوفة هنا في مجموعة فرعية من المسارات العصبية التي تلعب دورا في الأداء الحسي الحركي والتعلم. يعد تقييم الأجهزة العليا للرقابة أثناء قيام المشاركين بمهام حسية حركية خاضعة للرقابة أمرا بالغ الأهمية لتفكيك المساهمات المعقدة للعديد من الحلقات الحسية الحركية التي تتلاقى على ...

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

يقر المؤلفون بالتمويل المقدم من مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة (NSERC) ، والمؤسسة الكندية للابتكار (CFI) ، وصندوق أبحاث أونتاريو (ORF) الممنوح ل S.K.M.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Acquisition software (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAPL3504/PLabChart Pro version 8
Alcohol prep padsMedline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada211-MM-05507Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAFE234Quad Bio Amp
Cotton roundCliganic, San Francisco, CA, USA‎CL-BE-019-6PKPremium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coilsRogue Research, Montréal, QC, CanadaCOIL70F8030170 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coilsRogue Research, Montréal, QC, CanadaCOIL70F80301-IC70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulatorRogue Research, Montréal, QC, CanadaCTMSMU0101Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAPL3504PowerLab 4/35
Digital to analog boardNational Instruments, Austin, TX, USA782251-01NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG)Covidien, Dublin, Ireland31112496Kendal 130 Foam Electrodes
ElectrogelElectrodestore.comE9Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
NuprepWeaver and Company, Aurora, CO, USA10-30Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes) 
Peripheral electrical stimulatorDigitimer, Hertfordshire, UKDS7R DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrodeElectrodestore.comDDA-30Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering)National Instruments, Austin, TX, USA784503-35Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance systemRogue Research, Montréal, QC, CanadaKITBSF0404BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape3M, Saint Paul, MN, USA50707387794571Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)

References

  1. Bizzi, E., Ajemian, R. From motor planning to execution: a sensorimotor loop perspective. Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1815-1823 (2020).
  2. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerve Supplement. 9, S26-S32 (2000).
  3. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: A primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
  4. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  5. Day, B. L., et al. Electric and magnetic stimulation of human motor cortex - Surface EMG and single motor unit responses. Journal of Physiology. 412, 449-473 (1989).
  6. Di Lazzaro, V., et al. Comparison of descending volleys evoked by transcranial magnetic and electric stimulation in conscious humans. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Electromyography and Motor Control. 109 (5), 397-401 (1998).
  7. Di Lazzaro, V., Rothwell, J. C. Corticospinal activity evoked and modulated by non-invasive stimulation of the intact human motor cortex. Journal of Physiology. 592 (19), 4115-4128 (2014).
  8. Chen, R., et al. The clinical diagnostic utility of transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 119 (3), 504-532 (2008).
  9. Rossini, P. M. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  10. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. The Journal of Physiology. 471, 501-519 (1993).
  11. Tokimura, H., et al. Short latency inhibition of human hand motor cortex by somatosensory input from the hand. The Journal of Physiology. 523, 503-513 (2000).
  12. Nakamura, H., Kitagawa, H., Kawaguchi, Y., Tsuji, H. Intracortical facilitation and inhibition after transcranial magnetic stimulation in conscious humans. The Journal of Physiology. 498, 817-823 (1997).
  13. Chen, R., Corwell, B., Hallett, M. Modulation of motor cortex excitability by median nerve and digit stimulation. Experimental Brain Research. 129 (1), 77-86 (1999).
  14. Asmussen, M. J., Jacobs, M. F., Lee, K. G., Zapallow, C. M., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition modulation during finger movement. PLoS One. 8 (4), e60496 (2013).
  15. Devanne, H. Afferent-induced facilitation of primary motor cortex excitability in the region controlling hand muscles in humans. European Journal of Neuroscience. 30 (3), 439-448 (2009).
  16. Ni, Z., et al. Transcranial magnetic stimulation in different current directions activates separate cortical circuits. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 749-756 (2011).
  17. Bailey, A. Z., Asmussen, M. J., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition determined by the sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 116 (2), 637-644 (2016).
  18. Fischer, M., Orth, M. Short-latency sensory afferent inhibition: conditioning stimulus intensity, recording site, and effects of 1 Hz repetitive TMS. Brain Stimulation. 4 (4), 202-209 (2011).
  19. Voller, B., et al. Short-latency afferent inhibition during selective finger movement. Experimental Brain Research. 169 (2), 226-231 (2006).
  20. Asmussen, M. J., et al. Modulation of short-latency afferent inhibition depends on digit and task-relevance. PLoS One. 9 (8), e104807 (2014).
