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. 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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. 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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.

<table><tbody><tr><td>2-Port Native PCI Express&amp;nbsp;</td><td>StarTech.com</td><td>RS232 Card with 16950 UART&amp;nbsp;</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&amp;rdquo; (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&amp;nbsp;</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&amp;nbsp;</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&amp;nbsp;</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

Corticospinal Excitability Modulation During Action Observation

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone else's action becomes anticipatory simulation of a complementary act. TMS was delivered to the left primary motor cortex corresponding to the hand to induce the highest level of MEP activity from the abductor digiti minimi (ADM; the muscle serving little finger abduction) as well as the first dorsal interosseus (FDI; the muscle serving index finger flexion/extension) muscles. A neuronavigation system was used to maintain the position of the TMS coil, and electromyographic (EMG) activity was recorded from the right ADM and FDI muscles. Producing original data with regard to motor resonance, the combined TMS/MEP technique has taken research on the perception-action coupling mechanism a step further. Specifically, it has answered the questions of how and when observing another person's actions produces motor facilitation in an onlooker's corresponding muscles and in what way corticospinal excitability is modulated in social contexts.

Single-pulse transcranial magnetic stimulation over the primary motor cortex, neuronavigation, and registration of electromyographic activity of hand muscles were used in this study to explore corticospinal excitability while participants were observing action sequences.

Corticospinal ErregbarkeitModulation während der Aktion Beobachtung

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone ...

Forschung

Verhalten

Methods to Explore the Influence of Top-down Visual Processes on Motor Behavior

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are deliberately planned, while others spontaneously occur below conscious awareness. The deliberate component of this dichotomy has been studied extensively in several contexts, while the spontaneous component remains largely under-explored. Moreover, how perceptual processes modulate these movement classes is still unclear. In particular, a currently debated issue is whether the visuomotor system is governed by the spatial percept produced by a visual illusion or whether it is not affected by the illusion and is governed instead by the veridical percept. Bistable percepts such as 3D depth inversion illusions (DIIs) provide an excellent context to study such interactions and balance, particularly when used in combination with reach-to-grasp movements. In this study, a methodology is developed that uses a DII to clarify the role of top-down processes on motor action, particularly exploring how reaches toward a target on a DII are affected in both deliberate and spontaneous movement domains.

It is unclear how top-down signals from the ventral visual stream affect movement. We developed a paradigm to test motor behavior towards a target on a 3D depth inversion illusion. Significant differences are reported in both deliberate, goal-directed movements and automatic actions under illusory and veridical viewing conditions.

Methoden, um den Einfluss von Top-down-Prozesse auf Visuelle Motor Verhalten erkunden

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are ...

Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is constantly integrated into the central nervous system and these sensory inputs need to be weighted in order meet the task specific goals. Additional feedback presented as augmented feedback was shown to have an impact on motor control and motor learning. A number of studies investigated whether force or position feedback has an influence on motor control and neural activation. However, as in the previous studies the presentation of the force and position feedback was always identical, a recent study assessed whether not only the content but also the interpretation of the feedback has an influence on the time to fatigue of a sustained submaximal contraction and the (inhibitory) activity of the primary motor cortex using subthreshold transcranial magnetic stimulation. This paper describes one possible way to investigate the influence of the interpretation of feedback on motor behaviour by investigating the time to fatigue of submaximal sustained contractions together with the neuromuscular adaptations that can be investigated using surface EMG. Furthermore, the current protocol also describes how motor cortical (inhibitory) activity can be investigated using subthreshold TMS, a method known to act solely on the cortical level. The results show that when participants interpret the feedback as position feedback, they display a significantly shorter time to fatigue of a submaximal sustained contraction. Furthermore, subjects also displayed an increased inhibitory activity of the primary cortex when they believed to receive position feedback compared when they believed to receive force feedback. Accordingly, the results show that interpretation of feedback results in differences on a behavioural level (time to fatigue) that is also reflected in interpretation-specific differences in the amount of inhibitory M1 activity.

Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback.

Steuerkraft und Position in Humans - Die Rolle der Augmented Feedback

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is ...

Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be time-intensive and ambiguous to quantify beyond simple success rates. Here, we describe the training procedure for reach-and-pull tasks with ETH Pattus, a robotic platform for automated forelimb reaching training that records pulling and hand rotation movements in rats. Kinematic quantification of the performed pulling attempts reveals the presence of distinct temporal profiles of movement parameters such as pulling velocity, spatial variability of the pulling trajectory, deviation from midline, as well as pulling success. We show how minor adjustments in the training paradigm result in alterations in these parameters, revealing their relation to task difficulty, general motor function or skilled task execution. Combined with electrophysiological, pharmacological and optogenetic techniques, this paradigm can be used to explore the mechanisms underlying motor learning and memory formation, as well as loss and recovery of function (e.g. after stroke).

A paradigm is presented for training and analysis of an automated skilled reaching task in rats. Analysis of pulling attempts reveals distinct subprocesses of motor learning.

Untersuchung Motorfaehigkeiten Lernprozesse mit einem Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

Intracortical Inhibition Within the Primary Motor Cortex Can Be Modulated by Changing the Focus of Attention

It is well recognized that an external focus (EF) compared with an internal focus (IF) of attention improves motor learning and performance. Studies have indicated benefits in accuracy, balance, force production, jumping performance, movement speed, oxygen consumption, and fatiguing task. Although behavioral outcomes of using an EF strategy are well explored, the underlying neural mechanisms remain unknown. A recent TMS study compared the activity of the primary motor cortex (M1) between an EF and an IF. More precisely, this study showed that, when adopting an EF, the activity of intracortical inhibitory circuits is enhanced.
On the behavioral level, the present protocol tests the influence of attentional foci on the time to task failure (TTF) when performing submaximal contractions of the first dorsal interosseous (FDI). Additionally, the current paper describes two TMS protocols to assess the influence of attentional conditions on the activity of cortical inhibitory circuits within the M1. Thus, the present article describes how to use single-pulse TMS at intensities below the motor threshold (subTMS) and paired-pulse TMS, inducing short-interval intracortical inhibition (SICI) when applied to the M1. As these methods are assumed to reflect the responsiveness of GABAergic inhibitory neurons, without being affected by spinal reflex circuitries, they are well suited to measuring the activity of intracortical inhibitory circuits within the M1.
The results show that directing attention externally improves motor performance, as participants were able to prolong the time to task failure. Moreover, the results were accompanied by a larger subTMS-induced electromyography suppression and SICI when adopting an EF compared to an IF. As the level of cortical inhibition within the M1 was previously demonstrated to influence motor performance, the enhanced inhibition with an EF might contribute to the better movement efficiency observed in the behavioral task, indicated by a prolonged TTF with an EF.

Using two different transcranial magnetic stimulation (TMS) protocols, this manuscript describes how to measure and compare cortical inhibition within the primary motor cortex when adopting different attentional foci.

Intracortical Hemmung innerhalb der primären motorischen Kortex kann moduliert werden, indem Sie ändern den Fokus der Aufmerksamkeit

It is well recognized that an external focus (EF) compared with an internal focus (IF) of attention improves motor learning and performance. Studies have ...

A Modified Lean and Release Technique to Emphasize Response Inhibition and Action Selection in Reactive Balance

Assessment of reactive balance traditionally imposes some type of perturbation to upright stance or gait followed by measurement of the resultant corrective behavior. These measures include muscle responses, limb movements, ground reaction forces, and even direct neurophysiological measures such as electroencephalography. Using this approach, researchers and clinicians can infer some basic principles regarding how the nervous system controls balance to avoid a fall. One limitation with the way in which these assessments are currently used is that they heavily emphasize reflexive actions without any need to revise automatic postural reactions. Such an exclusive focus on these highly stereotypical reactions would fail to adequately address how we can modify these reactions should the need arise (e.g., avoiding an obstacle with a recovery step). This would appear to be a glaring omission when one considers the enormous complexity of the environments we face daily. Overall, the status quo when evaluating the neural control of balance fails to truly expose how higher brain resources contribute to preventing falls in complex settings. The present protocol offers a way to require suppression of automatic, but inappropriate corrective balance reactions, and force a selection among alternative action choices to successfully recover balance following postural perturbation.

