JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

Short-latency afferent inhibition (SAI) הוא פרוטוקול גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי לבדיקת אינטגרציה סנסומוטורית. מאמר זה מתאר כיצד SAI יכול לשמש לחקר הלולאות התחושתי-תנועתיות המתכנסות בקליפת המוח המוטורית במהלך התנהגות סנסומוטורית.

Abstract

יכולת מוטורית מיומנת תלויה בשילוב יעיל של רגש חושי בפקודות המוטוריות המתאימות. עיכוב רגשי מספק כלי רב ערך לחקירת ההשפעה הפרוצדורלית וההצהרתית על אינטגרציה סנסומוטורית במהלך פעולות מוטוריות מיומנות. כתב יד זה מתאר את המתודולוגיה והתרומות של עיכוב אפירנטי בהשהיה קצרה (SAI) להבנת אינטגרציה סנסומוטורית. SAI מכמת את ההשפעה של מטח מתכנס על התפוקה המוטורית הקורטיקוספינלית המתעוררת על ידי גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS). מטח afferent מופעל על ידי גירוי חשמלי של עצב היקפי. גירוי TMS מועבר למיקום מעל קליפת המוח המוטורית הראשונית שמעורר תגובה מוטורית אמינה בשריר המשרת את אותו עצב רגשי. מידת העיכוב בתגובה המוטורית משקפת את עוצמת המטח הרגשי המתכנס לקליפת המוח המוטורית ומערבת תרומות GABAergic וכולינרגיות מרכזיות. המעורבות הכולינרגית ב-SAI הופכת את SAI לסמן אפשרי של אינטראקציות הצהרתיות-פרוצדורליות בביצועים סנסומוטוריים ובלמידה. לאחרונה, מחקרים החלו לתמרן את כיוון זרם ה-TMS ב-SAI כדי להבין את המשמעות התפקודית של מעגלים סנסומוטוריים מובחנים בקליפת המוח המוטורית הראשונית עבור פעולות מוטוריות מיומנות. היכולת לשלוט בפרמטרי פולס נוספים (למשל, רוחב הדופק) באמצעות פרמטר הדופק הנשלט המתקדם TMS (cTMS) שיפרה את הסלקטיביות של המעגלים הסנסומוטוריים שנחקרו על ידי גירוי TMS וסיפקה הזדמנות ליצור מודלים מעודנים יותר של שליטה סנסומוטורית ולמידה. לכן, כתב היד הנוכחי מתמקד בהערכת SAI באמצעות cTMS. עם זאת, העקרונות המתוארים כאן חלים גם על SAI המוערך באמצעות ממריצי TMS קונבנציונליים ברוחב פולס קבוע וצורות אחרות של עיכוב afferent, כגון עיכוב afferent השהיה ארוכה (LAI).

Introduction

לולאות סנסומוטוריות מרובות מתכנסות בקליפת המוח המוטורית כדי לעצב הקרנות של דרכי הפירמידה לנוירונים מוטוריים בעמוד השדרה ולנוירונים בין-עצביים1. עם זאת, כיצד לולאות סנסומוטוריות אלה מתקשרות כדי לעצב הקרנות קורטיקוספינליות והתנהגות מוטורית נותרה שאלה פתוחה. Short-latency afferent inhibition (SAI) מספק כלי לבדיקת התכונות התפקודיות של לולאות סנסומוטוריות מתכנסות בפלט קליפת המוח המוטורית. SAI משלב גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי מוטורי בקליפת המוח (TMS) עם גירוי חשמלי של עצב העצב ההיקפי המתאים.

TMS היא שיטה לא פולשנית לגירוי בטוח של נוירונים מוטוריים פירמידליים באופן טרנס-סינפטי במוח האנושי 2,3. TMS כרוך בהעברת זרם חשמלי גדול וחולף דרך חוט מפותל המונח על הקרקפת. אופיו הארעי של הזרם החשמלי יוצר שדה מגנטי המשתנה במהירות ומשרה זרם חשמלי במוח4. במקרה של גירוי TMS יחיד, הזרם המושרה מפעיל סדרה של קלטים מעוררים לנוירונים המוטוריים הפירמידליים 5-7. אם עוצמת הקלט המעורר שנוצר מספיקה, הפעילות היורדת מעוררת תגובה שרירית נגדית המכונה פוטנציאל מעורר מוטורי (MEP). החביון של MEP משקף את זמן ההולכה הקורטיקומוטורי8. המשרעת של MEP אינדקס את ההתרגשות של נוירונים קורטיקוספינליים9. לגירוי ה-TMS היחיד שמעורר את ה-MEP יכול להקדים גם גירוי התניה10,11,12. ניתן להשתמש בפרדיגמות דופק זוגי אלה כדי לאנדקס את ההשפעות של מאגרים בין-עצביים שונים על התפוקה הקורטיקוספינלית. במקרה של SAI, גירוי ההתניה החשמלית ההיקפית משמש כדי לחקור את ההשפעה של מטח afferent על עוררות קליפת המוח המוטורית11,13,14,15. התזמון היחסי של גירוי TMS וגירוי חשמלי היקפי מיישר את פעולת גירוי ה-TMS על קליפת המוח המוטורית עם הגעת ההקרנות הafferent לקליפת המוח המוטורית. עבור SAI בשרירי הגפיים העליונות הדיסטליים, הגירוי העצבי החציוני בדרך כלל מקדים את גירוי TMS ב-18-24 מילישניות 11,13,15,16. במקביל, SAI גדל ככל שעוצמת המטח הרגשי המושרה על ידי הגירוי ההיקפי עולה13,17,18.

למרות הקשר החזק שלה עם התכונות החיצוניות של הקרנה afferent לקליפת המוח המוטורית, SAI היא תופעה גמישה המעורבת בתהליכי בקרה מוטוריים רבים. לדוגמה, SAI מופחת בשרירים הרלוונטיים למשימה לפני תנועה מתקרבת 19,20,21 אך נשמר בייצוגים מוטוריים סמוכים שאינם רלוונטיים למשימה19,20,22. הרגישות לרלוונטיות המשימה משוערת כמשקפת מנגנון עיכוב היקפי23 שמטרתו להפחית גיוס משפיעים לא רצויים. לאחרונה הוצע כי הירידה ב-SAI באפקט הרלוונטי למשימה עשויה לשקף תופעת גטינג תלוית תנועה שנועדה לדכא את הרגש החושי הצפוי21 ולהקל על תיקונים במהלך תכנון וביצוע סנסומוטורי24. ללא קשר לתפקיד הפונקציונלי הספציפי, SAI מתואם עם הפחתה במיומנות ידנית וביעילות עיבוד25. שינוי SAI קשור גם לסיכון מוגבר לנפילה בקרב מבוגרים בני 26 ופגיעה בתפקוד התחושתי-מוטורי במחלת פרקינסון 26,27,28 ואנשים עם דיסטוניה מוקדית ביד 29.