  21. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention focus modulates afferent input to motor cortex during skilled action. Human Movement Science. 74, 102716 (2020).
  22. Bonassi, G., et al. Selective sensorimotor modulation operates during cognitive representation of movement. Neuroscience. 409, 16-25 (2019).
  23. Beck, S., Hallett, M. Surround inhibition in the motor system. Experimental Brain Research. 210 (2), 165-172 (2011).
  24. Seki, K., Fetz, E. E. Gating of sensory input at spinal and cortical levels during preparation and execution of voluntary movement. Journal of Neuroscience. 32 (3), 890-902 (2012).
  25. Young-Bernier, M., Davidson, P. S., Tremblay, F. Paired-pulse afferent modulation of TMS responses reveals a selective decrease in short latency afferent inhibition with age. Neurobiology of Aging. 33 (4), 1-11 (2012).
  26. Pelosin, E., et al. Attentional control of gait and falls: Is cholinergic dysfunction a common substrate in the elderly and Parkinson's disease. Frontiers in Aging Neuroscience. 8, 104 (2016).
  27. Dubbioso, R., Manganelli, F., Siebner, H. R., Di Lazzaro, V. Fast intracortical sensory-motor integration: A window into the pathophysiology of Parkinson's disease. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 111 (2019).
  28. Oh, E., et al. Olfactory dysfunction in early Parkinson's disease is associated with short latency afferent inhibition reflecting central cholinergic dysfunction. Clinical Neurophysiology. 128 (6), 1061-1068 (2017).
  29. Richardson, S. P., et al. Changes in short afferent inhibition during phasic movement in focal dystonia. Muscle & Nerve. 37 (3), 358-363 (2008).
  30. Ziemann, U., et al. TMS and drugs revisited 2014. Clinical Neurophysiology. 126 (10), 1847-1868 (2015).
  31. Di Lazzaro, V. Muscarinic receptor blockade has differential effects on the excitability of intracortical circuits in the human motor cortex. Experimental Brain Research. 135 (4), 455-461 (2000).
  32. Di Lazzaro, V., et al. Neurophysiological predictors of long term response to AChE inhibitors in AD patients. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 76 (8), 1064-1069 (2005).
  33. Fujiki, M., Hikawa, T., Abe, T., Ishii, K., Kobayashi, H. Reduced short latency afferent inhibition in diffuse axonal injury patients with memory impairment. Neuroscience Letters. 405 (3), 226-230 (2006).
  34. Koizume, Y., Hirano, M., Kubota, S., Tanaka, S., Funase, K. Relationship between the changes in M1 excitability after motor learning and arousal state as assessed by short-latency afferent inhibition. Behavioral Brain Research. 330, 56-62 (2017).
  35. Thabit, M. N., et al. Momentary reward induce changes in excitability of primary motor cortex. Clinical Neurophysiology. 122 (9), 1764-1770 (2011).
  36. Mirdamadi, J. L., Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention modulates specific motor cortical circuits recruited by transcranial magnetic stimulation. Neuroscience. 359, 151-158 (2017).
  37. Mirdamadi, J. L., Meehan, S. K. Specific sensorimotor interneuron circuits are sensitive to cerebellar-attention interactions. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 920526 (2022).
  38. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Verbal working memory modulates afferent circuits in motor cortex. European Journal of Neuroscience. 48 (10), 3117-3125 (2018).
  39. Mineo, L., et al. Modulation of sensorimotor circuits during retrieval of negative autobiographical memories: Exploring the impact of personality dimensions. Neuropsychologia. 110, 190-196 (2018).
  40. Bonnì, S., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Koch, G. Real-time activation of central cholinergic circuits during recognition memory. European Journal of Neuroscience. 45 (11), 1485-1489 (2017).
  41. Nardone, R., et al. Abnormal short latency afferent inhibition in early Alzheimer's disease: A transcranial magnetic demonstration. Journal of Neural Transmission. 115 (11), 1557-1562 (2008).
  42. Nardone, R., Bratti, A., Tezzon, F. Motor cortex inhibitory circuits in dementia with Lewy bodies and in Alzheimer's disease. Journal of Neural Transmission. 113 (11), 1679-1684 (2006).
  43. Di Lazzaro, V., et al. In vivo cholinergic circuit evaluation in frontotemporal and Alzheimer dementias. Neurology. 66 (7), 1111-1113 (2006).
  44. Di Lazzaro, V., et al. Functional evaluation of cerebral cortex in dementia with Lewy bodies. NeuroImage. 37 (2), 422-429 (2007).
  45. Di Lazzaro, V., et al. In vivo functional evaluation of central cholinergic circuits in vascular dementia. Clinical Neurophysiology. 119 (11), 2494-2500 (2008).
