Diese Forschung wurde zum Teil durch die großzügige Finanzierung des Knight Campus Undergraduate Scholars-Programms und der Phil and Penny Knight Foundation ermöglicht

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
<ol><li>Platzieren Sie ein großes Grafiktablett flach auf einem Schreibtisch.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Verwenden Sie den in Kim et al.3 beschriebenen Aufbau als Referenz.</li>
</ol>2. Maschinenschnittstellen
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>3. Fotodioden-Sensor
<ol><li>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.</li>
</ol>4. Software
<ol><li>Laden Sie die VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) für MATLAB 2018 herunter, um eine Schnittstelle zur Hardware für die Datenerfassung herzustellen.</li>
	<li>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.</li>
</ol>5. Teilnehmer-Screening und Einwilligungserklärung
<ol><li>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.</li>
	<li>Geben Sie eine schriftliche Erklärung des Verfahrens und der damit verbundenen Risiken ab und klären Sie alle weiteren Fragen, die der Teilnehmer möglicherweise hat.</li>
	<li>Einholung der Einverständniserklärung der Teilnehmer.</li>
</ol>6. Einrichtung des Betreffs
<ol><li>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.</li>
	<li>Bereiten Sie die Haut vor und platzieren Sie EMG-Elektroden.<ol><li>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.</li>
		<li>Tupfen Sie jeden abgeschliffenen Bereich einmal pro Elektrodenstelle mit einem Alkoholvorbereitungspad ab, um ihn zu reinigen.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Sichern Sie jede Elektrode mit medizinischem Klebeband.</li>
	</ol></li>
	<li>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.</li>
</ol>7. Transkranielle Magnetstimulation
<ol><li>Schalten Sie das TMS-Gerät ein.</li>
	<li>Finden Sie den TMS-Hotspot des rechten FDI-Muskels durch Stimulation des linken M1.<ol><li>Platzieren Sie die Spule ~ 5 cm seitlich und 2 cm vor dem Scheitelpunkt des Kopfes, ~ 45 ° von der Mittellinie entfernt.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Beginnen Sie mit einer maximalen Stimulatorleistung von 30 % und erhöhen Sie die TMS-Intensität schrittweise um 2 %, bis MEPs beobachtet werden.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
</ol>8. Erreichen des Task-Setups
<ol><li>Legen Sie einen Velcro Handschuh auf die rechte Hand des Teilnehmers, um eine entspannte Power-Grip-Haltung zu ermöglichen.</li>
	<li>Befestigen Sie den Stift am Handschuh und weisen Sie das Subjekt an, die Hand zwischen den Bewegungen entspannt zu halten.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>9. Aufgabengestaltung
<ol><li>Steuern Sie die visuelle Stimuluspräsentation mit Psychtoolbox 3.0 in Matlab 2018 (Supplementary Coding File 1).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Legen Sie die Ereignisreihenfolge und -dauer wie folgt fest: vorbereitender Hinweis auf 900 ms und imperativer Hinweis auf 900 ms.</li>
</ol>10. TMS-Verwaltung
<ol><li>Die VETA-Toolbox verwaltet gleichzeitig das TMS und zeichnet EMG-https://github.com/greenhouselab/Veta auf.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+relations+between+the+direction+of+two-dimensional+arm+movements+and+cell+discharge+in+primate+motor+cortex.">On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex.</a> The Journal of Neuroscience. 2 (11), 1527-1537 (1982).</li><li>Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+population+coding+of+movement+direction.">Neuronal population coding of movement direction.</a> Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).</li><li>Kim, H. E., Morehead, J. R., Parvin, D. E., Moazzezi, R., Ivry, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Invariant+errors+reveal+limitations+in+motor+correction+rather+than+constraints+on+error+sensitivity.">Invariant errors reveal limitations in motor correction rather than constraints on error sensitivity.</a> Communications Biology. 1, 19 (2018).</li><li>Huberdeau, D. M., Krakauer, J. W., Haith, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-process+decomposition+in+human+sensorimotor+adaptation.">Dual-process decomposition in human sensorimotor adaptation.</a> Current Opinion in Neurobiology. 33, 71-77 (2015).</li><li>Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Error+correction,+sensory+prediction,+and+adaptation+in+motor+control.">Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control.</a> Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 89-108 (2010).</li><li>Filimon, F., Nelson, J. D., Hagler, D. J., Sereno, M. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+cortical+representations+for+reaching:+Mirror+neurons+for+execution,+observation,+and+imagery.">Human cortical representations for reaching: Mirror neurons for execution, observation, and imagery.</a> NeuroImage. 37 (4), 1315-1328 (2007).</li><li>Hammon, P. S., Makeig, S., Poizner, H., Todorov, E., de Sa, V. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+reaching+targets+from+human+EEG.">Predicting reaching targets from human EEG.</a> IEEE Signal Processing Magazine. 25 (1), 69-77 (2008).</li><li>Busan, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+transcranial+magnetic+stimulation+(TMS)+on+parietal+and+premotor+cortex+during+planning+of+reaching+movements.">Effect of transcranial magnetic stimulation (TMS) on parietal and premotor cortex during planning of reaching movements.</a> PloS One. 4 (2), 4621 (2009).</li><li>Busan, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation+and+preparation+of+visually-guided+reaching+movements.">Transcranial magnetic stimulation and preparation of visually-guided reaching movements.</a> Frontiers in Neuroengineering. 5, 18 (2012).</li><li>Lega, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+topography+of+visually+guided+grasping+in+the+premotor+cortex:+a+dense-transcranial+magnetic+stimulation+(TMS)+mapping+study.">The topography of visually guided grasping in the premotor cortex: a dense-transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping study.