עדויות קליניות ופרמקולוגיות מצביעות על כך שהמסלולים המעכבים המתווכים SAI רגישים למודולציה כולינרגית מרכזית30. לדוגמה, מתן אנטגוניסט קולטן אצטילכולין מוסקריני scopolamine מפחית SAI31. לעומת זאת, הגדלת זמן מחצית החיים של אצטילכולין באמצעות מעכבי אצטילכולין אסטראז משפרת את SAI32,33. בהתאם לראיות פרמקולוגיות, SAI רגיש למספר תהליכים קוגניטיביים עם מעורבות כולינרגית מרכזית, כולל עוררות34, תגמול 35, הקצאת תשומת לב 21,36,37 וזיכרון38,39,40. SAI משתנה גם באוכלוסיות קליניות עם ליקויים קוגניטיביים הקשורים לאובדן נוירונים כולינרגיים, כגון מחלת אלצהיימר 41,42,43,44,45,46,47, מחלת פרקינסון (עם ליקוי קוגניטיבי קל)48,49,50, וליקוי קוגניטיבי קל 47,51,52. האפנון הדיפרנציאלי של SAI על ידי בנזודיאזפינים שונים עם זיקות דיפרנציאליות עבור סוגים שונים של קולטני חומצה γ-אמינובוטירית מסוג A (GABAA) מצביע על כך שהמסלולים מעכבי SAI נבדלים ממסלולים המתווכים צורות אחרות של עיכוב דופק זוגי30. לדוגמה, lorazepam מפחית SAI אבל משפר עיכוב קליפת המוח במרווחים קצרים (SICI)53. Zolpidem מפחית SAI אבל יש השפעה מועטה על SICI53. דיאזפם מגדיל את SICI אך יש לו השפעה מועטה על SAI53. הירידה ב- SAI על ידי מודולטורים אלוסטריים חיוביים אלה של תפקוד קולטן GABAA, יחד עם התצפית כי GABA שולט בשחרור אצטילכולין בגזע המוח ובקליפת המוח54, הובילו להשערה כי GABA מווסת את המסלול הכולינרגי המקרין לקליפת המוח התחושתית-תנועתית להשפיע על SAI55.

לאחרונה, נעשה שימוש ב- SAI כדי לחקור אינטראקציות בין הלולאות הסנסומוטוריות הקובעות תהליכי בקרה מוטוריים פרוצדורליים לבין אלה המיישרות תהליכים פרוצדורליים למטרות מפורשות מלמעלה למטה ותהליכי בקרה קוגניטיביים 21,36,37,38. המעורבות הכולינרגית המרכזית ב- SAI31 מצביעה על כך ש- SAI עשוי לסמן השפעה ניהולית על שליטה סנסומוטורית פרוצדורלית ולמידה. חשוב לציין כי מחקרים אלה החלו לזהות את ההשפעות הייחודיות של קוגניציה על מעגלים סנסומוטוריים ספציפיים על ידי הערכת SAI באמצעות כיווני זרם TMS שונים. מחקרי SAI משתמשים בדרך כלל בזרם המושרה אחורי-קדמי (PA), בעוד שרק קומץ מחקרי SAI השתמשו בזרם המושרה קדמי-אחורי (AP)55. עם זאת, שימוש ב-TMS כדי להשרות AP בהשוואה לזרם PA במהלך הערכת SAI מגייס מעגלים סנסומוטוריים נפרדים16,56. לדוגמה, מעגלים סנסומוטוריים רגישים ל-AP, אך לא רגישים ל-PA, משתנים על-ידי אפנון המוח הקטן37,56. יתר על כן, מעגלים סנסומוטוריים רגישים ל-AP, אך לא רגישים ל-PA, מווסתים על ידי עומס קשב36. לבסוף, השפעות הקשב והמוח הקטן עשויות להתכנס על אותם מעגלים סנסומוטוריים רגישים ל-AP, מה שמוביל לשינויים לא אדפטיביים במעגלים אלה37.

ההתקדמות בטכנולוגיית TMS מספקת גמישות נוספת למניפולציה של תצורת גירוי TMS המופעל במהלך פעימה יחידה, פעימה זוגית ויישומים חוזרים57,58. ממריצי TMS (cTMS) של פרמטר דופק ניתנים לשליטה זמינים כעת באופן מסחרי לשימוש מחקרי ברחבי העולם, ואלה מספקים שליטה גמישה על רוחב הדופק וצורתו57. הגמישות המוגברת נובעת משליטה על משך הפריקה של שני קבלים עצמאיים, שכל אחד מהם אחראי על פאזה נפרדת של גירוי TMS. האופי הדו-פאזי או המונופאזי של הגירוי נשלט על ידי משרעת הפריקה היחסית מכל קבל, פרמטר הנקרא יחס M. מחקרי cTMS שילבו מניפולציה של רוחב פולס עם כיווני זרם שונים כדי להדגים כי רוחב הפולסים הקבוע המשמש את ממריצי TMS קונבנציונליים (70-82 μs)59,60 ככל הנראה מגייס שילוב של מעגלים סנסומוטוריים מובחנים מבחינה תפקודית במהלך SAI 56. לכן, cTMS הוא כלי מרגש להתיר עוד יותר את המשמעות הפונקציונלית של לולאות סנסומוטוריות מתכנסות שונות בביצועים סנסומוטוריים ובלמידה.

כתב יד זה מפרט גישת SAI ייחודית לחקר אינטגרציה סנסומוטורית המשלבת גירוי חשמלי היקפי עם cTMS במהלך התנהגויות סנסומוטוריות. גישה זו משפרת את גישת SAI הטיפוסית על ידי הערכת ההשפעה של הקרנות afferent על אוכלוסיות בין-נוירונים נבחרות בקליפת המוח המוטורית השולטות בתפוקה הקורטיקוספנלית במהלך התנהגות סנסומוטורית מתמשכת. למרות שהוא חדש יחסית, cTMS מספק יתרון מובהק בחקר אינטגרציה סנסומוטורית באוכלוסיות טיפוסיות וקליניות. יתר על כן, ניתן להתאים בקלות את הגישה הנוכחית לשימוש עם ממריצי TMS קונבנציונליים ולכמת צורות אחרות של עיכוב והנחיה של afferent, כגון עיכוב afferent (LAI)13 או הנחיית afferent (SAF)15.

Protocol

ניתן ליישם את הפרוטוקול הבא על ניסויים שונים. המידע שנמסר מפרט ניסוי שבו SAI משמש לכימות אינטגרציה סנסומוטורית במהלך תגובת אצבע לגשושית בעלת רמז תקף או לא חוקי. בפרוטוקול זה, SAI מוערך ללא משימה, ואז במקביל במהלך המשימה הסנסומוטורית המרומזת, ואז שוב ללא משימה. ניתן להחליף את ממריץ cTMS בכל ממריץ TMS קונבנציונלי הזמין מסחרית. עם זאת, רוחב הדופק של מגרה TMS קונבנציונאלי יהיה קבוע בין 70-82 μs בהתאם לחומרה ספציפית59,60. מחקר זה אושר על ידי המשרד לאתיקה במחקר של אוניברסיטת ווטרלו. כל המשתתפים נתנו הסכמה מדעת בכתב.