Here we offer a protocol that allows the user to selectively change affordances and/or constraints on movements that are relevant for recovering balance after postural perturbation.

Eine modifizierte Lean- und Release-Technik zur Betonung der Reaktionshemmung und Aktionsauswahl in reaktivem Gleichgewicht

Assessment of reactive balance traditionally imposes some type of perturbation to upright stance or gait followed by measurement of the resultant ...

Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has provided important insights into fundamental processes of the brain like cognition, learning, and motor control. However, this approach cannot provide causal evidence for the involvement of brain areas of interest. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a powerful, noninvasive tool for studying the human brain that can overcome this limitation by transiently modifying brain activity. Here, we highlight recent advances using a paired-pulse, dual-site TMS method with two coils that causally probes cortico-cortical interactions in the human motor system during different task contexts. Additionally, we describe a dual-site TMS protocol based on cortical paired associative stimulation (cPAS) that transiently enhances synaptic efficiency in two interconnected brain areas by applying repeated pairs of cortical stimuli with two coils. These methods can provide a better understanding of the mechanisms underlying cognitive-motor function as well as a new perspective on manipulating specific neural pathways in a targeted fashion to modulate brain circuits and improve behavior. This approach may prove to be an effective tool to develop more sophisticated models of brain-behavior relations and improve diagnosis and treatment of many neurological and psychiatric disorders.

This article describes new approaches to measure and strengthen functionally specific neural pathways with transcranial magnetic stimulation. These advanced noninvasive brain stimulation methodologies can provide new opportunities for the understanding of brain-behavior relations and development of new therapies to treat brain disorders.

Messung und Manipulation funktionell spezifischer neuronaler Bahnen im menschlichen Motorsystem mit transkranieller Magnetstimulation

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...

Neurowissenschaften

An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles

To reach towards a seen object, visual information has to be transformed into motor commands. Visual information such as the object&#8217;s color, shape, and size are processed and integrated within numerous brain areas, then ultimately relayed to the motor periphery. In some instances, a reaction is needed as fast as possible. These fast visuomotor transformations, and their underlying neurological substrates, are poorly understood in humans as they have lacked a reliable biomarker. Stimulus-locked responses (SLRs) are short latency (&#60;100 ms) bursts of electromyographic (EMG) activity representing the first wave of muscle recruitment influenced by visual stimulus presentation. SLRs provide a quantifiable output of rapid visuomotor transformations, but SLRs have not been consistently observed in all subjects in past studies. Here we describe a new, behavioral paradigm featuring the sudden emergence of a moving target below an obstacle that consistently evokes robust SLRs. Human participants generated visually guided reaches toward or away from the emerging target using a robotic manipulandum while surface electrodes recorded EMG activity from the pectoralis major muscle. In comparison to previous studies that investigated SLRs using static stimuli, the SLRs evoked with this emerging target paradigm were larger, evolved earlier, and were present in all participants. Reach reaction times (RTs) were also expedited in the emerging target paradigm. This paradigm affords numerous opportunities for modification that could permit systematic study of the impact of various sensory, cognitive, and motor manipulations on fast visuomotor responses. Overall, our results demonstrate that an emerging target paradigm is capable of consistently and robustly evoking activity within a fast visuomotor system.

Presented here is a behavioral paradigm that elicits robust fast visuomotor responses on human upper limb muscles during visually guided reaches.

