Évaluation de l’excitabilité corticospinale au cours d’un comportement d’atteinte d’un objectif

Résumé

Atteindre est une compétence fondamentale qui permet aux humains d’interagir avec l’environnement. Plusieurs études ont visé à caractériser le comportement d’atteinte en utilisant une variété de méthodologies. Cet article propose une application open source de la stimulation magnétique transcrânienne pour évaluer l’état d’excitabilité corticospinale chez l’homme lors de l’exécution de la tâche.

Résumé

L’atteinte est un comportement largement étudié en physiologie motrice et en neurosciences. Bien que la portée ait été examinée à l’aide de diverses manipulations comportementales, il reste des lacunes importantes dans la compréhension des processus neuronaux impliqués dans la planification, l’exécution et le contrôle de la portée. La nouvelle approche décrite ici combine une tâche d’atteinte bidimensionnelle avec la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et l’enregistrement par électromyographie simultanée (EMG) de plusieurs muscles. Cette méthode permet la détection non invasive de l’activité corticospinale à des moments précis pendant le déroulement des mouvements d’atteinte. L’exemple de code de tâche inclut une tâche d’atteinte de réponse différée avec deux cibles possibles affichées ± 45° de la ligne médiane. La TMS à impulsion unique est délivrée sur la majorité des essais de tâches, soit au début du signal préparatoire (ligne de base), soit 100 ms avant le signal impératif (retard). Ce plan d’échantillonnage convient à l’étude des changements dans l’excitabilité corticospinale pendant la préparation de la portée. L’exemple de code comprend également une perturbation visuomotrice (c.-à-d. rotation du curseur de ± 20°) pour étudier les effets de l’adaptation sur l’excitabilité corticospinale pendant la préparation de la portée. Les paramètres de la tâche et la livraison TMS peuvent être ajustés pour répondre à des hypothèses spécifiques sur l’état du système moteur lors du comportement d’atteinte. Lors de la mise en œuvre initiale, les potentiels évoqués moteurs (MEP) ont été obtenus avec succès dans 83% des essais TMS, et des trajectoires de portée ont été enregistrées sur tous les essais.

Introduction

L’atteinte orientée vers un but est un comportement moteur fondamental qui permet aux humains d’interagir avec l’environnement extérieur et de le manipuler. L’étude de la portée dans les domaines de la physiologie motrice, de la psychologie et des neurosciences a produit une littérature riche et étendue qui comprend une variété de méthodologies. Les premières études sur l’atteinte utilisaient des enregistrements neuronaux directs chez des primates non humains pour étudier l’activité neuronale au niveau de neurones uniques ^1,2. Des études plus récentes ont étudié l’atteinte en utilisant des paradigmes comportementaux qui utilisent l’adaptation sensorimotrice pour explorer la nature de l’apprentissage moteur et du contrôle ^3,4,5. De telles tâches comportementales combinées à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle et à l’électroencéphalographie peuvent mesurer l’activité cérébrale totale lors de l’atteinte chez l’homme ^6,7. D’autres études ont appliqué la SMT en ligne pour étudier diverses caractéristiques de la préparation et de l’exécution de la portée 8,9,10,11,12,13,14. Cependant, il reste nécessaire d’adopter une approche open source et flexible qui combine l’évaluation comportementale de la portée avec la TMS. Bien que l’utilité de combiner TMS avec des protocoles comportementaux soit très bien établie¹⁵, ici, nous examinons spécifiquement l’application de TMS dans le contexte de l’atteinte en utilisant une approche open-source. C’est nouveau dans la mesure où d’autres groupes qui ont publié en utilisant cette combinaison de méthodes n’ont pas rendu leurs outils facilement accessibles, interdisant la réplication directe. Cette approche open source facilite la réplication, le partage de données et la possibilité d’études multi-sites. En outre, si d’autres souhaitent poursuivre de nouvelles questions de recherche avec des outils similaires, le code open source peut servir de rampe de lancement pour l’innovation, car il est facilement adaptable.