1. דרישות חומרה/תוכנה

הערה: איור 1 מציג סכמה של דרישות החומרה כדי לשלב את הממריצים החשמליים וה-TMS ההיקפיים עם משימה סנסומוטורית הנשלטת על-ידי מחשב. איור 2A מתאר את ההגדרה של SAI עבור זרם המושרה על-ידי הרשות הפלסטינית וזרם המושרה על-ידי AP. איור 2B מדגים את רצף האירועים עבור המשימה הסנסומוטורית המרומזת ואת העיתוי היחסי של הערכת SAI. מערכת הנחיה סטריאוטקטית למעקב אחר כיוון סליל TMS ביחס למשתתף מומלצת מאוד כדי להפחית את השונות של ניסוי אחר ניסוי בתגובה הפיזיולוגית הקשורה לשונות במיקום הסליל ובמסלול61.

figure-protocol-1361
איור 1: סכמה של החומרה המשמשת להערכת SAI במנוחה ובמהלך התנהגות סנסומוטורית בו-זמנית. PC1, המשמש לשליטה במשימה הסנסומוטורית ובתזמון הגירוי החשמלי cTMS/הציוד ההיקפי, מחובר לממיר דיגיטלי-לאנלוגי המסוגל לייצר הדק פלט TTL של 5 V באמצעות כבל USB. עבור ניסויים בלתי מותנים, ההדק מערוץ קלט-פלט דיגיטלי 1 נשלח למגרה cTMS באמצעות כבל BNC. עבור ניסויים מותנים, הטריגר מערוץ קלט-פלט דיגיטלי 1, הנשלח לממריץ cTMS, קודם על ידי טריגר מערוץ קלט-פלט דיגיטלי 2 לממריץ החשמלי ההיקפי. כבל BNC מערוץ יציאת ההדק ביחידת cTMS נשלח למערכת EMG מאנלוגי ללוח דיגיטלי כדי להפעיל את הקלטת מגבר EMG ואת התצוגה/שמירה של הנתונים על ידי תוכנת רכישת EMG ב- PC2. כבל BNC אופציונלי מהדק cTMS נשלח גם למערכת ההנחיה הסטריאוטקטית כדי להקליט את מיקום הסליל ומסלולו בזמן גירוי cTMS. קיצורים: PC = מחשב אישי; USB = אפיק טורי אוניברסלי; TTL = כבל הדק לוגי טרנזיסטור-טרנזיסטור; BNC = מחבר כידון ניל-קונסלמן; cTMS = פרמטר דופק נשלט מגרה מגנטי transcranial; TMS = גירוי מגנטי תוך גולגולתי; A/D = אנלוגי-דיגיטלי; EMG = אלקטרומיוגרפיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-2713
איור 2: הגדרת SAI והמשימה הסנסומוטורית . (A) סכמה של ההתקנה להערכת SAI בשריר ה-FDI. שימו לב, הזרם המושרה במוח הפוך לכיוון הזרם בסליל TMS. (B) תיאור של משפט חוקי של רמז אצבע מורה (למעלה) ומשפט לא חוקי של האצבע המורה (למטה). הרמז מתואר תמיד כגירוי העליון (מודגש על ידי העיגול המקווקו). צבע הרמז מתאים לתגובת אצבע ספציפית. המשתתפים הונחו להגיב לצבע הגשושית במהירות ובדייקנות האפשרית. רמזים וגשושיות יכולים להיות בכל צבע. ההסתברות לרמז תקף הייתה 70%. רמזים לא חוקיים התרחשו ב-30% מהניסויים. קיצורים: SAI = עיכוב afferent בהשהיה קצרה; PA = אחורי-קדמי; AP = קדמי-אחורי; FDI = interosseous הגבי הראשון; EMG = אלקטרומיוגרפיה; MNS = גירוי עצבי מדיאני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

  1. צייד מחשב אישי אחד (PC1) בתוכנה לשליטה במשימה הסנסומוטורית באמצעות לוח דיגיטלי-אנלוגי USB (או יציאה טורית) עם שני ערוצי פלט דיגיטליים.
  2. הגדר שגרת תוכנה ללא משימות כדי לשלוט בסדר הגירויים הבלתי מותנים של cTMS וגירויי cTMS שיהיו מותנים על ידי גירוי חשמלי היקפי עם מרווח גירוי אינטרסטימולוסי (ISI) של 21 אלפיות השנייה. חלק אקראי את המרווח בין כל שני גירויים (למשל, מותנה או לא מותנה) באמצעות התפלגות מלבנית עם משך בין 5-8 שניות.
    1. ודא שהשגרה שולחת הדק פלט דיגיטלי אחד להדק ביציאה של יחידת cTMS עבור הגירויים הבלתי מותנים. ודא שהשגרה שולחת יציאות דיגיטליות נפרדות ליחידת cTMS ולממריץ החשמלי ההיקפי עבור הגירויים המותנים.
    2. ודא שההדק לממריץ ההיקפי מקדים את הדק cTMS ב- 21ms. ודא שמספר הגירויים הבלתי מותנים והמותנים הוא בין 8 ל -24. באופן אידיאלי, סדר הניסויים הבלתי מותנים והמותנים צריך להיות אקראי.
  3. הגדר שגרת תוכנה כדי לשלוט במשימה הסנסומוטורית. ודא שתוכנה זו גם נועלת בזמן את טריגרים הפלט הדיגיטלי הנשלחים ל- cTMS ולממריצים חשמליים היקפיים לנקודה מסוימת במהלך ההתנהגות.
    הערה: הניסוי המתואר השתמש במטלה סנסומוטורית מרומזת (איור 2B). הטריגרים לממריץ ההיקפי ולממריץ cTMS תוזמנו להתרחש 225-275 מילישניות לאחר תחילת רמז התגובה באמצעות התפלגות מלבנית. מטרת תזמון זה הייתה להעריך שינויים באינטגרציה סנסומוטורית בהתבסס על התוקף בין רמז התגובה לבין רמז ההכנה הקודם, שהיה תקף ב-70% מכלל הניסויים.
  4. צייד מחשב אישי שני (PC2) במגבר אלקטרומיוגרפיה דו-ערוצי (EMG) המחובר לממיר אנלוגי-דיגיטלי. ודא שלממיר הדיגיטלי-אנלוגי יש ערוץ קלט דיגיטלי כדי לנעול את זמן ה- EMG לגירוי TMS. ודא ש-PC2 מצויד בתוכנה לרכישת נתוני EMG כדי לתעד את תגובות השרירים המעוררות TMS.
    הערה: ניתן להשתמש ב-PC1 כדי לשלוט במשימה הסנסומוטורית ולהקליט את ה-EMG. עם זאת, על החוקרים לאמת באופן עצמאי את תזמון הטריגרים לממריץ TMS, לממריץ היקפי ולמערכת EMG. התקנים מרובים המחוברים למחשב יחיד מגדילים את הפוטנציאל להתנגשויות במעבד המרכזי, מה שמוביל לחוסר יציבות בתזמון היחסי של סמני האירוע.
  5. הגדר את תוכנת איסוף הנתונים של EMG עם ההגדרות הבאות: שלושה ערוצי הקלטה, 2 EMG, טריגר קלט אחד, הקלטות מופעלות עם תקופה של -0.3 שניות עד 0.5 שניות סביב הדק TTL, מקדם הגברה EMG של 1,000x, קצב דגימה של 4,000 הרץ, מסנן פס פס של 3 הרץ עד 1 קילוהרץ ומסנן חשמל (אופציונלי).
    הערה: הפרוטוקול הנוכחי משתמש בשיטת הקלטה תקופתית. תוכנת הרכישה של EMG מנטרת באופן רציף את אות ה-EMG. עם זאת, רק נתונים תקופתיים שננעלו בזמן לגירוי TMS מוצגים ומוקלטים.
  6. חבר ערוץ פלט דיגיטלי אחד מ-PC1 לקלט ההדק במגרה cTMS. חבר את ערוץ הפלט הדיגיטלי השני מ- PC1 לקלט ההדק במגרה החשמלי ההיקפי. בעת שימוש במערכת ההפעלה של המחשב, אשר באופן עצמאי את העיתוי היחסי של שתי היציאות הדיגיטליות מ- PC1.
  7. חבר את פלט ההדק לקלט הדיגיטלי של מערכת EMG. אם משתמשים במערכת הנחיה סטריאוטקטית, ייתכן שניתן יהיה לפצל את פלט ההדק למערכת ההנחיה כדי להקליט את הניסוי לפי מיקום הניסוי של סליל cTMS בזמן גירוי cTMS.