Ein aufstrebendes Zielparadigma, um schnelle Visuomotor-Antworten auf menschliche Oberkörpermuskeln zu evozieren

To reach towards a seen object, visual information has to be transformed into motor commands. Visual information such as the object&#8217;s color, shape, ...

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these tasks require sensory-motor integration and involve precise control of bilateral brain circuits. Implementing unimanual behavioral paradigms in animal models will improve the understanding of the contribution of brain structures, like the striatum, to complex motor behavior as it allows manipulation and recording of neural activity of specific nuclei in control conditions and disease during the performance of the task. 
Since its creation, optogenetics has been a dominant tool for interrogating the brain by enabling selective and targeted activation or inhibition of neuronal populations. The combination of optogenetics with behavioral assays sheds light on the underlying mechanisms of specific brain functions. Wireless head-mounted systems with miniaturized light-emitting diodes (LEDs) allow remote optogenetic control in an entirely free-moving animal. This avoids the limitations of a wired system being less restrictive for animals' behavior without compromising light emission efficiency. The current protocol combines a wireless optogenetics approach with high-speed videography in a unimanual dexterity task to dissect the contribution of specific neuronal populations to fine motor behavior.

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

The present protocol describes how to use wireless optogenetics combined with high-speed videography in a single pellet reach-to-grasp task to characterize the neural circuits involved in the performance of skilled motor behavior in freely moving mice.

Im lebenden Organismus Drahtlose optogenetische Steuerung des motorischen Verhaltens

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these ...

<meta charset="utf8"></head><body>Quantitative Erfassung des Handgebrauchs bei einseitiger Nervenverletzung

Block Building Task Identifies Distinct Groups of Left/Right-hand Choice Patterns After Unilateral Peripheral Nerve Injury

Numerous methods exist to assess hand and arm function after upper extremity peripheral nerve injury, but peripheral injuries are often unilateral, and few existing methods are designed to capture the unique consequences of unilateral injury. Unilateral impairment of an upper extremity can lead to increased or decreased use of the dominant hand, and either change may be adaptive or maladaptive depending on the individual patient&#8217;s needs. To identify atypical hand usage (left/right choices), researchers and clinicians need to measure it. However, hand usage is traditionally assessed with self-report surveys, which do not necessarily reflect actual left/right-hand choices. Here, this gap in knowledge is addressed with the Block Building Task (BBT), which provides a rapid, quantitative, inexpensive assessment of left/right-hand choices in an unconstrained environment. In the BBT, participants build abstract shapes with interlocking plastic bricks, with no instructions about hand usage. The primary outcome is the fraction of reaches (i.e., for the initial pickup of each brick) made with each hand. After unilateral peripheral nerve injury, patients fell into three clusters: approximately typical hand use (44%), always use the dominant hand (44%), or never use the dominant hand (13%). Even among patients with an injured dominant hand, atypically elevated use of the dominant hand occurred regularly (36%). Notably, hand usage was not predicted by clinical characteristics, so the BBT provides an objective measurement of left/right-hand choices that are not otherwise predictable from the clinical characteristics of patients with peripheral nerve injury. The BBT protocol will be of interest to researchers or clinicians interested in the assessment of conditions with asymmetric effects on the upper limb.

<meta charset="utf8"></head><body>Blockbauaufgabe identifiziert unterschiedliche Gruppen von Links-/Rechts-Auswahlmustern nach einseitiger peripherer Nervenverletzung

The block-building task provides a rapid, objective, quantitative measurement of how often individuals choose to use their left versus right hand for reach-to-grasp action. After unilateral peripheral nerve injury, patients often shift to near-total usage of one hand, the direction of which is not predictable from other clinical factors.

Blockbauaufgabe identifiziert unterschiedliche Gruppen von Links-/Rechts-Auswahlmustern nach einseitiger peripherer Nervenverletzung

Numerous methods exist to assess hand and arm function after upper extremity peripheral nerve injury, but peripheral injuries are often unilateral, and ...