Beurteilung der kortikospinalen Erregbarkeit während des zielgerichteten Reichweitenverhaltens

Zusammenfassung

Erreichen ist eine grundlegende Fähigkeit, die es dem Menschen ermöglicht, mit der Umwelt zu interagieren. Mehrere Studien haben darauf abgezielt, das Erreichen des Verhaltens mit einer Vielzahl von Methoden zu charakterisieren. Dieser Artikel bietet eine Open-Source-Anwendung der transkraniellen Magnetstimulation zur Beurteilung des Zustands der kortikospinalen Erregbarkeit beim Menschen während des Erreichens der Aufgabenleistung.

Zusammenfassung

Reaching ist ein weit verbreitetes Verhalten in der motorischen Physiologie und neurowissenschaftlichen Forschung. Während das Erreichen mit einer Vielzahl von Verhaltensmanipulationen untersucht wurde, gibt es nach wie vor erhebliche Lücken im Verständnis der neuronalen Prozesse, die an der Planung, Ausführung und Kontrolle der Reichweite beteiligt sind. Der hier beschriebene neuartige Ansatz kombiniert eine zweidimensionale Reichweitenaufgabe mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) und gleichzeitiger Elektromyographie-Aufzeichnung (EMG) von mehreren Muskeln. Diese Methode ermöglicht die nichtinvasive Detektion der kortikospinalen Aktivität zu präzisen Zeitpunkten während der Entfaltung von Reichweitenbewegungen. Der Beispiel-Task-Code enthält eine verzögerte Response-Reach-Aufgabe mit zwei möglichen Zielen, die ± 45° von der Mittellinie entfernt angezeigt werden. Einzelpuls-TMS wird bei den meisten Aufgabenversuchen abgegeben, entweder zu Beginn des vorbereitenden Cues (Baseline) oder 100 ms vor dem imperativen Cue (Verzögerung). Dieses Probendesign eignet sich zur Untersuchung von Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit während der Reach-Präparation. Der Beispielcode enthält auch eine visuomotorische Störung (d.h. eine Cursordrehung von ± 20°), um die Auswirkungen der Anpassung auf die kortikospinale Erregbarkeit während der Reach-Vorbereitung zu untersuchen. Die Aufgabenparameter und die TMS-Abgabe können angepasst werden, um spezifische Hypothesen über den Zustand des motorischen Systems während des Reichweitenverhaltens zu berücksichtigen. In der ersten Implementierung wurden bei 83 % der TMS-Studien motorisch evozierte Potenziale (MEPs) erfolgreich ermittelt, und bei allen Studien wurden Reichweitenverläufe aufgezeichnet.

Einleitung

Zielgerichtetes Erreichen ist ein grundlegendes motorisches Verhalten, das es dem Menschen ermöglicht, mit der äußeren Umgebung zu interagieren und diese zu manipulieren. Das Studium des Erreichens in den Bereichen Motorphysiologie, Psychologie und Neurowissenschaften hat eine reiche und umfangreiche Literatur hervorgebracht, die eine Vielzahl von Methoden umfasst. Frühe Studien zum Erreichen nutzten direkte neuronale Aufzeichnungen bei nicht-menschlichen Primaten, um die neuronale Aktivität auf der Ebene einzelner Neuronen^{zu untersuchen 1,2}. Neuere Studien haben das Erreichen von Verhaltensparadigmen untersucht, die sensomotorische Anpassung einsetzen, um die Natur des motorischen Lernens und der Kontrolle zu erforschen ^3,4,5. Solche Verhaltensaufgaben in Kombination mit funktioneller Magnetresonanztomographie und Elektroenzephalographie können die gesamte Gehirnaktivität während des Erreichens beim Menschen messen ^6,7. Andere Studien haben Online-TMS verwendet, um verschiedene Merkmale der Reichweitenvorbereitung und -ausführung^{zu untersuchen} 8,9,10,11,12,13,14. Es besteht jedoch weiterhin Bedarf an einem Open-Source- und flexiblen Ansatz, der die Verhaltensbewertung des Erreichens mit TMS kombiniert. Während der Nutzen der Kombination von TMS mit Verhaltensprotokollen sehr gut etabliert ist¹⁵, untersuchen wir hier speziell die Anwendung von TMS im Kontext der Verwendung eines Open-Source-Ansatzes. Dies ist insofern neu, als andere Gruppen, die mit dieser Kombination von Methoden publiziert haben, ihre Werkzeuge nicht ohne weiteres zur Verfügung gestellt haben, was eine direkte Replikation verbietet. Dieser Open-Source-Ansatz erleichtert die Replikation, den Datenaustausch und die Möglichkeit von Multi-Site-Studien. Sollten andere neue Forschungsfragen mit ähnlichen Werkzeugen verfolgen wollen, kann der Open-Source-Code als Sprungbrett für Innovationen dienen, da er leicht anpassbar ist.