2. סינון משתתפים והסכמה מדעת

  1. סנן את המשתתף עבור התוויות נגד TMS 9,62,63,64,65.
  2. ליידע את המשתתף על מטרות המחקר ונהלים. סקור את הסיכונים המפורטים במסמך ההסכמה של ועדת האתיקה של המוסד. ענה על כל שאלה לגבי הסיכונים הפוטנציאליים. קבל הסכמה מדעת בכתב לפני תחילת כל הליכי המחקר.

3. מיקום אלקטרודות אלקטרומיוגרפיה (EMG)

  1. הנחו את המשתתפים לשבת בכיסא הניסוי כשהמרפקים מונחים על זרועות הכיסא ומכופפים כדי לאפשר לפרק כף היד לנוח בנוחות על שולחן העבודה. כוונן את גובה סביבת העבודה של הכיסא והשולחן לפי הצורך.
  2. נקו את העור מעל האינטרוסוס הגבי הראשון (FDI), החוטף פוליציס ברוויס (APB), ותהליך הסטילואיד האולנרי באמצעות קרם שוחק קלות המונח על פד כותנה עגול. נגבו את השאריות בעזרת פד להכנת אלכוהול.
  3. עבור כל שריר, הניחו אלקטרודת דבק Ag-AgCl חד פעמית אחת על בטן השריר. הניחו אלקטרודה שנייה על נקודת ציון גרמית סמוכה כהפניה. לבסוף, הניחו אלקטרודת דבק Ag-AgCl נוספת על תהליך הסטילואיד האולנרי כדי לשמש כהארקה.
    הערה: אתר ייחוס נפוץ של FDI הוא הבולטות הגרמית בבסיס הפלנקס הפרוקסימלי השני בצד הרדיאלי של היד. אתר ייחוס APB נפוץ הוא הבולטות הגרמית של הפלנקס הפרוקסימלי בצד הרדיאלי של האגודל.
  4. חבר כל זוג אלקטרודות והארקה למגבר EMG ולמערכת איסוף הנתונים. השתמש בערוץ 1 עבור ה- FDI ובערוץ 2 עבור APB.

4. מיקום אלקטרודות ממריץ חשמלי היקפי

  1. חבר את הדק הפלט הדיגיטלי של הממריץ ההיקפי לערוץ הקלט של ההדק במערכת EMG כדי להפעיל הקלטת EMG כאשר הגירוי ההיקפי מסופק.
  2. השתמש קרם שוחק קלות כדי לנקות את העור בחלק הפנימי של האמה. התחל מקמט כיפוף שורש כף היד והתרחב ל~ 6 ס"מ פרוקסימלי. יש להרחיב את הניקוי לאזור החל מקו האמצע של שורש כף היד ועד לצד הרדיאלי של האמה. נגבו את השאריות באמצעות פד להכנת אלכוהול.
  3. יש למרוח ג'ל מוליך על אלקטרודת מוט מגרה לשימוש חוזר. השתמש בדיוק מספיק ג'ל כדי לכסות את דיסקי המתכת של נקודות המגע האנודליות והקתודאליות. הניחו את האלקטרודה המגרה על העור בצד החיוור של פרק כף היד עם הקתודה פרוקסימלית לאנודה. מניחים את הקתודה מעט מדיאלית ופרוקסימלית לתהליך הסטילואיד הרדיאלי.
    1. אין להשתמש בג'ל מוגזם. אם הג'ל יוצר גשר בין האנודה לבין הדקים הקתודיים, נקו את האלקטרודה כדי להסיר את כל הג'ל, ומרחו שוב. גשר ג'ל בין האנודה לקתודה יסיט זרמים משמעותיים לאורך העור, ויקשה על גירוי העצב המדיאני.
  4. על הממריץ ההיקפי, הגדר את בורר סוגי הגירוי למונופאזי, הגדר את משך הגירוי ל -200 מיקרוגרם, ובחר מתח ואמפר מתאימים, תוך בדיקה כפולה של גורמי הכפל. המתח (Vmax) הוגדר ל -200 V עבור החומרה המשמשת כאן, עם אמפר התחלתי של 0.05 x 10 mA.
  5. תוך כדי החזקת האלקטרודה המעוררת, ספק גירוי חשמלי יחיד על ידי לחיצה על מתג ההדק על ממריץ הזרם הקבוע. לאחר מכן, בדקו ויזואלית את שריר ה-APB ואת צג ה-EMG (ערוץ 2) לעדות להתכווצות שריר. התכווצות השריר, המכונה גל M, נגרמת על ידי הפעלה ישירה של האקסון המוטורי על ידי הגירוי החשמלי וצריכה להתרחש בין 6-9 מילישניות לאחר חפץ הגירוי החשמלי ההיקפי.
  6. אם אין עדות להתכווצות שרירים, שאלו את המשתתפים אם הם הרגישו תחושת עקצוץ מקרינה לכיוון האצבעות או מיד מתחת לאלקטרודה. המיקום האופטימלי יהיה מיקום האלקטרודה שמעורר את התכווצות שריר APB המשמעותית ביותר בעוצמת הגירוי הנוכחית.
    1. אם לא מדווחים על תחושה או שהתחושה מוגבלת לעור שמתחת לאלקטרודה, יש להגדיל את הזרם במרווחים של 0.05 (כפול פקטור של 10) עד שהמשתתף מדווח על תחושת עקצוץ המקרינה עד לאצבעות/אגודל. אם תחושת הקרנה מדווחת בספרה שאינה האגודל, מקם מחדש את האלקטרודה על ידי הזזת האלקטרודה רדיאלית עד שהתחושה מקרינה לאגודל.
  7. לאחר שנקבע המיקום האופטימלי של האלקטרודה המעוררת, הצמידו את האלקטרודה לפרק כף היד באמצעות שלוש פיסות נייר דבק. מקם את החתיכה הראשונה מעל מרכז האלקטרודה, ולאחר מכן השתמש בחתיכות השנייה והשלישית כדי לאבטח את החלק העליון והתחתון של האלקטרודה.
    הערה: בהתבסס על ניסיון, מומלץ תחילה לאבטח את רצועת הסרט לחלק האחורי של האלקטרודה ולאחר מכן להעביר את הקלטת במורד הצד של האלקטרודה אל העור. נראה כי גישה זו מאבטחת את האלקטרודה וממזערת את הפוטנציאל לתנועה צידית במהלך הניסוי.
  8. לאחר אבטחת האלקטרודה, בקשו מהמשתתפים להניח את כיוון הגפיים הרצוי לשימוש במהלך גירוי TMS. בדוק כדי לוודא שעדיין נוצר עווית באגודל.