</a> The Journal of Neuroscience. 40 (35), 6790-6800 (2020).</li><li>Marigold, D. S., Lajoie, K., Heed, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=No+effect+of+triple-pulse+TMS+medial+to+intraparietal+sulcus+on+online+correction+for+target+perturbations+during+goal-directed+hand+and+foot+reaches.">No effect of triple-pulse TMS medial to intraparietal sulcus on online correction for target perturbations during goal-directed hand and foot reaches.</a> PloS One. 14 (10), 0223986 (2019).</li><li>Savoie, F. -. A., Dallaire-Jean, L., Thenault, F., Whittingstall, K., Bernier, P. -. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-pulse+TMS+over+the+parietal+cortex+does+not+impair+sensorimotor+perturbation-induced+changes+in+motor+commands.">Single-pulse TMS over the parietal cortex does not impair sensorimotor perturbation-induced changes in motor commands.</a> eNeuro. 7 (2), (2020).</li><li>Taga, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+adaptation+and+internal+model+formation+in+a+robot-mediated+forcefield.">Motor adaptation and internal model formation in a robot-mediated forcefield.</a> Psychoradiology. 1 (2), 73-87 (2021).</li><li>Vesia, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+dorsomedial+parieto-motor+circuit+specifies+grasp+during+the+planning+of+goal-directed+hand+actions.">Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions.</a> Cortex. 92, 175-186 (2017).</li><li>Bestmann, S., Krakauer, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+uses+and+interpretations+of+the+motor-evoked+potential+for+understanding+behaviour.">The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour.</a> Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).</li><li>Rossini, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1110 (2015).</li><li>Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Boyd, S., Marsden, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulation+of+the+human+motor+cortex+through+the+scalp.">Stimulation of the human motor cortex through the scalp.</a> Experimental Physiology. 76 (2), 159-200 (1991).</li><li>Bestmann, S., Duque, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation:+decomposing+the+processes+underlying+action+preparation.">Transcranial magnetic stimulation: decomposing the processes underlying action preparation.</a> The Neuroscientist. 22 (4), 392-405 (2016).</li><li>Kim, H. E., Avraham, G., Ivry, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+psychology+of+reaching:+action+selection,+movement+implementation,+and+sensorimotor+learning.">The psychology of reaching: action selection, movement implementation, and sensorimotor learning.</a> Annual Review of Psychology. 72 (1), 61-95 (2021).</li><li>McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Explicit+and+implicit+processes+constitute+the+fast+and+slow+processes+of+sensorimotor+learning.">Explicit and implicit processes constitute the fast and slow processes of sensorimotor learning.</a> The Journal of Neuroscience. 35 (26), 9568-9579 (2015).</li><li>McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implications+of+plan-based+generalization+in+sensorimotor+adaptation.">Implications of plan-based generalization in sensorimotor adaptation.</a> Journal of Neurophysiology. 118 (1), 383-393 (2017).</li><li>McDougle, S. D., Ivry, R. B., Taylor, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Taking+aim+at+the+cognitive+side+of+learning+in+sensorimotor+adaptation+tasks.">Taking aim at the cognitive side of learning in sensorimotor adaptation tasks.</a> Trends in Cognitive Sciences. 20 (7), 535-544 (2016).</li><li>Morehead, J. R., Qasim, S. E., Crossley, M. J., Ivry, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Savings+upon+re-aiming+in+visuomotor+adaptation.">Savings upon re-aiming in visuomotor adaptation.</a> The Journal of Neuroscience. 35 (42), 14386-14396 (2015).</li><li>Taylor, J. A., Krakauer, J. W., Ivry, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Explicit+and+implicit+contributions+to+learning+in+a+sensorimotor+adaptation+task.">Explicit and implicit contributions to learning in a sensorimotor adaptation task.</a> The Journal of Neuroscience. 34 (8), 3023-3032 (2014).</li><li>Tsay, J. S., Kim, H. E., Parvin, D. E., Stover, A. R., Ivry, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Individual+differences+in+proprioception+predict+the+extent+of+implicit+sensorimotor+adaptation.">Individual differences in proprioception predict the extent of implicit sensorimotor adaptation.</a> Journal of Neurophysiology. 125 (4), 1307-1321 (2021).</li><li>Jackson, N., Greenhouse, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=VETA:+An+open-source+matlab-based+toolbox+for+the+collection+and+analysis+of+electromyography+combined+with+transcranial+magnetic+stimulation.">VETA: An open-source matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation.</a> Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).</li><li>Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minimum+number+of+trials+required+for+within-+and+between-session+reliability+of+TMS+measures+of+corticospinal+excitability.">Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability.</a> Neuroscience. 320, 205-209 (2016).</li><li>Koch, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+interplay+between+posterior+parietal+and+ipsilateral+motor+cortex+revealed+by+twin-coil+transcranial+magnetic+stimulation+during+reach+planning+toward+contralateral+space.">Functional interplay between posterior parietal and ipsilateral motor cortex revealed by twin-coil transcranial magnetic stimulation during reach planning toward contralateral space.</a> The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).</li><li>Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+and+manipulating+functionally+specific+neural+pathways+in+the+human+motor+system+with+transcranial+magnetic+stimulation.">Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation.</a> Journal of Visualized Experiments. (156), e60706 (2020).</li></ol>

