评估目标导向到达行为期间的皮质脊髓兴奋性

摘要

伸手是允许人类与环境互动的基本技能。一些研究旨在使用各种方法表征到达行为。本文提供了经颅磁刺激的开源应用，以评估人类在达到任务执行期间的皮质脊髓兴奋状态。

摘要

伸展是运动生理学和神经科学研究中广泛研究的行为。虽然已经使用各种行为操作检查了到达，但在理解到达计划、执行和控制所涉及的神经过程方面仍然存在重大差距。这里描述的新方法将二维到达任务与经颅磁刺激（TMS）和来自多个肌肉的同步肌电图（EMG）记录相结合。该方法允许在伸展运动展开期间的精确时间点无创检测皮质脊髓活动。示例任务代码包括一个延迟响应到达任务，其中两个可能的目标显示在偏离中线 45° ±。单脉冲TMS在大多数任务试验中提供，无论是在准备提示（基线）开始时还是在命令性提示（延迟）之前100毫秒。该样品设计适用于研究 REACH 制备过程中皮质脊髓兴奋性的变化。示例代码还包括视觉运动扰动（即光标旋转 ± 20°），以研究适应对 REACH 准备过程中皮质脊髓兴奋性的影响。可以调整任务参数和TMS交付，以解决有关到达行为期间运动系统状态的特定假设。在最初的实施中，83%的TMS试验成功诱发了运动诱发电位（MEP），并在所有试验中记录了到达轨迹。

引言

目标导向的到达是一种基本的运动行为，允许人类与外部环境互动并操纵外部环境。运动生理学、心理学和神经科学领域的研究产生了丰富而广泛的文献，其中包括各种方法论。早期的接触研究使用非人类灵长类动物的直接神经记录来研究单个神经元水平的神经活动^1，2。最近的研究调查了使用行为范式来探索运动学习和控制的本质3，^4，5。这种行为任务与功能性磁共振成像和脑电图相结合，可以测量人类到达时的全脑活动^6，7。其他研究已应用在线TMS来调查到达准备和执行的各种特征⁸，⁹，^10，11，¹²，^13，14。然而，仍然需要一种开源和灵活的方法，将覆盖的行为评估与TMS相结合。虽然将TMS与行为协议相结合的效用已经非常成熟¹⁵，但在这里，我们专门研究了TMS在使用开源方法的背景下的应用。这是新颖的，因为使用这种方法组合发表文章的其他小组没有使他们的工具随时可用，因此禁止直接复制。这种开源方法促进了复制、数据共享和多中心研究的可能性。此外，如果其他人希望使用类似的工具追求新颖的研究问题，开源代码可以作为创新的发射台，因为它很容易适应。

TMS提供了一种在精确控制的时间点¹⁶探测电机系统的无创方法。当应用于初级运动皮层（M1）时，TMS可以在目标肌肉的肌电图中引起可测量的偏转。该电压波的振幅称为电机诱发电位（MEP），提供了皮质脊髓（CS）通路瞬时兴奋状态的指数 - 这是对CS通路¹⁷的所有兴奋性和抑制性影响的合成模拟。除了提供可靠的内在CS兴奋性受试者内测量外，TMS还可以与其他行为或运动学指标相结合，以时间精确的方式研究CS活动与行为之间的关系。许多研究已经利用TMS和肌电图（EMG）的组合来解决有关运动系统的各种问题，特别是因为这种方法的组合使得在各种行为条件下研究MEP成为可能¹⁵。事实证明，这特别有用的一个领域是动作准备的研究，最常见的是通过研究单关节运动¹⁸。然而，对自然主义多关节运动（如伸展）的TMS研究相对较少。

目前的目标是设计一种延迟反应到达任务，包括行为运动学，在线单脉冲TMS管理以及来自多个肌肉的同时肌电图记录。该任务包括一个二维点对点到达范式，使用水平方向的监视器进行在线视觉反馈，使得视觉反馈与到达轨迹相匹配（即，在真实反馈期间的 1:1 关系，视觉反馈和运动之间没有转换）。目前的设计还包括一组视觉运动扰动试验。在提供的示例中，这是光标反馈中的 20° 旋转偏移。以前的研究使用类似的到达范式来解决与感觉运动适应相关的机制和计算的问题¹⁹，20，²¹，²²，²³，^24，25。此外，这种方法可以在在线运动学习期间的精确时间点评估运动系统的兴奋性动态。

由于接触已被证明是研究学习/适应的一种富有成效的行为，因此在这种行为的背景下评估CS兴奋性具有揭示这些行为所涉及的神经基质的巨大潜力。这些可能包括局部抑制影响，调谐特性的变化，神经事件的时间等，正如在非人类灵长类动物研究中已经建立的那样。然而，这些特征在人类和临床人群中更难量化。在人类没有明显运动的情况下，也可以使用TMS和EMG组合方法（即，在准备运动或休息时）研究神经动力学。