5. קביעת עוצמת הגירוי העצבי החציוני

  1. קבע את סף הגירוי ההיקפי על ידי התאמת עוצמת הגירוי ההיקפי עד לגל M של 0.2 mV מופעל37,56. אם גל M עולה על משרעת היעד הרצויה של 0.2 mV בשלושה גירויים רצופים, הקטינו את האמפר. אם גל M נמוך ממשרעת היעד הרצויה של 0.2 mV בשלושה גירויים עוקבים, הגדל את האמפר. הסף הוא ערך האמפראז הראשון שבו גל M עולה על 0.2 mV.
    הערה: חלופה נפוצה היא להגדיר את העוצמה ל -3x הסף החושי התפיסתי או פי 1 מהסף המוטורי 11,16,17,66,67,68. הסף החושי הוא עוצמת הגירוי שבה המשתתפים מדווחים נכונה על תחושה ב-5 מתוך 10 גירויים חשמליים. הסף המוטורי הוא עוצמת הגירוי שבה עווית נראית לעין מתעוררת על 5 מתוך 10 גירויים.

6. קביעת מסלול הסליל האופטימלי לגירוי מגנטי תוך גולגולתי

  1. השתמש בקובץ תמונת תהודה מגנטית (MRI) של תבנית כדי ליצור קובץ פרויקט חדש של מערכת הנחיה סטריאוטקטית לניטור מיקום וכיוון הסליל של המשתתף. לאחר מכן, חבר את הדק הפלט הדיגיטלי ממגרה TMS לערוץ הקלט של ההדק במערכת EMG כדי להפעיל את הקלטת ה- EMG כאשר גירוי TMS נמסר.
    הערה: כאשר זמין, ניתן להשתמש ב- MRI ספציפי לנושא. עם זאת, MEP מספיק כדי לקבוע את מיקום הסליל האופטימלי עבור מחקרי גירוי קליפת המוח המוטורית.
  2. הצמידו את כלי מעקב הסליל של מערכת ההנחיה לסליל TMS של הרשות הפלסטינית. השתמש בכלי כיול הסליל כדי לכייל את כיוון כלי מעקב הסליל לנקודת האמצע של סליל TMS. חזור על שלב זה באמצעות כלי מעקב סליל שני עבור סליל AP עם גיאומטריה זהה לסליל PA.
  3. הצמידו את כלי מעקב הנושא של מערכת ההנחיה למצחו של המשתתף באמצעות שתי אלקטרודות EMG. השתמשו בטוש מחיק יבש דק או באפליקטור אייליינר כדי למקם סימנים על אמצע קצה האף, על האף ועל הבורות הקדם-אוריקולריים השמאלי והימני. השתמש בכלי כיול הנושא של מערכת ההנחיה כדי לגעת ולהקליט את המיקום של כל סמן.
  4. הגדר מיקום סליל ראשוני על ידי הנחת הסליל על ראש המשתתף והקלטת מסלול הסליל. ודא שהמשטח המרכזי של הסליל משיק לקרקפת. יישרו את קו האמצע של הסליל ב-45° למישור האמצע של ראש המשתתף.
    1. כדי לקבל קירוב התחלתי של הנקודה החמה של קליפת המוח המוטורית, דמיינו קו משיק המחבר נקודה 5 ס"מ קדמית לקודקוד ו-5 ס"מ רוחבית לקודקוד, והניחו סליל בקוטר 70 מ"מ במרחק של כ-2 ס"מ מהנקודה הקדמית לאורך הקו המשיק.
      הערה: גישה חלופית לקירוב הנקודה החמה המוטורית בקליפת המוח עבור השרירים הדיסטליים של היד הנגדית היא שהנסיין יניח את האצבע המורה השמאלית שלו (אם היא מגרה מעל קליפת המוח המוטורית השמאלית של המשתתף) על קודקוד הראש ואת האגודל של יד שמאל על הנקודה הפרה-אוריקולרית של האוזן השמאלית. המיקום של מפרק metacarpophalangeal אצבע המורה יכול לשמש כדי לדמיין מיקום משוער שבו למקם את מרכז הסליל.
  5. בממריץ cTMS, הגדר את בורר סוגי הדופק למונופאזית-חיובית כדי לגרום לזרם PA ברקמה העצבית הבסיסית. לאחר מכן, הגדר את יחס M ל -0.2 ואת עוצמת הגירוי (הידוע גם בשם כוח) ל -30% מתפוקת המגרה המקסימלית. לבסוף, הגדר את רוחב הדופק (הידוע גם בשם משך השלב החיובי) ל -120 μs (רוחב הפולס הארוך ביותר המשמש במחקר).
    הערה: מיקום הסליל ומסלולו שנקבעו באמצעות הזרם המושרה על-ידי הרשות הפלסטינית ישמשו עבור זרם המושרה על-ידי AP 16,36,37,38,56,69.
  6. ספקו שלושה עד חמישה גירויי TMS בזמן שהמשתתף שומר על כיווץ קל של שריר ה-FDI (~5%-10% מהתכווצות רצונית מרבית). אם לא נוצר פוטנציאל מוטורי-מעורר (MEP), הגדל את עוצמת המגרה ב-10%, וספק שלושה עד חמישה גירויי TMS נוספים.
  7. חזור על השלב הקודם עד ש- MEP של לפחות 0.2 mV מתעורר באופן עקבי לכל גירוי, או עד שעוצמת הממריץ מגיעה ל- 60%-70% מתפוקת הממריץ המרבית. אם לא התקבל MEP אמין, שמור על פרמטרי גירוי קבועים, והזז את ממריץ TMS במעגל בקוטר ~2 ס"מ סביב אתר הגירוי המקורי. הגדל את קוטר העיגול ב -1 ס"מ אם עדיין לא הופק MEP אמין בשום שלב במעגל המקורי.
  8. לאחר קבלת MEP אמין, אשר את הנקודה החמה של מנוע ה- FDI על ידי שמירה על פרמטרי הגירוי קבועים והזזת ממריץ TMS 2 ס"מ צפונה, מזרחה, דרומה ומערבית למיקום הסליל הנוכחי. ספקו שלושה עד חמישה גירויי TMS בכל מיקום70. רשום את מיקום הסליל החדש ואת מסלולו אם MEP גדול יותר באופן עקבי מתעורר באחד מארבעת הרבעים. השתמש במיקום ומסלול הסליל החדשים כנקודה חמה מוטורית בקליפת המוח.