TMS bietet ein nicht-invasives Mittel zur Sondierung des motorischen Systems zu genau kontrollierten Zeitpunkten¹⁶. Wenn TMS über den primären motorischen Kortex (M1) appliziert wird, kann es eine messbare Ablenkung im Elektromyogramm eines Zielmuskels hervorrufen. Die Amplitude dieser Spannungswelle, die als motorisch evoziertes Potential (MEP) bekannt ist, liefert einen Index für den momentanen Erregbarkeitszustand des kortikospinalen (CS) Weges - ein resultierendes Analogon aller erregenden und hemmenden Einflüsse auf den CS-Weg¹⁷. Neben einer zuverlässigen Messung der intrinsischen CS-Erregbarkeit innerhalb des Probanden kann TMS mit anderen Verhaltens- oder kinematischen Metriken kombiniert werden, um die Beziehungen zwischen CS-Aktivität und Verhalten zeitlich präzise zu untersuchen. Viele Studien haben eine Kombination aus TMS und Elektromyographie (EMG) verwendet, um eine Vielzahl von Fragen über das motorische System zu beantworten, zumal diese Kombination von Methoden es ermöglicht, MEPs unter einer Vielzahl von Verhaltensbedingungen zu untersuchen¹⁵. Ein Bereich, in dem sich dies als besonders nützlich erwiesen hat, ist die Untersuchung der Aktionsvorbereitung, meistens durch die Untersuchung von Einzelgelenkbewegungen¹⁸. Allerdings gibt es vergleichsweise weniger TMS-Studien zu naturalistischen Mehrgelenkbewegungen wie z.B. dem Greifen.

Das aktuelle Ziel war es, eine Aufgabe mit verzögerter Reaktion zu entwickeln, die Verhaltenskinematik, Online-Einzelpuls-TMS-Verabreichung und gleichzeitige EMG-Aufzeichnung von mehreren Muskeln umfasst. Die Aufgabe umfasst ein zweidimensionales Punkt-zu-Punkt-Reichweiten-Paradigma mit visuellem Online-Feedback unter Verwendung eines horizontal ausgerichteten Monitors, so dass das visuelle Feedback mit den Reichweitenbahnen übereinstimmt (d.h. eine 1:1-Beziehung während des veridischen Feedbacks und keine Transformation zwischen visuellem Feedback und Bewegung). Das aktuelle Design beinhaltet auch eine Reihe von Versuchen mit einer visuomotorischen Störung. Im angegebenen Beispiel ist dies eine 20°-Drehverschiebung des Cursor-Feedbacks. Frühere Studien haben ein ähnliches Paradigma verwendet, um Fragen zu den Mechanismen und Berechnungen zu beantworten, die mit der sensomotorischen Anpassung verbunden sind 19,20,21,22,23,24,25. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz, die Erregbarkeitsdynamik des motorischen Systems zu bestimmten Zeitpunkten während des motorischen Online-Lernens zu bewerten.

Da sich das Erreichen als fruchtbares Verhalten für die Untersuchung von Lernen / Anpassung erwiesen hat, hat die Bewertung der CS-Erregbarkeit im Kontext dieses Verhaltens ein enormes Potenzial, die neuronalen Substrate zu beleuchten, die an diesen Verhaltensweisen beteiligt sind. Dazu können lokale hemmende Einflüsse, Veränderungen der Tuning-Eigenschaften, das Timing neuronaler Ereignisse usw. gehören, wie sie in der Forschung an nicht-menschlichen Primaten festgestellt wurden. Diese Merkmale waren jedoch bei Menschen und klinischen Populationen schwieriger zu quantifizieren. Die neuronale Dynamik kann auch in Abwesenheit von offener Bewegung beim Menschen mit dem kombinierten TMS- und EMG-Ansatz (d.h. während der Vorbereitung der Bewegung oder in Ruhe) untersucht werden.