Alle Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen

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...

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 Neuronenzu 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 -ausführungzu 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.

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			<td>2-Port Native PCI Express&#160;</td>
			<td>StarTech.com</td>
			<td>RS232 Card with 16950 UART&#160;</td>
			<td>Must be compatible with desktop computer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable 80-20 aluminum frame</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alcohol prep pads</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>EMG preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bagnoli Bipolar Electrodes</td>
			<td>Delsys</td>
			<td>DE 2.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bagnoli Reference Electrode</td>
			<td>Delsys</td>
			<td>USX2000</td>
			<td>2&#8221; (5cm) Round</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bagnoli-8 EMG System</td>
			<td>Delsys</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chair</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer monitor for EMG/TMS</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desk</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desktop Computer</td>
			<td>Dell</td>
			<td>xps 8930</td>
			<td>RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EMG electrodes</td>
			<td>Delsys</td>
			<td>Sensor Adhesive Interface</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fine grain sandpaper</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>EMG preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphics tablet</td>
			<td>Wacom</td>
			<td>Intuos-4 XL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Handle of paint roller</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medical tape</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>To secure EMG electrodes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCI-6220 card DAQ</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>To interface EMG system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodiode Sensor</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>BPW21R</td>
			<td>To record timing of task events into EMG trace.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rear TMS port</td>
			<td>Magstim</td>
			<td></td>
			<td>Included with TMS machine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right-handed polyethylene glove</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensory Adhesive Interface, 2-slot</td>
			<td>Delsys</td>
			<td>SC-F01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stylus</td>
			<td>Wacom</td>
			<td>Intuos-4 grip pen</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tablet-to-Computer USB cable&#160;</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>Included in Tablet purchase</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Task Monitor</td>
			<td>Asus</td>
			<td>VG248</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TMS coil</td>
			<td>Magstim</td>
			<td>D70 Remote Coil</td>
			<td>7cm diameter, figure-of-eight coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TMS machine</td>
			<td>Magstim</td>
			<td>200-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TMS-to-Computer DB9 cable</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>Connects to PCIe Serial Card</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Velcro</td>
			<td>any</td>
			<td></td>
			<td>To be placed on glove and stylus handle</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assessing corticospinal excitability during goal-directed reaching behavior

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.

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 ...

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Assessing Corticospinal Excitability During Goal-Directed Reaching Behavior

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.

Beurteilung der kortikospinalen Erregbarkeit während des zielgerichteten Reichweitenverhaltens

Reaching is a widely studied behavior in motor physiology and neuroscience research. While reaching has been examined using a variety of behavioral ...

assessing-corticospinal-excitability-during-goal-directed-reaching

Research

JoVE Journal

Neuroscience

1.6K Aufrufe.  University of Oregon. 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.

Serie: Assessing Corticospinal Excitability During Goal-Directed Reaching Behavior

Cryopreservation of Cortical Tissue Blocks for the Generation of Highly Enriched Neuronal Cultures

In this study, we outline a standardized protocol for the successful cryopreservation and thawing of cortical brain tissue blocks to generate highly enriched neuronal cultures. For this protocol the freezing medium used is 10% dimethyl sulfoxide (DMSO) diluted in Hank's Buffered Salt Solution (HBSS). Blocks of cortical tissue are transferred to cryovials containing the freezing medium and slowly frozen at -1&deg;C/min in a rate-controlled freezing container. Post-thaw processing and dissociation of frozen tissue blocks consistently produced neuronal-enriched cultures which exhibited rapid neuritic growth during the first 5 days in culture and significant expansion of the neuronal network within 10 days. Immunocytochemical staining with the astrocytic marker glial fibrillary acidic protein (GFAP) and the neuronal marker beta-tubulin class III, revealed high numbers of neurons and astrocytes in the cultures. Generation of neural precursor cell cultures after tissue block dissociation resulted in rapidly expanding neurospheres, which produced large numbers of neurons and astrocytes under differentiating conditions. This simple cryopreservation protocol allows for the rapid, efficient, and inexpensive preservation of cortical brain tissue blocks, which grants increased flexibility for later generation of neuronal, astrocyte, and neuronal precursor cell cultures.

Here, we describe a method for efficient cryopreservation and thawing of cortical brain tissue blocks to generate highly enriched neuronal cultures. This simple protocol provides flexibility for later generation of neuronal, astrocyte, and neuronal precursor cell cultures.

Kryokonservierung von kortikalen Gewebes Bausteine ​​für die Generierung von hoch angereichertem neuronalen Kulturen

In this study, we outline a standardized protocol for the successful cryopreservation and thawing of cortical brain tissue blocks to generate highly ...

Forschung

Neurowissenschaften

T-maze Forced Alternation and Left-right Discrimination Tasks for Assessing Working and Reference Memory in Mice

Forced alternation and left-right discrimination tasks using the T-maze have been widely used to assess working and reference memory, respectively, in rodents. In our laboratory, we evaluated the two types of memory in more than 30 strains of genetically engineered mice using the automated version of this apparatus. Here, we present the modified T-maze apparatus operated by a computer with a video-tracking system and our protocols in a movie format. The T-maze apparatus consists of runways partitioned off by sliding doors that can automatically open downward, each with a start box, a T-shaped alley, two boxes with automatic pellet dispensers at one side of the box, and two L-shaped alleys. Each L-shaped alley is connected to the start box so that mice can return to the start box, which excludes the effects of experimenter handling on mouse behavior. This apparatus also has an advantage that in vivo microdialysis, in vivo electrophysiology, and optogenetics techniques can be performed during T-maze performance because the doors are designed to go down into the floor. In this movie article, we describe T-maze tasks using the automated apparatus and the T-maze performance of &alpha;-CaMKII+/- mice, which are reported to show working memory deficits in the eight-arm radial maze task. Our data indicated that &alpha;-CaMKII+/- mice showed a working memory deficit, but no impairment of reference memory, and are consistent with previous findings using the eight-arm radial maze task, which supports the validity of our protocol. In addition, our data indicate that mutants tended to exhibit reversal learning deficits, suggesting that &alpha;-CaMKII deficiency causes reduced behavioral flexibility. Thus, the T-maze test using the modified automatic apparatus is useful for assessing working and reference memory and behavioral flexibility in mice.