TMS offre un moyen non invasif de sonder le système moteur à des points de temps contrôlés avec précision¹⁶. Lorsqu’elle est appliquée sur le cortex moteur primaire (M1), la SMT peut provoquer une déviation mesurable dans l’électromyogramme d’un muscle ciblé. L’amplitude de cette onde de tension, connue sous le nom de potentiel évoqué moteur (MEP), fournit un indice de l’état d’excitabilité momentanée de la voie corticospinale (CS) - un analogue résultant de toutes les influences excitatrices et inhibitrices sur la voie CS¹⁷. En plus de fournir une mesure fiable de l’excitabilité intrinsèque du CS à l’intérieur du sujet, la SMT peut être combinée à d’autres mesures comportementales ou cinématiques pour étudier les relations entre l’activité et le comportement du CS d’une manière temporellement précise. De nombreuses études ont utilisé une combinaison de TMS et d’électromyographie (EMG) pour répondre à une variété de questions sur le système moteur, d’autant plus que cette combinaison de méthodes permet d’étudier les MEP dans un large éventail de conditions comportementales¹⁵. Un domaine où cela s’est avéré particulièrement utile est l’étude de la préparation à l’action, le plus souvent par l’étude des mouvements uniarticulaires¹⁸. Cependant, il y a comparativement moins d’études TMS sur les mouvements multi-articulaires naturalistes tels que l’atteinte.

L’objectif actuel était de concevoir une tâche d’atteinte à réponse retardée qui comprend la cinématique comportementale, l’administration en ligne de TMS à impulsion unique et l’enregistrement simultané d’EMG à partir de plusieurs muscles. La tâche comprend un paradigme d’atteinte point à point bidimensionnel avec rétroaction visuelle en ligne à l’aide d’un moniteur orienté horizontalement de sorte que la rétroaction visuelle corresponde aux trajectoires de portée (c.-à-d. une relation 1:1 pendant la rétroaction véridique et aucune transformation entre la rétroaction visuelle et le mouvement). La conception actuelle comprend également un ensemble d’essais avec une perturbation visuo-motrice. Dans l’exemple fourni, il s’agit d’un décalage de rotation de 20° dans la rétroaction du curseur. Des études antérieures ont utilisé un paradigme de portée similaire pour répondre aux questions sur les mécanismes et les calculs associés à l’adaptation sensorimotrice 19,20,21,22,23,24,25. De plus, cette approche permet d’évaluer la dynamique d’excitabilité du système moteur à des moments précis au cours de l’apprentissage moteur en ligne.

Parce que l’atteinte s’est avérée être un comportement fructueux pour étudier l’apprentissage / l’adaptation, l’évaluation de l’excitabilité CS dans le contexte de ce comportement a un énorme potentiel pour faire la lumière sur les substrats neuronaux impliqués dans ces comportements. Ceux-ci peuvent inclure des influences inhibitrices locales, des changements dans les propriétés de réglage, le moment des événements neuronaux, etc., comme cela a été établi dans la recherche sur les primates non humains. Cependant, ces caractéristiques ont été plus difficiles à quantifier chez les humains et les populations cliniques. La dynamique neuronale peut également être étudiée en l’absence de mouvement manifeste chez les humains à l’aide de l’approche combinée TMS et EMG (c.-à-d. pendant la préparation du mouvement ou au repos).

Les outils présentés sont open-source, et le code est facilement adaptable. Ce nouveau paradigme produira des informations importantes sur les mécanismes impliqués dans la préparation, l’exécution, la fin et l’adaptation des mouvements d’atteinte. De plus, cette combinaison de méthodes a le potentiel de découvrir les relations entre l’électrophysiologie et le comportement chez l’homme.

Protocole

Toutes les méthodes détaillées ici ont été effectuées conformément au protocole IRB et à l’approbation (numéro de protocole IRB de l’Université de l’Oregon 10182017.017). Le consentement éclairé a été obtenu de tous les sujets.

1. Appareil d’atteinte

1. Placez une grande tablette graphique à plat sur un ordinateur de bureau.
2. Utilisez un cadre réglable en aluminium 80-20 pour positionner le moniteur de tâches 6-8 au-dessus de la tablette en parallèle, avec l’écran tourné vers le haut (pour un plan, vérifiez ici: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS et Figure supplémentaire 1).
   REMARQUE: Cette configuration permet aux participants d’atteindre à travers la tablette et d’acquérir des cibles présentées sur le moniteur de tâches tout en occlusant la vision de leur bras tendu.
3. Utilisez la configuration décrite dans Kim et ^al.3 comme référence.