Die vorgestellten Tools sind Open-Source, und der Code ist leicht anpassbar. Dieses neuartige Paradigma wird wichtige Erkenntnisse über die Mechanismen liefern, die an der Vorbereitung, Ausführung, Beendigung und Anpassung von Reichweitenbewegungen beteiligt sind. Darüber hinaus hat diese Kombination von Methoden das Potenzial, Zusammenhänge zwischen Elektrophysiologie und Reichweitenverhalten beim Menschen aufzudecken.

Protokoll

Alle hier beschriebenen Methoden wurden in Übereinstimmung mit dem IRB-Protokoll und der Genehmigung (University of Oregon IRB-Protokollnummer 10182017.017) durchgeführt. Von allen Probanden wurde eine Einwilligung nach Aufklärung eingeholt.

1. Greifapparat

1. Platzieren Sie ein großes Grafiktablett flach auf einem Schreibtisch.
2. Verwenden Sie einen verstellbaren 80-20-Aluminiumrahmen, um den Aufgabenmonitor 6-8 Zoll über dem Tablet parallel zu positionieren, wobei der Bildschirm nach oben zeigt (eine Blaupause finden Sie hier: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS und ergänzende Abbildung 1).
   HINWEIS: Dieses Setup ermöglicht es den Teilnehmern, über das Tablet zu greifen und Ziele zu erfassen, die auf dem Aufgabenmonitor angezeigt werden, während die Sicht auf ihren ausgestreckten Arm verdeckt wird.
3. Verwenden Sie den in Kim et ^al.3 beschriebenen Aufbau als Referenz.

2. Maschinenschnittstellen

1. Verbinden Sie das Tablet über einen USB-Anschluss mit dem Computer. Schließen Sie den Task-Monitor über den HDMI-Anschluss an den Computer an. Schließen Sie den rückseitigen TMS-Anschluss über ein DB-9-Kabel an den Computer an.
2. Schließen Sie das EMG-System über eine PCI-6220-Karten-Datenerfassung an den Computer an. Verbinden Sie die Fotodiode über ein BNC-Kabel mit dem EMG-System.

3. Fotodioden-Sensor

1. Schließen Sie einen Fotodiodensensor an das BNC-Kabel an. Befestigen Sie den Fotodiodensensor mit Klebeband in der oberen rechten Ecke des Aufgabenmonitors, wobei der Sensor ≤ 1 cm entfernt auf den Bildschirm gerichtet ist.
   HINWEIS: Dadurch wird das Timing von Stimuli, die auf dem Aufgabenmonitor als analoge Daten in einem unabhängigen Eingangskanal dargestellt werden, aufgezeichnet.

4. Software

1. Laden Sie die VETA Toolbox²⁶ (https://github.com/greenhouselab/Veta) für MATLAB 2018 herunter, um eine Schnittstelle zur Hardware für die Datenerfassung herzustellen.
2. Laden Sie den Reaching-Task-Code (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) herunter, der für die Kontrolle der experimentellen Parameter und die Verbindung mit dem Tablet entwickelt wurde.

5. Teilnehmer-Screening und Einwilligungserklärung

1. Untersuchen Sie das Subjekt auf Kontraindikationen für TMS. Zu den Ausschlusskriterien gehören eine persönliche oder familiäre Vorgeschichte von Krampfanfällen, Kopfschmerzen, Hirntrauma, Ohnmacht, chronischem Stress oder Angstzuständen, Schlafstörungen und neuroaktiven Medikamenten. Weitere Ausschlusskriterien sind Metallimplantate im Gehirn oder Schädel sowie Drogen- oder Alkoholkonsum in den 24 Stunden vor dem Test. Zu den Einschlusskriterien gehörten Rechtshändigkeit und ein Alter zwischen 18 und 35 Jahren.
2. Geben Sie eine schriftliche Erklärung des Verfahrens und der damit verbundenen Risiken ab und klären Sie alle weiteren Fragen, die der Teilnehmer möglicherweise hat.
3. Einholung der Einverständniserklärung der Teilnehmer.