This article presents the protocol of T-maze tests using a modified automated apparatus for assessing the learning and memory functions in mice.

T-Labyrinth Erzwungener Wechsel und die Links-Rechts-Discrimination Aufgaben für die Beurteilung der Arbeitsbedingungen und Referenz-Gedächtnis bei Mäusen

Forced alternation and left-right discrimination tasks using the T-maze have been widely used to assess working and reference memory, respectively, in ...

Nerve Excitability Assessment in Chemotherapy-induced Neurotoxicity

Chemotherapy-induced neurotoxicity is a serious consequence of cancer treatment, which occurs with some of the most commonly used chemotherapies1,2. Chemotherapy-induced peripheral neuropathy produces symptoms of numbness and paraesthesia in the limbs and may progress to difficulties with fine motor skills and walking, leading to functional impairment. In addition to producing troubling symptoms, chemotherapy-induced neuropathy may limit treatment success leading to dose reduction or early cessation of treatment. Neuropathic symptoms may persist long-term, leaving permanent nerve damage in patients with an otherwise good prognosis3. As chemotherapy is utilised more often as a preventative measure, and survival rates increase, the importance of long-lasting and significant neurotoxicity will increase.
There are no established neuroprotective or treatment options and a lack of sensitive assessment methods. Appropriate assessment of neurotoxicity will be critical as a prognostic factor and as suitable endpoints for future trials of neuroprotective agents. Current methods to assess the severity of chemotherapy-induced neuropathy utilise clinician-based grading scales which have been demonstrated to lack sensitivity to change and inter-observer objectivity4. Conventional nerve conduction studies provide information about compound action potential amplitude and conduction velocity, which are relatively non-specific measures and do not provide insight into ion channel function or resting membrane potential. Accordingly, prior studies have demonstrated that conventional nerve conduction studies are not sensitive to early change in chemotherapy-induced neurotoxicity4-6. In comparison, nerve excitability studies utilize threshold tracking techniques which have been developed to enable assessment of ion channels, pumps and exchangers in vivo in large myelinated human axons7-9.
Nerve excitability techniques have been established as a tool to examine the development and severity of chemotherapy-induced neurotoxicity10-13. Comprising a number of excitability parameters, nerve excitability studies can be used to assess acute neurotoxicity arising immediately following infusion and the development of chronic, cumulative neurotoxicity. Nerve excitability techniques are feasible in the clinical setting, with each test requiring only 5 -10 minutes to complete. Nerve excitability equipment is readily commercially available, and a portable system has been devised so that patients can be tested in situ in the infusion centre setting. In addition, these techniques can be adapted for use in multiple chemotherapies.
In patients treated with the chemotherapy oxaliplatin, primarily utilised for colorectal cancer, nerve excitability techniques provide a method to identify patients at-risk for neurotoxicity prior to the onset of chronic neuropathy. Nerve excitability studies have revealed the development of an acute Na+ channelopathy in motor and sensory axons10-13. Importantly, patients who demonstrated changes in excitability in early treatment were subsequently more likely to develop moderate to severe neurotoxicity11. However, across treatment, striking longitudinal changes were identified only in sensory axons which were able to predict clinical neurological outcome in 80% of patients10. These changes demonstrated a different pattern to those seen acutely following oxaliplatin infusion, and most likely reflect the development of significant axonal damage and membrane potential change in sensory nerves which develops longitudinally during oxaliplatin treatment10. Significant abnormalities developed during early treatment, prior to any reduction in conventional measures of nerve function, suggesting that excitability parameters may provide a sensitive biomarker.