  46. Marra, C., et al. Central cholinergic dysfunction measured "in vivo" correlates with different behavioral disorders in Alzheimer's disease and dementia with Lewy body. Brain Stimulation. 5 (4), 533-538 (2012).
  47. Mimura, Y., et al. Neurophysiological biomarkers using transcranial magnetic stimulation in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment: A systematic review and meta-analysis. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 121, 47-59 (2021).
  48. Yarnall, A. J., et al. Short latency afferent inhibition: a biomarker for mild cognitive impairment in Parkinson's disease. Movement Disorders. 28 (9), 1285-1288 (2013).
  49. Celebi, O., Temuçin, C. M., Elibol, B., Saka, E. Short latency afferent inhibition in Parkinson's disease patients with dementia. Movement Disorders. 27 (8), 1052-1055 (2012).
  50. Martin-Rodriguez, J. F., Mir, P. Short-afferent inhibition and cognitive impairment in Parkinson's disease: A quantitative review and challenges. Neuroscience Letters. 719, 133679 (2020).
  51. Nardone, R., et al. Short latency afferent inhibition differs among the subtypes of mild cognitive impairment. Journal of Neural Transmission. 119 (4), 463-471 (2012).
  52. Tsutsumi, R., et al. Reduced interhemispheric inhibition in mild cognitive impairment. Experimental Brain Research. 218 (1), 21-26 (2012).
  53. Di Lazzaro, V., et al. Segregating two inhibitory circuits in human motor cortex at the level of GABAA receptor subtypes: A TMS study. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2207-2214 (2007).
  54. Giorgetti, M., et al. Local GABAergic modulation of acetylcholine release from the cortex of freely moving rats. European Journal of Neuroscience. 12 (6), 1941-1948 (2000).
  55. Turco, C. V., Toepp, S. L., Foglia, S. D., Dans, P. W., Nelson, A. J. Association of short- and long-latency afferent inhibition with human behavior. Clinical Neurophysiology. 132 (7), 1462-1480 (2021).
  56. Hannah, R., Rothwell, J. C. Pulse duration as well as current direction determines the specificity of transcranial magnetic stimulation of motor cortex during contraction. Brain Stimulation. 10 (1), 106-115 (2017).
  57. Peterchev, A. V., D'Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023 (2014).
  58. Peterchev, A. V., Murphy, D. L., Lisanby, S. H. Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters (cTMS). Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2010, 2922-2926 (2010).
  59. Rothkegel, H., Sommer, M., Paulus, W., Lang, N. Impact of pulse duration in single pulse TMS. Clinical Neurophysiology. 121 (11), 1915-1921 (2010).
  60. MagPro Family User Guide. MagVenture A/S Available from: https://tsgdoc.socsci.ru.nl/images/a/ac/Magpro_family.pdf (2022)
  61. Bashir, S., Edwards, D., Pascual-Leone, A. Neuronavigation increases the physiologic and behavioral effects of low-frequency rTMS of primary motor cortex in healthy subjects. Brain Topography. 24 (1), 54-64 (2011).
  62. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  63. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112 (4), 720 (2001).
  64. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108 (1), 1-16 (1998).
  65. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  66. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Effects of short latency afferent inhibition on short interval intracortical inhibition. Journal of Neurophysiology. 111 (6), 1350-1361 (2013).
  67. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Interactions between short latency afferent inhibition and long interval intracortical inhibition. Experimental Brain Research. 199 (2), 177-183 (2009).
  68. Turco, C. V., El-Sayes, J., Fassett, H. J., Chen, R., Nelson, A. J. Modulation of long-latency afferent inhibition by the amplitude of sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 610-618 (2017).
  69. Sakai, K., et al. Preferential activation of different I waves by transcranial magnetic stimulation with a figure-of-eight-shaped coil. Experimental Brain Research. 113 (1), 24-32 (1997).
  70. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  71. . ClinicalResearcher.org Available from: https://www.clinicalresearcher.org/software.htm (2022)
  72. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  73. Silbert, B. I., Patterson, H. I., Pevcic, D. D., Windnagel, K. A., Thickbroom, G. W. A comparison of relative-frequency and threshold-hunting methods to determine stimulus intensity in transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 124 (4), 708-712 (2013).
  74. Cash, R. F., Isayama, R., Gunraj, C. A., Ni, Z., Chen, R. The influence of sensory afferent input on local motor cortical excitatory circuitry in humans. Journal of Physiology. 593 (7), 1667-1684 (2015).
  75. Hayes, K. D., Khan, M. E. R., Barclay, N. E., Meehan, S. K. The persistent effects of sports-related concussion during adolescence on sensorimotor integration. Canadian Association for Neuroscience Meeting. , (2022).