7. קביעת עוצמת הגירוי לגירוי מגנטי תוך גולגולתי

  1. הפעל את כלי הערכת סף מנוע TMS הזמין בחינם (MTAT 2.1)71,72,73 כדי לקבוע את עוצמת הגירוי הנדרשת כדי לעורר MEP של 1 mV (סף 1 mV)16,67,74. הגדר את שיטת האומדן ללא מידע מראש, ולחץ על התחל.
    הערה: הפרוטוקול הנוכחי משתמש בעוצמת TMS של 1 mV16. עם זאת, מחקרים מסוימים מעדיפים להגדיר את העוצמה כ -120% מהסף המוטורי במנוחה של הפרט. עבור זרם AP, ייתכן שלא ניתן יהיה להשיג MEP של 1 mV. במקרים כאלה, קבע את תפוקת הממריץ שמעוררת את ה-MEP המרבי שנוצר על-ידי תצורת גירוי AP, בתנאי שה-MEP המרבי הוא לפחות 0.5 mV.
  2. קבע את פלט הממריץ המרבי הזמין עבור רוחב הדופק של 120 μs. לאחר מכן, השתמש בטבלת המרות כדי לשנות את קנה המידה של טווח פלט הממריץ מ- 0 עד 100 כך שפלט הממריץ יתאים לקנה המידה של תוכנת MTAT 2.1.
    הערה: עבור המודל המשמש במחקר הנוכחי, תפוקת הממריץ המקסימלית עבור רוחב פולס של 120 μs היא 50%. לכן, הערכים שסופקו על ידי תוכנת MTAT 2.1 מחולקים ב -2 כדי לקבוע את הערך שנקבע על המגרה. עבור רוחב פולס של 70 μs, תפוקת המגרה המקסימלית היא 66%, כך שכל הערכים המסופקים על ידי תוכנת MTAT 2.1 מוכפלים ב -0.66 (ומעוגלים ל -0.5% הקרובים). עבור רוחב פולס של 30 μs, תפוקת הממריץ המקסימלית היא 100%. לכן, אין צורך בהתאמת קנה מידה.
  3. הגדר את עוצמת המגרה TMS לאחוז ההתחלתי של תפוקת הממריץ המרבית המצוינת על ידי תוכנת MTAT 2.1 וספק גירוי TMS יחיד. אם ה-MEP שנרשם בטווח הזמן של 20-50 אלפיות השנייה לאחר גירוי ה-TMS עולה על 1 mV, ציין "כן" על-ידי לחיצה על מקש Y . אם ה- MEP המוקלט קטן מ- 1 mV, ציין "לא" על ידי לחיצה על מקש N . חזור על שלב זה עד שעוצמת הגירוי המוצגת על-ידי תוכנת MTAT תשתנה משחור לירוק.
    הערה: הערך ההתחלתי המצוין על-ידי תוכנת MTAT 2.1 הוא תמיד 37%. עבור רוחב פולס של 120 μs, ערך המגרה בפועל הוא 18.5%. עבור רוחב פולס של 70 μs, ערך הממריץ בפועל הוא 24%. עבור רוחב פולס של 30 μs, ערך הממריץ הוא 37%.
  4. חזור על הפעולה עבור כל שילוב של כיוון הזרם ומשך הגירוי. לזרם AP, סובב את כיוון הזרם ל- 180° על-ידי סיבוב פיזי של הסליל כדי לגרום לזרם הרשות הפלסטינית ב- 180°, או השתמש בסליל מותאם אישית המיוצר להשראת זרם AP.
    הערה: בעת שימוש במספר כיווני זרם TMS ורוחב פולסים, ניתן לקבוע את כל ערכי הסף לפני איסוף הנתונים או ממש לפני השימוש בשילוב ספציפי זה של כיוון זרם ורוחב פולס בפרוטוקול.

8. עיכוב afferent בהשהיה קצרה (ללא בסיס משימה)

  1. חברו את הסליל שיגרום לזרם PA במוח למגרה cTMS. הגדר את סוג הדופק למונופאזית-חיובית ואת יחס M ל- 0.2. הגדר את רוחב הפולס ל- 120 μs. לבסוף, הגדר את עוצמת הגירוי לסף 1 mV שנקבע בשלב 7.
    הערה: אם משתמשים הן בהוראות הנוכחיות של הרשות הפלסטינית והן בהוראות הנוכחיות, יש לחלק את הסדר שבו מתבצע שלב 8 באופן אקראי בין המשתתפים. אם משתמשים ברוחב פולסים מרובים, יש לאזן את הסדר שבו מתבצע שלב 8 בין המשתתפים. PA120 ו-AP30 היו התצורות הנוכחיות היחידות שהופעלו בניסוי המתואר.
  2. הגדר את עוצמת הגירוי החשמלי ההיקפי לעוצמה שנקבעה בשלב 5. לאחר מכן, הפעל את שגרת התוכנה ללא משימות ב- PC1. לאחר מכן, הגדר את מרווח הגירוי בין הגירויים החשמליים ההיקפיים לגירויי TMS ל- 21 אלפיות השנייה.
  3. מקם את סליל TMS מעל הנקודה החמה של מנוע ה-FDI שנקבעה בשלב 6. בקשו מהמשתתף להחזיק כיווץ קל של שריר ה-FDI (~5%-10% מהתכווצות רצונית מקסימלית). לאחר מכן, הפעל את התוכנה ללא משימות ב- PC1 כדי להפעיל הן את הממריצים ההיקפיים והן את ממריצי cTMS.
  4. חזור על השלבים עבור תצורת זרם AP30 באמצעות הסליל שמשרה זרם AP במוח.
    הערה: מומלץ לחזור על קו הבסיס ללא משימה בסוף הניסוי, כאשר הזמן מאפשר זאת. מומלץ מאוד לבצע את הערכות SAI לפני ואחרי אי-פעילות כדי לספק תוכנית בסיסית של SAI ולקבוע הבדלים קיימים בין קבוצות (אם רלוונטי).