This abstract describes a novel method to assess the development of neurotoxicity in patients receiving chemotherapy treatment. While conventional assessment methods are limited in their ability to detect early changes in nerve function, nerve excitability techniques provide early identification of patients at risk of severe neurotoxicity and insight into pathophysiology.

Nervenerregbarkeit Assessment in Chemotherapie-induzierte Neurotoxizität

Chemotherapy-induced neurotoxicity is a serious consequence of cancer treatment, which occurs with some of the most commonly used chemotherapies1,2. ...

A Procedure for Implanting a Spinal Chamber for Longitudinal In Vivo Imaging of the Mouse Spinal Cord

Studies in the mammalian neocortex have enabled unprecedented resolution of cortical structure, activity, and response to neurodegenerative insults by repeated, time-lapse in vivo imaging in live rodents. These studies were made possible by straightforward surgical procedures, which enabled optical access for a prolonged period of time without repeat surgical procedures. In contrast, analogous studies of the spinal cord have been previously limited to only a few imaging sessions, each of which required an invasive surgery. As previously described, we have developed a spinal chamber that enables continuous optical access for upwards of 8 weeks, preserves mechanical stability of the spinal column, is easily stabilized externally during imaging, and requires only a single surgery. Here, the design of the spinal chamber with its associated surgical implements is reviewed and the surgical procedure is demonstrated in detail. Briefly, this video will demonstrate the preparation of the surgical area and mouse for surgery, exposure of the spinal vertebra and appropriate tissue debridement, the delivery of the implant and vertebral clamping, the completion of the chamber, the removal of the delivery system, sealing of the skin, and finally, post-operative care. The procedure for chronic in vivo imaging using nonlinear microscopy will also be demonstrated. Finally, outcomes, limitations, typical variability, and a guide for troubleshooting are discussed.

A Procedure for Implanting a Spinal Chamber for Longitudinal In Vivo Imaging of the Mouse Spinal Cord

In this video, we describe a procedure for implanting a chronic optical imaging chamber over the dorsal spinal cord of a live mouse. The chamber, surgical procedure, and chronic imaging are reviewed and demonstrated.

Ein Verfahren für die Implantation eines Spinal Kammer für Längs<em&gt; In-vivo-</em&gt; Imaging der Maus Spinal Cord

Studies in the mammalian neocortex have enabled unprecedented resolution of cortical structure, activity, and response to neurodegenerative insults by ...

Assays to Detect UV-reflecting Structures and Determine their Importance in Mate Preference using the Sailfin Molly Poecilia latipinna

Many organisms use cues and signals beyond human sensitivity during social interactions. It is important to take into account how organisms perceive their worlds when trying to understand their behavior and ecology. Sensitivity to the ultraviolet spectrum (UV; 300 - 400 nm) is found across multiple genera of birds, fish, reptiles, amphibians, and even mammals. This protocol describes a technique for examining organisms for the presence of UV-reflecting structures and a method for testing whether these cues are used as social signals in the context of mate choice. A spectrophotometer is used to detect the presence of UV reflectance and variation in reflective intensity between individuals and sexes. An example of this technique is presented in which a dichotomous mate choice test exposes sexually receptive individuals to opposite sex individuals whose visual appearance can be manipulated by filters that either transmit full spectrum or block UV wavelengths. This system allowed for the determination that female, but not male, sailfin mollies (Poecilia latipinna) were using UV markings as part of their mating decisions. These types of studies serve to expand our knowledge of the range of organisms that utilize UV and provide insight into how UV plays a role in their lives.

Assays to Detect UV-reflecting Structures and Determine their Importance in Mate Preference using the Sailfin Molly Poecilia latipinna

This protocol outlines the use of spectrophotometry to detect ultraviolet-reflecting structures on organisms (in this example, the sailfin molly Poecilia latipinna) and describes dichotomous choice tests for fish that allow inferences to be made on the role of ultraviolet cues during mate selection.

Assays UV-reflektierenden Strukturen zu erkennen und zu bestimmen, deren Bedeutung in Mate-Vorlieben der Sailfin Molly mit<em&gt; Poecilia latipinna</em

Many organisms use cues and signals beyond human sensitivity during social interactions. It is important to take into account how organisms perceive their ...