6. Einrichtung des Betreffs

1. Positionieren Sie das Subjekt in einem bequemen Stuhl, der dem Tablet zugewandt ist. Stellen Sie sicher, dass die Knie um 90° gebeugt sind und die Beine unter dem Schreibtisch liegen.
2. Bereiten Sie die Haut vor und platzieren Sie EMG-Elektroden.
   1. Verwenden Sie feinkörniges Schleifpapier, um die Haut an der Stelle des rechten ersten dorsalen Interossei (FDI), des Extensor carpi radialis und der vorderen Deltamuskeln sowie der C4-Prominenz an der Basis des Halses sanft abzuschleifen, um elektrische Artefakte zu erkennen, die durch den TMS-Impuls erzeugt werden.
      HINWEIS: Muskelaufzeichnungsseiten können je nach Benutzerbedürfnissen angepasst werden.
   2. Tupfen Sie jeden abgeschliffenen Bereich einmal pro Elektrodenstelle mit einem Alkoholvorbereitungspad ab, um ihn zu reinigen.
   3. Platzieren Sie eine EMG-Elektrode an jeder Stelle. Stellen Sie sicher, dass die Elektroden senkrecht zu den Muskelfasern verlaufen. Platzieren Sie die Erdungselektrode auf dem knöchernen Vorsprung des rechten Ellenbogens.
   4. Sichern Sie jede Elektrode mit medizinischem Klebeband.
3. Überprüfen Sie die Qualität der EMG-Aufnahme. Verwenden Sie die VETA-Toolbox, um alle EMG-Leiterbahnen zu visualisieren und sicherzustellen, dass sie frei von Artefakten sind. Wenn EMG-Spuren laut sind, stellen Sie sicher, dass der Boden richtig platziert ist und dass alle Elektroden den richtigen Kontakt mit der Haut haben.

7. Transkranielle Magnetstimulation

1. Schalten Sie das TMS-Gerät ein.
2. Finden Sie den TMS-Hotspot des rechten FDI-Muskels durch Stimulation des linken M1.
   1. Platzieren Sie die Spule ~ 5 cm seitlich und 2 cm vor dem Scheitelpunkt des Kopfes, ~ 45 ° von der Mittellinie entfernt.
   2. TMS-Impulse alle 4 s verabreichen, während die Spule in Schritten von ca. 5 mm in der anterior-posterioren und medial-lateralen Ebene neu positioniert wird.
   3. Beginnen Sie mit einer maximalen Stimulatorleistung von 30 % und erhöhen Sie die TMS-Intensität schrittweise um 2 %, bis MEPs beobachtet werden.
   4. Sobald der optimale Ort identifiziert ist, an dem MEPs bei der Mehrheit (~ 75%) der Impulse mit der geringstmöglichen Stimulatorintensität zuverlässig ausgelöst werden können, bestimmen Sie die Ruhemotorschwelle (RMT), indem Sie das Intensitätsniveau ermitteln, das MEPs mit einer Spitze-Spitze-Amplitude von >50 μV bei fünf von 10 Impulsen erzeugt.
   5. Markieren Sie die Position, indem Sie vorsichtig dünne Streifen reflektierendes Klebeband auf den Kopf des Teilnehmers entlang des Umfangs der Spule legen. Halten Sie die Spulenpositionierung aufrecht, indem Sie die Spule entweder manuell halten oder einen Ständer verwenden, um sie zu stützen.

8. Erreichen des Task-Setups

1. Legen Sie einen Velcro Handschuh auf die rechte Hand des Teilnehmers, um eine entspannte Power-Grip-Haltung zu ermöglichen.
2. Befestigen Sie den Stift am Handschuh und weisen Sie das Subjekt an, die Hand zwischen den Bewegungen entspannt zu halten.
3. Kommunizieren Sie die Aufgabenanweisungen, die wie folgt lauten: Führen Sie den Cursor zur Ausgangsposition am unteren Bildschirmrand. Sie sehen einen Hinweis an einem von zwei Zielorten. Wenn sich das Ziel mit Farbe füllt, erreichen Sie das Ziel so schnell und so genau wie möglich. Kehren Sie dann in die Ausgangsposition zurück. Geben Sie die Positionen von Ausgangspositionen, Hinweisen und Zielen an (Abbildung 1A).
4. Trainieren Sie den Teilnehmer, Ziele mit dem Stift so schnell und genau wie möglich zu schneiden. Schalten Sie die Lichter im Aufgabenraum aus, um die Sicht des Teilnehmers auf die Armbewegungen zu verdecken und die Sichtbarkeit des Aufgabenmonitors zu verbessern.