9. עיכוב afferent חביון קצר (משימה סנסומוטורית)

  1. חבר את סליל הרשות הפלסטינית למגרה cTMS. הגדר את סוג הדופק למונופאזית-חיובית ואת יחס M ל- 0.2. הגדר את רוחב הפולס ל- 120 μs. לבסוף, הגדר את עוצמת הגירוי לסף 1 mV שנקבע בשלב 7.
    הערה: בעת שימוש בתצורות זרם TMS מרובות (לדוגמה, PA120, AP30), יש לאזן את התצורה הנוכחית המופעלת במהלך המשימה הסנסומוטורית בין המשתתפים. מומלץ להשתמש באותו איזון נגדי המשמש לקביעת הסדר עבור הערכה בסיסית ללא משימה.
  2. הגדר את עוצמת הגירוי החשמלי ההיקפי לעוצמה שנקבעה בשלב 5. לאחר מכן, הפעל את שגרת תוכנת המשימות הסנסומוטוריות ב- PC1. הגדר את מרווח הגירוי בין הגירויים החשמליים ההיקפיים לגירויי TMS ל- 21 אלפיות השנייה.
  3. מקם את סליל TMS מעל הנקודה החמה של מנוע ה-FDI שנקבעה בשלב 6. בקשו מהמשתתף להחזיק כיווץ קל של שריר ה-FDI (~5%-10% מהתכווצות רצונית מקסימלית).
  4. הפעל את שגרת תוכנת המשימות הסנסומוטוריות כדי לשלוט במשימה הסנסומוטורית ושלח את הטריגרים הדיגיטליים נעולי ההתנהגות לממריצים ההיקפיים וה- cTMS. שמור על המספר הרצוי של ניסויים בלתי מותנים ומותנים בין 8 ל -24 גירויים לכל מצב.
  5. חזור על השלבים עבור תצורת זרם AP30 באמצעות הסליל כדי לגרום לזרם AP במוח.

10. עיבוד וניתוח נתונים

  1. בדוק חזותית את נתוני EMG במצב לא מקוון ומחק עקבות שבהם ממוצע השורש הריבוע של EMG prestimulus (-50 לתחילת גירוי) עולה על משרעת קריטריון. חשב את ממוצע השורש של השגיאה הריבועית עבור כל גירסת ניסיון באופן הבא:
    figure-protocol-20459
    כאשר N הוא מספר נקודות הנתונים בין -50 לתחילת הגירוי, וה-EMG הוא המתח בנקודה n. עבור SAI שנערך עם השריר במנוחה, השתמש באמפליטודת קריטריון של 10-15 μV. עבור SAI המוערך עם התכווצות טוניק קלה, השתמש באמפליטודת קריטריון שהיא RMSE הממוצע בכל הניסויים בתוספת שתי סטיות תקן, בהנחה שרמות ההתכווצות נוטרו במהלך המחקר.
  2. עבור כל ניסוי, חשב את משרעת MEP משיא לשיא עבור ה- FDI כהפרש בין ערכי המינימום והמקסימום בחלון הזמן שבין 20 אלפיות השנייה ל- 50 אלפיות השנייה לאחר גירוי TMS בערוץ 170.
  3. עבור הניסויים המותנים, חשב את משרעת גל M משיא לשיא עבור APB כמשרעת משיא לשיא 5 מילישניות עד 15 מילישניות לאחר גירוי היקפי בערוץ 2.
    הערה: חישוב משרעת גל M משיא לשיא היא שיטה לאשר שעוצמת הגירוי לא השתנתה בין התנאים לאורך הניסוי.
  4. חשב את משרעת MEP הממוצעת עבור הניסויים הבלתי מותנים והמותנים ואת ממוצע גל M עבור ניסויים מותנים עבור כל שילוב של כיוון זרם TMS, רוחב פולס ומצב התנהגותי.
  5. בטא את משרעת MEP המותנית כיחס של משרעת MEP בלתי מותנית עבור כל משתתף באמצעות המשוואה שלהלן11:
    figure-protocol-21613
    הערה: יחסים נמוכים יותר משקפים עיכוב חזק יותר. הכפלת היחס ב- 100% מקובלת לבטא את משרעת MEP המותנית כאחוז ממשרעת MEP הבלתי מותנית.
  6. חשב את הממוצע של כל המשתתפים עבור כל כיוון זרם TMS, רוחב פולס ושילוב מצב התנהגותי. דווח על ערכים אלה. למרות שערכים ממוצעים מדווחים בדרך כלל, הדגימו נתונים בודדים במספרים במידת האפשר.

תוצאות

איור 3 מדגים דוגמאות של MEPs בלתי מותנים ומותנים ממשתתף יחיד שהופעל בשריר ה-FDI במהלך המשימה התחושתית-מוטורית באמצעות PA120 ו-AP30- (כתב תחתי מציין רוחב פולס) המושרה זרם. תרשימי העמודות בעמודה האמצעית מדגימים את אמפליטודות MEP משיא לשיא עבור הניסויים הבלתי מותנים והמותני...

Discussion

שיטת SAI המתוארת כאן בוחנת תת-קבוצה של מסלולים עצביים הממלאים תפקיד בביצועים סנסומוטוריים ובלמידה. הערכת SAI בזמן שהמשתתפים מבצעים משימות סנסומוטוריות מבוקרות היא קריטית להתרת התרומות המורכבות של הלולאות הסנסומוטוריות הרבות המתכנסות לנוירונים קורטיקוספינליים מוטוריים כדי לעצב את התפוקה...

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

המחברים מודים על מימון ממועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה (NSERC), קרן קנדה לחדשנות (CFI) וקרן המחקר של אונטריו (ORF) שהוענקה ל- S.K.M.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Acquisition software (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAPL3504/PLabChart Pro version 8
Alcohol prep padsMedline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada211-MM-05507Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAFE234Quad Bio Amp
Cotton roundCliganic, San Francisco, CA, USA‎CL-BE-019-6PKPremium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coilsRogue Research, Montréal, QC, CanadaCOIL70F8030170 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coilsRogue Research, Montréal, QC, CanadaCOIL70F80301-IC70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulatorRogue Research, Montréal, QC, CanadaCTMSMU0101Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG)AD Instruments, Colorado Springs, CO, USAPL3504PowerLab 4/35
Digital to analog boardNational Instruments, Austin, TX, USA782251-01NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG)Covidien, Dublin, Ireland31112496Kendal 130 Foam Electrodes
ElectrogelElectrodestore.comE9Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
NuprepWeaver and Company, Aurora, CO, USA10-30Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes) 
Peripheral electrical stimulatorDigitimer, Hertfordshire, UKDS7R DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrodeElectrodestore.comDDA-30Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering)National Instruments, Austin, TX, USA784503-35Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance systemRogue Research, Montréal, QC, CanadaKITBSF0404BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape3M, Saint Paul, MN, USA50707387794571Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)