所提供的工具是开源的，代码很容易适应。这种新颖的范式将对伸展运动的准备、执行、终止和适应所涉及的机制产生重要的见解。此外，这种方法的组合有可能揭示电生理学与人类到达行为之间的关系。

研究方案

此处详述的所有方法均按照IRB协议和批准（俄勒冈大学IRB协议编号10182017.017）进行。获得所有受试者的知情同意。

1. 伸展装置

1. 将大型图形输入板平放在桌面上。
2. 使用可调节的 80-20 铝制框架将任务监视器平行放置在平板电脑上方 6-8 处，屏幕朝上（有关蓝图，请查看此处:https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS 和补充图 1）。
   注意:此设置允许参与者跨过平板电脑并获取任务监视器上显示的目标，同时遮挡其伸展手臂的视野。
3. 使用Kim等人³ 中描述的设置作为参考。

2. 机器接口

1. 通过 USB 端口 将 平板电脑连接到计算机。通过HDMI端口 将 任务监视器连接到计算机。通过DB-9电缆 将 后面的TMS端口连接到计算机。
2. 通过PCI-6220卡DAQ 将 EMG系统连接到计算机。通过BNC电缆 将 光电二极管连接到EMG系统。

3. 光电二极管传感器

1. 将光电二极管传感器连接到 BNC 电缆。用胶带将光电二极管传感器固定在任务监视器的右上角，传感器面向屏幕，≤ 1 厘米远。
   注意:这会将任务监视器上呈现的刺激的时序记录为独立输入通道中的模拟数据。

4. 软件

1. 下载适用于 MATLAB 2018 的 VETA 工具箱²⁶ （https://github.com/greenhouselab/Veta），与用于数据收集的硬件接口。
2. 下载为控制实验参数和与平板电脑接口而开发的到达任务代码（https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS）。

5. 参与者筛选和知情同意

1. 筛查受试者是否有 TMS 禁忌证。排除标准包括癫痫发作、头痛、脑外伤、昏厥、慢性应激或焦虑、睡眠问题和任何神经活性药物的个人或家族史。其他排除标准包括大脑或颅骨中的任何金属植入物，以及在测试前24小时内使用任何娱乐性药物或酒精。纳入标准包括右撇子和年龄在18至35岁之间。
2. 提供程序和相关风险的书面解释，澄清参与者可能提出的任何其他问题。
3. 获得参与者的知情同意。

6. 科目设置

1. 将拍摄对象放在面向平板电脑的舒适椅子上。确保膝盖弯曲至90°，腿在桌子下方。
2. 准备皮肤并放置肌电图电极。
   1. 使用细粒砂纸轻轻擦拭右侧第一背骨间 （FDI）、桡腕伸肌和前三角肌部位的皮肤，以及颈部底部的 C4 突起，以检测 TMS 脉冲产生的电伪影。
      注意:肌肉记录站点可以根据用户需求进行调整。
   2. 每个电极部位用酒精制备垫擦拭每个磨损区域一次以进行清洁。
   3. 在每个部位放置一个肌电图电极。确保电极垂直于肌肉纤维运行。将接地电极放在右肘的骨突出处。
   4. 用医用胶带固定每个电极。
3. 检查肌电图记录的质量。使用 VETA 工具箱可视化所有肌电图迹线，并确保它们没有伪影。如果肌电图迹线有噪音，请确保接地正确放置，并且所有电极与皮肤正确接触。

7. 经颅磁刺激

1. 打开 TMS 机器。
2. 通过刺激左侧M1 找到 右侧FDI肌肉的TMS热点。
   1. 将线圈横向放置~5厘米，在头部顶点前2厘米处放置，方向为中线~45°。
   2. 每 4 秒施用一次 TMS 脉冲，同时在前-后和内侧侧以约 5 mm 的增量重新定位线圈。
   3. 从 30% 的最大刺激器输出开始，以 2% 的增量逐渐增加 TMS 强度，直到观察到 MEP。
   4. 一旦确定了最佳位置，在该位置上，MEP 可以以尽可能低的刺激器强度可靠地在大多数 （~75%） 脉冲上被引出，通过找到在 10 个脉冲中的 5 个脉冲上产生峰峰值幅度为 >50 μV 的 MEP 的强度水平来确定静息运动阈值 （RMT）。
   5. 通过沿着线圈的周边在参与者的头上轻轻放置细条反光带来标记位置。通过手动握住线圈或使用支架支撑线圈来保持线圈定位。

8. 到达任务设置

1. 将魔术贴手套戴在参与者的右手上，以促进放松的力量握持姿势。
2. 将手写笔连接到手套上，并建议受试者在伸手运动之间保持手部放松。
3. 传达任务说明，如下所示: 将光标引导到屏幕底部的初始位置。您将在两个目标位置之一看到提示。当目标填充颜色时，尽可能快速准确地穿过目标。然后返回初始位置。指示初始位置、提示和目标的位置（图 1A）。
4. 指导参与者用手写笔尽可能快速准确地切开目标。关闭任务室中的灯，以遮挡参与者手臂运动的视野并提高任务监视器的可见性。

9. 任务设计

1. 在 Matlab 2018 中使用 Psychtoolbox 3.0 控制视觉刺激呈现（补充编码文件 1）。
2. 使用以下参数匹配当前数据:20 次练习试验;270次试验;4/5 的测试试验的 TMS;TMS 要么与预备提示开始（基线 TMS）重合，要么在命令性提示（延迟 TMS）之前 100 毫秒以相同的频率重合;总试验的1/10是捕获试验，其中没有出现命令性提示;起始位置是一个半径为 2 厘米的圆，位于工作区的底部中心;两个半径为 1 cm 的圆形目标位于距离起始位置 15 cm 处，距离中线 +45°和 -45°。
3. 按如下方式设置事件顺序和持续时间:准备提示为 900 毫秒，命令式提示为 900 毫秒。

10. TMS管理

1. VETA工具箱同时管理TMS并记录肌电图 https://github.com/greenhouselab/Veta。
2. 使用VETA工具箱控制TMS脉冲的时间，以与所选的行为事件（即，准备提示的开始或目标开始前100毫秒）一致。
3. 以足够的频率提供 TMS，以确保有足够的 MEP 进行分析。
   注意:如前所述，任务代码将在总试验的 4/5 上提供 TMS 脉冲，要么在准备提示开始时引出基线 MEP，要么在命令提示引发延迟 MEP 之前 100 毫秒。可以根据用户需要在代码中调整参数。没有TMS的试验可用于评估在没有TMS的情况下的行为表现。这对于确定 TMS 对性能的任何可能影响非常有用。

结果

所描述方法的成功执行包括记录片剂数据、肌电图痕迹和可靠地引出 MEP。完成了一项实验，其中包括270项测试试验，其中4/5试验（216项试验）提供了TMS。

数据来自16名年龄在25岁±10岁的参与者（8名女性8名男性），他们都自我报告为右撇子。我们通过推导一位代表性参与者的学习函数来评估视觉扰动对行为表现的有效性。 这些数据如图1B 所示，并显示?...

讨论

上面概述的方法提供了一种在达到行为的背景下研究运动准备的新方法。尽管到达代表了运动控制和学习研究中的流行模型任务，但需要精确评估与到达行为相关的CS动力学。TMS提供了一种非侵入性的，时间精确的方法来捕获到达过程中离散时间点的CS活动。这里描述的方法结合了两个独立的子领域 - TMS和触及 - 涉及同时记录运动学和电生理指标的单一范式。

虽?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-Port Native PCI Express	StarTech.com	RS232 Card with 16950 UART	Must be compatible with desktop computer
Adjustable 80-20 aluminum frame	any
Alcohol prep pads	any		EMG preparation
Bagnoli Bipolar Electrodes	Delsys	DE 2.1
Bagnoli Reference Electrode	Delsys	USX2000	2” (5cm) Round
Bagnoli-8 EMG System	Delsys
Chair	any
Computer monitor for EMG/TMS	n/a
Desk	any
Desktop Computer	Dell	xps 8930	RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB
EMG electrodes	Delsys	Sensor Adhesive Interface
Fine grain sandpaper	any		EMG preparation
Graphics tablet	Wacom	Intuos-4 XL
Handle of paint roller	any		to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside
Medical tape	any		To secure EMG electrodes
PCI-6220 card DAQ	National Instruments		To interface EMG system
Photodiode Sensor	Vishay	BPW21R	To record timing of task events into EMG trace.
Rear TMS port	Magstim		Included with TMS machine
Right-handed polyethylene glove	any		Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle
Sensory Adhesive Interface, 2-slot	Delsys	SC-F01
Stylus	Wacom	Intuos-4 grip pen
Tablet-to-Computer USB cable	any		Included in Tablet purchase
Task Monitor	Asus	VG248
TMS coil	Magstim	D70 Remote Coil	7cm diameter, figure-of-eight coil
TMS machine	Magstim	200-2
TMS-to-Computer DB9 cable	any		Connects to PCIe Serial Card
Velcro	any		To be placed on glove and stylus handle