In Vivo Electrophysiological Measurement of the Rat Ulnar Nerve with Axonal Excitability Testing

Electrophysiology enables the objective assessment of peripheral nerve function in vivo. Traditional nerve conduction measures such as amplitude and latency detect chronic axon loss and demyelination, respectively. Axonal excitability techniques &#34;by threshold tracking&#34; expand upon these measures by providing information regarding the activity of ion channels, pumps and exchangers that relate to acute function and may precede degenerative events. As such, the use of axonal excitability in animal models of neurological disorders may provide a useful in vivo measure to assess novel therapeutic interventions. Here we describe an experimental setup for multiple measures of motor axonal excitability techniques in the rat ulnar nerve.
The animals are anesthetized with isoflurane and carefully monitored to ensure constant and adequate depth of anesthesia. Body temperature, respiration rate, heart rate and saturation of oxygen in the blood are continuously monitored. Axonal excitability studies are performed using percutaneous stimulation of the ulnar nerve and recording from the hypothenar muscles of the forelimb paw. With correct electrode placement, a clear compound muscle action potential that increases in amplitude with increasing stimulus intensity is recorded. An automated program is then utilized to deliver a series of electrical pulses which generate 5 specific excitability measures in the following sequence: stimulus response behavior, strength duration time constant, threshold electrotonus, current-threshold relationship and the recovery cycle.
Data presented here indicate that these measures are repeatable and show similarity between left and right ulnar nerves when assessed on the same day. A limitation of these techniques in this setting is the effect of dose and time under anesthesia. Careful monitoring and recording of these variables should be undertaken for consideration at the time of analysis.

In Vivo Electrophysiological Measurement of the Rat Ulnar Nerve with Axonal Excitability Testing

Axonal excitability techniques provide a powerful tool to examine pathophysiology and biophysical changes that precede irreversible degenerative events. This manuscript demonstrates the use of these techniques on the ulnar nerve of anesthetized rats.

In Vivo Elektrophysiologische Messungen der Ratte ulnaris mit axonalen Erregbarkeit testen

Electrophysiology enables the objective assessment of peripheral nerve function in vivo. Traditional nerve conduction measures such as amplitude and ...

Operant Protocols for Assessing the Cost-benefit Analysis During Reinforced Decision Making by Rodents

Reinforcement-guided decision making is the ability to choose between competing courses of action based on the relative value of the benefits and their consequences. This process is integral to the normal human behavior and has been shown to be disrupted by neurological and psychiatric disorders such as addiction, schizophrenia, and depression. Rodents have long been used to uncover the neurobiology of human cognition. To this end, several behavioral tasks have been developed; however, most are non-automated and are labor-intensive. The recent development of the open-source microcontroller has enabled researchers to automate operant-based tasks for assessing a variety of cognitive tasks, standardizing the stimulus presentation, improving the data recording and consequently, improving the research output. Here, we describe an automated delay-based reinforcement-guided decision-making task, using an operant T-maze controlled by custom-written software programs. Using these decision-making tasks, we show the changes in the local field potential activities in the anterior cingulate cortex of a rat whilst it performs a delay-based cost-and-benefit decision-making task.

A cost-benefit analysis is a weighing-scale approach that the brain performs during the course of decision making. Here, we propose a protocol to train rats on an operant-based decision-making paradigm where rats choose higher rewards at the expense of waiting for 15 s to receive them.

Operant Protokolle für die Beurteilung der Kosten / Nutzen-Analyse während verstärkte Entscheidungsfindung durch Nagetiere

Reinforcement-guided decision making is the ability to choose between competing courses of action based on the relative value of the benefits and their ...

Generation of 3-D Collagen-based Hydrogels to Analyze Axonal Growth and Behavior During Nervous System Development

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is centered on culturing small pieces of embryonic or early postnatal rodent brains inside a 3-D hydrogel formed by the rat tail tendon-derived type I collagen with specific porosity. Tissue pieces are cultured inside the hydrogel and confronted to specific brain fragments or genetically-modified cell aggregates to produce and secrete molecules suitable for creating a gradient inside the porous matrix. The steps of this protocol are simple and reproducible but include critical steps to be considered carefully during its development. Moreover, the behavior of growing axons can be monitored and analyzed directly using a phase-contrast microscope or mono/multiphoton fluorescence microscope after fixation by immunocytochemical methods.