  76. Turco, C. V., et al. Short- and long-latency afferent inhibition; Uses, mechanisms and influencing factors. Brain Stimulation. 11 (1), 59-74 (2018).
  77. Casula, E. P., Rocchi, L., Hannah, R., Rothwell, J. C. Effects of pulse width, waveform and current direction in the cortex: A combined cTMS-EEG study. Brain Stimulation. 11 (5), 1063-1070 (2018).
  78. D'Ostilio, K., et al. Effect of coil orientation on strength-duration time constant and I-wave activation with controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 675-683 (2016).
  79. Barclay, N. E., Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, S. K. Program No. 474.08.The contribution of oscillatory activity to the modulation of different sensorimotor circuits under varying working memory load. Society for Neuroscience Annual Meeting. , (2022).
  80. Dubbioso, R., Raffin, E., Karabanov, A., Thielscher, A., Siebner, H. R. Centre-surround organization of fast sensorimotor integration in human motor hand area. NeuroImage. 158, 37-47 (2017).
  81. Adams, F. C., et al. Tactile sensorimotor training does not alter short- and long-latency afferent inhibition. Neuroreport. 34 (3), 123-127 (2023).
  82. Paparella, G., Rocchi, L., Bologna, M., Berardelli, A., Rothwell, J. Differential effects of motor skill acquisition on the primary motor and sensory cortices in healthy humans. Journal of Physiology. 598 (18), 4031-4045 (2020).
  83. Deveci, S., et al. Effect of the brain-derived neurotrophic factor gene Val66Met polymorphism on sensory-motor integration during a complex motor learning exercise. Brain Research. 1732, 146652 (2020).
  84. Turco, C. V., Locke, M. B., El-Sayes, J., Tommerdahl, M., Nelson, A. J. Exploring behavioral correlates of afferent inhibition. Brain Sciences. 8 (4), 64 (2018).
  85. Mang, C. S., Bergquist, A. J., Roshko, S. M., Collins, D. F. Loss of short-latency afferent inhibition and emergence of afferent facilitation following neuromuscular electrical stimulation. Neuroscience Letters. 529 (1), 80-85 (2012).
  86. Mirdamadi, J. L., Block, H. J. Somatosensory changes associated with motor skill learning. Journal of Neurophysiology. 123 (3), 1052-1062 (2020).
  87. Bologna, M., et al. Bradykinesia in Alzheimer's disease and its neurophysiological substrates. Clinical Neurophysiology. 131 (4), 850-858 (2020).
  88. Schirinzi, T. Amyloid-mediated cholinergic dysfunction in motor impairment related to Alzheimer's disease. Journal of Alzheimer's Disease. 64 (2), 525-532 (2018).
  89. Cohen, L. G., Starr, A. Localization, timing and specificity of gating of somatosensory evoked potentials during active movement in man. Brain. 110 (2), 451-467 (1987).
  90. Brown, K. E., et al. The reliability of commonly used electrophysiology measures Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. Brain Stimulation. 10 (6), 1102-1111 (2017).
  91. Turco, C. V., Pesevski, A., McNicholas, P. D., Beaulieu, L. D., Nelson, A. J. Reliability of transcranial magnetic stimulation measures of afferent inhibition. Brain Research. 1723, 146394 (2019).
  92. Rehsi, R. S., et al. Investigating the intra-session reliability of short and long latency afferent inhibition. Clinical Neurophysiology Practice. 8, 16-23 (2023).
  93. Toepp, S. L., Turco, C. V., Rehsi, R. S., Nelson, A. J. The distribution and reliability of TMS-evoked short- and long-latency afferent interactions. PLoS One. 16 (12), e0260663 (2021).
  94. Alle, H., Heidegger, T., Krivanekova, L., Ziemann, U. Interactions between short-interval intracortical inhibition and short-latency afferent inhibition in human motor cortex. Journal of Physiology-London. 587 (21), 5163-5176 (2009).
  95. Noda, Y., et al. A combined TMS-EEG study of short-latency afferent inhibition in the motor and dorsolateral prefrontal cortex. Journal of Neurophysiology. 116 (3), 938-948 (2016).
  96. Noda, Y. Reduced prefrontal short-latency afferent inhibition in older adults and its relation to executive function: A TMS-EEG study. Frontiers in Aging Neuroscience. 9, 119 (2017).
  97. Noda, Y., et al. Reduced short-latency afferent inhibition in prefrontal but not motor cortex and its association with executive function in schizophrenia: A combined TMS-EEG study. Schizophrenia Bulletin. 44 (1), 193-202 (2018).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

194

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved