结合周围神经刺激和可控脉搏参数经颅磁刺激探测感觉运动控制和学习

摘要

短潜伏期传入抑制 （SAI） 是一种经颅磁刺激方案，用于探测感觉运动整合。本文介绍了如何使用SAI来研究感觉运动行为期间运动皮层中的收敛感觉运动环。

摘要

熟练的运动能力取决于将感觉亲和力有效地整合到适当的运动指令中。传入抑制为探索熟练运动动作过程中对感觉运动整合的程序性和陈述性影响提供了一种有价值的工具。本手稿描述了短潜伏期传入抑制（SAI）对理解感觉运动整合的方法和贡献。SAI 量化了收敛传入凌空抽射对经颅磁刺激 （TMS） 诱发的皮质脊髓运动输出量的影响。传入凌空抽射由周围神经的电刺激触发。TMS刺激被传递到初级运动皮层上的某个位置，该位置在该传入神经服务的肌肉中引起可靠的运动诱发反应。运动诱发反应的抑制程度反映了传入凌空收敛在运动皮层上的大小，并涉及中枢GABA能和胆碱能的贡献。胆碱能参与SAI使SAI成为感觉运动表现和学习中陈述程序相互作用的可能标志物。最近，研究已经开始操纵SAI中的TMS当前方向，以梳理初级运动皮层中不同感觉运动回路的功能意义，以熟练的运动动作。使用最先进的可控脉冲参数TMS（cTMS）控制其他脉冲参数（例如脉冲宽度）的能力增强了TMS刺激探测的感觉运动回路的选择性，并为创建更精细的感觉运动控制和学习模型提供了机会。因此，目前的手稿侧重于使用cTMS进行SAI评估。然而，这里概述的原则也适用于使用传统的固定脉冲宽度TMS刺激器和其他形式的传入抑制（例如长潜伏期传入抑制（LAI））评估的SAI。

引言

多个感觉运动环在运动皮层中汇聚，形成锥体束投影到脊髓运动神经元和中间神经元^1。然而，这些感觉运动环如何相互作用以塑造皮质脊髓投射和运动行为仍然是一个悬而未决的问题。短潜伏期传入抑制（SAI）提供了一种工具来探测运动皮层输出中收敛感觉运动环的功能特性。SAI 将运动皮质经颅磁刺激 （TMS） 与相应外周传入神经的电刺激相结合。

TMS是一种非侵入性方法，可安全地刺激人脑中经突触的锥体运动神经元^2,3。TMS涉及通过放置在头皮上的盘绕线传递大的瞬态电流。电流的瞬态性质会产生快速变化的磁场，从而在大脑中感应出电流⁴。在单个TMS刺激的情况下，感应电流激活锥体运动神经元^5-7的一系列兴奋性输入。如果产生的兴奋性输入的强度足够，则下降活动会引起对侧肌肉反应，称为运动诱发电位（MEP）。MEP 的潜伏期反映了皮质运动传导时间⁸。MEP 的振幅指数了皮质脊髓神经元的兴奋性⁹.引发MEP的单个TMS刺激也可以在条件刺激^{10,11,12<....}

研究方案

以下协议可应用于各种实验。所提供的信息详细介绍了一个实验，其中SAI用于量化手指对有效或无效提示探针的反应期间的感觉运动整合。在该协议中，SAI在没有任务的情况下进行评估，然后在提示的感觉运动任务期间同时评估，然后在没有任务的情况下再次评估。cTMS刺激器可以被任何市售的常规TMS刺激器取代。然而，传统TMS刺激器的脉冲宽度将固定在70-82μs之间，具体取决于特定的硬件^59,60。这项研究得到了滑铁卢大学研究伦理办公室的批准。所有参与者都提供了书面知情同意书。

1. 硬件/软件要求

注意： 图1 显示了将外围电气和TMS刺激器与计算机控制的感觉运动任务集成的硬件要求示意图。 图2A描述了PA 感应电流和AP感应电流的SAI设置。 图2B 说明了提示感觉运动任务的事件顺序和SAI评估的相对时间。强烈建议使用立体定向引导系统来跟踪TMS线圈相对于参与者的方向，以减少与线圈位置和轨迹变化相关的生理反应的逐个试验变异性⁶¹。

讨论

这里描述的SAI方法探测了在感觉运动表现和学习中发挥作用的神经通路子集。在参与者执行受控感觉运动任务时评估 SAI 对于解开众多感觉运动环的复杂贡献至关重要，这些感觉运动环会聚在运动皮质脊髓神经元上，以塑造健康和临床人群的运动输出。例如，类似的方法已被用于确定小脑对程序性运动控制过程的影响^37,56以及声明性记忆系统可能影响健康人群21,36,37,38和先前脑震?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acquisition software (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	PL3504/P	LabChart Pro version 8
Alcohol prep pads	Medline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada	211-MM-05507	Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	FE234	Quad Bio Amp
Cotton round	Cliganic, San Francisco, CA, USA	‎CL-BE-019-6PK	Premium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coils	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	COIL70F80301	70 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coils	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	COIL70F80301-IC	70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulator	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	CTMSMU0101	Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	PL3504	PowerLab 4/35
Digital to analog board	National Instruments, Austin, TX, USA	782251-01	NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG)	Covidien, Dublin, Ireland	31112496	Kendal 130 Foam Electrodes
Electrogel	Electrodestore.com	E9	Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
Nuprep	Weaver and Company, Aurora, CO, USA	10-30	Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes)
Peripheral electrical stimulator	Digitimer, Hertfordshire, UK	DS7R	DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrode	Electrodestore.com	DDA-30	Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering)	National Instruments, Austin, TX, USA	784503-35	Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance system	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	KITBSF0404	BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape	3M, Saint Paul, MN, USA	50707387794571	Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)