9. Aufgabengestaltung

1. Steuern Sie die visuelle Stimuluspräsentation mit Psychtoolbox 3.0 in Matlab 2018 (Supplementary Coding File 1).
2. Verwenden Sie die folgenden Parameter, um die aktuellen Daten abzugleichen: 20 Praxisversuche; 270 Testversuche; TMS bei 4/5 der Testversuche; TMS fällt entweder mit dem vorbereitenden Cue-Beginn (Baseline-TMS) oder 100 ms vor dem imperativen Cue (Verzögerungs-TMS) mit gleicher Häufigkeit zusammen; 1/10 aller Versuche sind Fangversuche, bei denen der imperative Hinweis nicht erscheint; Die Ausgangsposition ist ein Kreis mit einem Radius von 2 cm, der in der unteren Mitte des Arbeitsbereichs positioniert ist. Zwei kreisförmige Ziele mit einem Radius von 1 cm werden 15 cm von der Ausgangsposition entfernt bei +45° und -45° von der Mittellinie entfernt.
3. Legen Sie die Ereignisreihenfolge und -dauer wie folgt fest: vorbereitender Hinweis auf 900 ms und imperativer Hinweis auf 900 ms.

10. TMS-Verwaltung

1. Die VETA-Toolbox verwaltet gleichzeitig das TMS und zeichnet EMG-https://github.com/greenhouselab/Veta auf.
2. Kontrollieren Sie das Timing der TMS-Impulse mit der VETA-Toolbox so, dass sie mit den ausgewählten Verhaltensereignissen übereinstimmen (z. B. dem Beginn des vorbereitenden Hinweises oder 100 ms vor dem Zielbeginn).
3. Bereitstellung von TMS mit ausreichender Häufigkeit, um eine ausreichende Anzahl von Abgeordneten für die Analyse zu gewährleisten.
   HINWEIS: Wie geschrieben, liefert der Aufgabencode einen TMS-Impuls bei 4/5 der gesamten Versuche, entweder zu Beginn des vorbereitenden Hinweises, um Basis-MEPs hervorzurufen, oder 100 ms vor dem imperativen Cue, um verzögerte MEPs hervorzurufen. Parameter können im Code entsprechend den Benutzerbedürfnissen angepasst werden. Studien ohne TMS können verwendet werden, um die Verhaltensleistung ohne TMS zu bewerten. Dies ist nützlich, um einen möglichen Einfluss von TMS auf die Leistung zu ermitteln.

Ergebnisse

Die erfolgreiche Durchführung der beschriebenen Methoden umfasst die Aufzeichnung von Tablettendaten, EMG-Spuren und die zuverlässige Erhebung von MEPs. Es wurde ein Experiment durchgeführt, das 270 Testversuche mit TMS umfasste, die in 4/5 der Studien (216 Studien) durchgeführt wurden.

Die Daten wurden von 16 Teilnehmern (acht Frauen, acht Männer) im Alter von 25 ± 10 Jahren erhoben, die sich alle als Rechtshänder bezeichneten. Wir bewerteten die Wirksamkeit der visuellen Störung auf ...

Diskussion

Die oben skizzierten Methoden bieten einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung der motorischen Vorbereitung im Zusammenhang mit dem Erreichen von Verhaltensweisen. Obwohl das Erreichen eine beliebte Modellaufgabe in der Erforschung der motorischen Kontrolle und des Lernens darstellt, besteht die Notwendigkeit, die CS-Dynamik, die mit dem Reichverhalten verbunden ist, genau zu bewerten. TMS bietet eine nicht-invasive, zeitlich präzise Methode zur Erfassung der CS-Aktivität zu diskreten Zeitpunkten währe...

Materialien

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