2. Interfaces machine

1. Connectez la tablette à l’ordinateur via un port USB. Connectez le moniteur de tâches à l’ordinateur via le port HDMI. Connectez le port TMS arrière à l’ordinateur via un câble DB-9.
2. Connectez le système EMG à l’ordinateur via une carte d’acquisition de données PCI-6220. Connectez la photodiode au système EMG via un câble BNC.

3. Capteur de photodiode

1. Connectez un capteur de photodiode au câble BNC. Fixez le capteur à photodiodes avec du ruban adhésif dans le coin supérieur droit du moniteur de tâche, avec le capteur tourné vers l’écran, à ≤ 1 cm de distance.
   REMARQUE: Cela enregistrera la synchronisation des stimuli présentés sur le moniteur de tâche en tant que données analogiques dans un canal d’entrée indépendant.

4. Logiciel

1. Téléchargez VETA Toolbox²⁶ (https://github.com/greenhouselab/Veta) pour MATLAB 2018 afin de vous interfacer avec le matériel de collecte de données.
2. Téléchargez le code de tâche d’atteinte (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) développé pour le contrôle des paramètres expérimentaux et l’interfaçage avec la tablette.

5. Présélection des participants et consentement éclairé

1. Dépister le sujet pour les contre-indications à la SMT. Les critères d’exclusion comprennent des antécédents personnels ou familiaux de convulsions, de maux de tête, de traumatismes crâniens, d’évanouissements, de stress chronique ou d’anxiété, de problèmes de sommeil et de tout médicament neuroactif. Les critères d’exclusion supplémentaires comprennent tout implant métallique dans le cerveau ou le crâne et toute consommation de drogue ou d’alcool à des fins récréatives dans les 24 heures précédant le test. Les critères d’inclusion comprenaient l’autoritarisme et l’âge entre 18 et 35 ans.
2. Fournir une explication écrite de la procédure et des risques associés, en clarifiant toute autre question que le participant pourrait avoir.
3. Obtenir le consentement éclairé des participants.

6. Configuration du sujet

1. Placez le sujet dans une chaise confortable face à la tablette. Assurez-vous que les genoux sont fléchis à 90° avec les jambes sous le bureau.
2. Préparez la peau et placez des électrodes EMG.
   1. Utilisez du papier de verre à grain fin pour abraser doucement la peau au site du premier interossei dorsal droit (FDI), de l’extenseur carpi radialis et des muscles deltoïdes antérieurs, ainsi que la proéminence C4 à la base du cou, pour détecter les artefacts électriques produits par l’impulsion TMS.
      REMARQUE: Les sites d’enregistrement musculaire peuvent être adaptés en fonction des besoins de l’utilisateur.
   2. Écouvillonner chaque zone abrasée avec un tampon de préparation à l’alcool une fois par site d’électrode à nettoyer.
   3. Placez une électrode EMG sur chaque site. Assurez-vous que les électrodes sont perpendiculaires aux fibres musculaires. Placez l’électrode de masse sur la proéminence osseuse du coude droit.
   4. Fixez chaque électrode avec du ruban adhésif médical.
3. Vérifiez la qualité de l’enregistrement EMG. Utilisez la boîte à outils VETA pour visualiser toutes les traces EMG et vous assurer qu’elles sont exemptes d’artefacts. Si les traces EMG sont bruyantes, assurez-vous que la masse est correctement placée et que toutes les électrodes entrent en contact avec la peau.

7. Stimulation magnétique transcrânienne

1. Mettez l’ordinateur TMS sous tension.
2. Trouvez le point chaud TMS du muscle FDI droit via la stimulation du M1 gauche.
   1. Placez la bobine ~5 cm latéralement et 2 cm avant le sommet de la tête, orientée ~45° hors de la ligne médiane.
   2. Administrer des impulsions TMS une fois toutes les 4 s tout en repositionnant la bobine par incréments d’environ 5 mm dans le plan antéro-postérieur et médial-latéral.
   3. En commençant à 30 % de la production maximale du stimulateur, augmenter progressivement l’intensité du SMT par incréments de 2 % jusqu’à ce que des MEP soient observées.
   4. Une fois l’emplacement optimal identifié, auquel les MEP peuvent être obtenus de manière fiable sur la majorité (~75%) des impulsions à l’intensité la plus faible possible, déterminez le seuil moteur au repos (RMT) en trouvant le niveau d’intensité qui produit des MEP avec une amplitude crête à crête de >50 μV sur cinq impulsions sur 10.
   5. Marquez la position en plaçant doucement de fines bandes de ruban réfléchissant sur la tête du participant le long du périmètre de la bobine. Maintenez le positionnement de la bobine en tenant manuellement la bobine ou en utilisant un support pour la soutenir.