Here, we provide a method for analyzing the behavior of growing axons in 3D matrices, mimicking their natural development.

Generation von 3-D-Kollagen-basierten Hydrogelen zur Analyse des axonalen Wachstums und Verhaltens während der Entwicklung des Nervensystems

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is ...

Measuring Neural Mechanisms Underlying Sleep-Dependent Memory Consolidation During Naps in Early Childhood

Sleep is critical for daily functioning. One important function of sleep is the consolidation of memories, a process that makes them stronger and less vulnerable to interference. The neural mechanisms underlying the benefit of sleep for memory can be investigated using polysomnography (PSG). PSG is a combination of physiological recordings including signals from the brain (EEG), eyes (EOG), and muscles (EMG) that are used to classify sleep stages. In this protocol, we describe how PSG can be used in conjunction with behavioral memory assessments, actigraphy, and parent-report to examine sleep-dependent memory consolidation. The focus of this protocol is on early childhood, a period of significance as children transition from biphasic sleep (consisting of a nap and overnight sleep) to monophasic sleep (overnight sleep only). The effects of sleep on memory performance are measured using a visuospatial memory assessment across periods of sleep and wakeful-rest. A combination of actigraphy and parent report is used to assess sleep rhythms (i.e., characterizing children as habitual or non-habitual nappers). Finally, PSG is used to characterize sleep stages and qualities of those stages (such as frequencies and the presence of spindles) during naps. The advantage of using PSG is that it is the only tool currently available to assess sleep quality and sleep architecture, pointing to the relevant brain state that supports memory consolidation. The main limitations of PSG are the length of time it takes to prepare the recording montage and that recordings are typically taken over one sleep bought. These limitations can be overcome by engaging young participants in distracting tasks during application and combining PSG with actigraphy and self/parent-report measures to characterize sleep cycles. Together, this unique combination of methods allows for investigations into how naps support learning in preschool children.

This protocol describes methods used to examine neural mechanisms underlying sleep-dependent memory consolidation during naps in early childhood. It includes procedures for examining the effect of sleep on behavioral memory performance, as well as the application and recording of both polysomnography and actigraphy.

Messung neuronaler Mechanismen, die der schlafabhängigen Gedächtniskonsolidierung während der Naps in der frühen Kindheit zugrunde liegen

Sleep is critical for daily functioning. One important function of sleep is the consolidation of memories, a process that makes them stronger and less ...

Determining the Functional Status of the Corticospinal Tract Within One Week of Stroke

High interindividual variability in the recovery of upper limb (UL) function after stroke means it is difficult to predict an individual&#39;s potential for recovery based on clinical assessments alone. The functional integrity of the corticospinal tract is an important prognostic biomarker for recovery of UL function, particularly for those with severe initial UL impairment. This article presents a protocol for evaluating corticospinal tract function within 1 week of stroke. This protocol can be used to select and stratify patients in trials of interventions designed to improve UL motor recovery and outcomes after stroke. The protocol also forms part of the PREP2 algorithm, which predicts UL function for individual patients 3 months poststroke. The algorithm sequentially combines a UL strength assessment, age, transcranial magnetic stimulation, and stroke severity, within a few days of the stroke. The benefits of using PREP2 in clinical practice are described elsewhere. This article focuses on the use of a UL strength assessment and transcranial magnetic stimulation to evaluate corticospinal tract function.

This protocol is for evaluating corticospinal tract function within 1 week of stroke. It can be used to select and stratify patients in trials of interventions designed to improve upper limb motor recovery and outcomes and in clinical practice for predicting upper limb functional outcomes 3 months after stroke.

Bestimmung des Funktionellen Status des Corticospinal Tract innerhalb einer Woche nach dem Schlaganfall

High interindividual variability in the recovery of upper limb (UL) function after stroke means it is difficult to predict an individual&#39;s potential ...