8. Atteindre la configuration des tâches

1. Mettez un gant Velcro sur la main droite du participant pour faciliter une posture de prise en main détendue.
2. Attachez le stylet au gant et conseillez au sujet de garder la main détendue entre les mouvements d’attelage.
3. Communiquez les instructions de tâche, qui sont les suivantes : Guidez le curseur sur la position d’accueil en bas de l’écran. Vous verrez un signal à l’un des deux emplacements cibles. Lorsque la cible se remplit de couleur, atteignez la cible aussi rapidement et aussi précisément que possible. Revenez ensuite à la position d’accueil. Indiquez l’emplacement des positions d’origine, des indices et des cibles (figure 1A).
4. Entraînez le participant à découper les cibles avec le stylet aussi rapidement et aussi précisément que possible. Éteignez les lumières dans la salle des tâches pour masquer la vision du participant des mouvements des bras et améliorer la visibilité du moniteur de tâches.

9. Conception des tâches

1. Contrôlez la présentation du stimulus visuel avec Psychtoolbox 3.0 dans Matlab 2018 (fichier de codage supplémentaire 1).
2. Utilisez les paramètres suivants pour faire correspondre les données actuelles : 20 essais pratiques; 270 essais expérimentaux; TMS sur 4/5 des essais; La SMT coïncide soit avec le début du signal préparatoire (TMS de base), soit 100 ms avant le signal impératif (TMS de retard) avec une fréquence égale ; 1/10 des essais totaux sont des essais de capture, dans lesquels le signal impératif n’apparaît pas; la position d’accueil est un cercle d’un rayon de 2 cm positionné en bas au centre de l’espace de travail; Deux cibles circulaires d’un rayon de 1 cm sont positionnées à 15 cm de la position d’origine à +45° et -45° de la ligne médiane.
3. Définissez l’ordre et la durée des événements comme suit : signal préparatoire à 900 ms et signal impératif à 900 ms.

10. Administration du TMS

1. La boîte à outils VETA administre simultanément TMS et enregistre les https://github.com/greenhouselab/Veta EMG.
2. Contrôlez le moment des impulsions TMS avec la boîte à outils VETA pour qu’elle coïncide avec les événements comportementaux choisis (c.-à-d. le début du signal préparatoire ou 100 ms précédant l’apparition de la cible).
3. Fournir TMS avec une fréquence suffisante pour assurer un nombre suffisant de députés européens pour l’analyse.
   REMARQUE: Tel qu’il est écrit, le code de tâche délivrera une impulsion TMS sur 4/5 des essais totaux, soit au début du signal préparatoire - pour obtenir des MEP de base - ou 100 ms avant le signal impératif - pour obtenir des MEP retardés. Les paramètres peuvent être ajustés dans le code en fonction des besoins de l’utilisateur. Les essais sans SMT peuvent être utilisés pour évaluer les performances comportementales en l’absence de SMT. Ceci est utile pour déterminer toute influence possible de TMS sur les performances.

Résultats

L’exécution réussie des méthodes décrites comprend l’enregistrement des données des tablettes, les traces EMG et l’obtention fiable des MEP. Une expérience a été réalisée qui comprenait 270 essais de test avec TMS livrés sur 4/5 des essais (216 essais).

Les données ont été recueillies auprès de 16 participants (huit femmes; huit hommes) âgés de 25 ± 10 ans, qui se sont tous déclarés droitiers. Nous avons évalué l’efficacité de la perturbation visuelle sur la perf...

Discussion

Les méthodes décrites ci-dessus offrent une nouvelle approche pour étudier la préparation motrice dans le contexte de l’atteinte des comportements. Bien que l’atteinte représente une tâche modèle populaire dans l’étude du contrôle moteur et de l’apprentissage, il est nécessaire d’évaluer avec précision la dynamique CS associée au comportement d’atteinte. TMS offre une méthode non invasive et temporellement précise pour capturer l’activité CS à des points temporels discrets ...

matériels

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