References

  1. Bizzi, E., Ajemian, R. From motor planning to execution: a sensorimotor loop perspective. Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1815-1823 (2020).
  2. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerve Supplement. 9, S26-S32 (2000).
  3. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: A primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
  4. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  5. Day, B. L., et al. Electric and magnetic stimulation of human motor cortex - Surface EMG and single motor unit responses. Journal of Physiology. 412, 449-473 (1989).
  6. Di Lazzaro, V., et al. Comparison of descending volleys evoked by transcranial magnetic and electric stimulation in conscious humans. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Electromyography and Motor Control. 109 (5), 397-401 (1998).
  7. Di Lazzaro, V., Rothwell, J. C. Corticospinal activity evoked and modulated by non-invasive stimulation of the intact human motor cortex. Journal of Physiology. 592 (19), 4115-4128 (2014).
  8. Chen, R., et al. The clinical diagnostic utility of transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 119 (3), 504-532 (2008).
  9. Rossini, P. M. 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. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  10. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. The Journal of Physiology. 471, 501-519 (1993).
  11. Tokimura, H., et al. Short latency inhibition of human hand motor cortex by somatosensory input from the hand. The Journal of Physiology. 523, 503-513 (2000).
  12. Nakamura, H., Kitagawa, H., Kawaguchi, Y., Tsuji, H. Intracortical facilitation and inhibition after transcranial magnetic stimulation in conscious humans. The Journal of Physiology. 498, 817-823 (1997).
  13. Chen, R., Corwell, B., Hallett, M. Modulation of motor cortex excitability by median nerve and digit stimulation. Experimental Brain Research. 129 (1), 77-86 (1999).
  14. Asmussen, M. J., Jacobs, M. F., Lee, K. G., Zapallow, C. M., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition modulation during finger movement. PLoS One. 8 (4), e60496 (2013).
  15. Devanne, H. Afferent-induced facilitation of primary motor cortex excitability in the region controlling hand muscles in humans. European Journal of Neuroscience. 30 (3), 439-448 (2009).
  16. Ni, Z., et al. Transcranial magnetic stimulation in different current directions activates separate cortical circuits. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 749-756 (2011).
  17. Bailey, A. Z., Asmussen, M. J., Nelson, A. J. Short-latency afferent inhibition determined by the sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 116 (2), 637-644 (2016).
  18. Fischer, M., Orth, M. Short-latency sensory afferent inhibition: conditioning stimulus intensity, recording site, and effects of 1 Hz repetitive TMS. Brain Stimulation. 4 (4), 202-209 (2011).
  19. Voller, B., et al. Short-latency afferent inhibition during selective finger movement. Experimental Brain Research. 169 (2), 226-231 (2006).
  20. Asmussen, M. J., et al. Modulation of short-latency afferent inhibition depends on digit and task-relevance. PLoS One. 9 (8), e104807 (2014).
  21. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention focus modulates afferent input to motor cortex during skilled action. Human Movement Science. 74, 102716 (2020).
  22. Bonassi, G., et al. Selective sensorimotor modulation operates during cognitive representation of movement. Neuroscience. 409, 16-25 (2019).
  23. Beck, S., Hallett, M. Surround inhibition in the motor system. Experimental Brain Research. 210 (2), 165-172 (2011).
  24. Seki, K., Fetz, E. E. Gating of sensory input at spinal and cortical levels during preparation and execution of voluntary movement. Journal of Neuroscience. 32 (3), 890-902 (2012).
  25. Young-Bernier, M., Davidson, P. S., Tremblay, F. Paired-pulse afferent modulation of TMS responses reveals a selective decrease in short latency afferent inhibition with age. Neurobiology of Aging. 33 (4), 1-11 (2012).
  26. Pelosin, E., et al. Attentional control of gait and falls: Is cholinergic dysfunction a common substrate in the elderly and Parkinson's disease. Frontiers in Aging Neuroscience. 8, 104 (2016).
  27. Dubbioso, R., Manganelli, F., Siebner, H. R., Di Lazzaro, V. Fast intracortical sensory-motor integration: A window into the pathophysiology of Parkinson's disease. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 111 (2019).
  28. Oh, E., et al. Olfactory dysfunction in early Parkinson's disease is associated with short latency afferent inhibition reflecting central cholinergic dysfunction. Clinical Neurophysiology. 128 (6), 1061-1068 (2017).
  29. Richardson, S. P., et al. Changes in short afferent inhibition during phasic movement in focal dystonia. Muscle & Nerve. 37 (3), 358-363 (2008).
  30. Ziemann, U., et al. TMS and drugs revisited 2014. Clinical Neurophysiology. 126 (10), 1847-1868 (2015).
  31. Di Lazzaro, V. Muscarinic receptor blockade has differential effects on the excitability of intracortical circuits in the human motor cortex. Experimental Brain Research. 135 (4), 455-461 (2000).
  32. Di Lazzaro, V., et al. Neurophysiological predictors of long term response to AChE inhibitors in AD patients. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 76 (8), 1064-1069 (2005).
  33. Fujiki, M., Hikawa, T., Abe, T., Ishii, K., Kobayashi, H. Reduced short latency afferent inhibition in diffuse axonal injury patients with memory impairment. Neuroscience Letters. 405 (3), 226-230 (2006).
  34. Koizume, Y., Hirano, M., Kubota, S., Tanaka, S., Funase, K. Relationship between the changes in M1 excitability after motor learning and arousal state as assessed by short-latency afferent inhibition. Behavioral Brain Research. 330, 56-62 (2017).
  35. Thabit, M. N., et al. Momentary reward induce changes in excitability of primary motor cortex. Clinical Neurophysiology. 122 (9), 1764-1770 (2011).
  36. Mirdamadi, J. L., Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Attention modulates specific motor cortical circuits recruited by transcranial magnetic stimulation. Neuroscience. 359, 151-158 (2017).
  37. Mirdamadi, J. L., Meehan, S. K. Specific sensorimotor interneuron circuits are sensitive to cerebellar-attention interactions. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 920526 (2022).
  38. Suzuki, L. Y., Meehan, S. K. Verbal working memory modulates afferent circuits in motor cortex. European Journal of Neuroscience. 48 (10), 3117-3125 (2018).
  39. Mineo, L., et al. Modulation of sensorimotor circuits during retrieval of negative autobiographical memories: Exploring the impact of personality dimensions. Neuropsychologia. 110, 190-196 (2018).
  40. Bonnì, S., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Koch, G. Real-time activation of central cholinergic circuits during recognition memory. European Journal of Neuroscience. 45 (11), 1485-1489 (2017).
  41. Nardone, R., et al. Abnormal short latency afferent inhibition in early Alzheimer's disease: A transcranial magnetic demonstration. Journal of Neural Transmission. 115 (11), 1557-1562 (2008).
  42. Nardone, R., Bratti, A., Tezzon, F. Motor cortex inhibitory circuits in dementia with Lewy bodies and in Alzheimer's disease. Journal of Neural Transmission. 113 (11), 1679-1684 (2006).
  43. Di Lazzaro, V., et al. In vivo cholinergic circuit evaluation in frontotemporal and Alzheimer dementias. Neurology. 66 (7), 1111-1113 (2006).
  44. Di Lazzaro, V., et al. Functional evaluation of cerebral cortex in dementia with Lewy bodies. NeuroImage. 37 (2), 422-429 (2007).
  45. Di Lazzaro, V., et al. In vivo functional evaluation of central cholinergic circuits in vascular dementia. Clinical Neurophysiology. 119 (11), 2494-2500 (2008).
  46. Marra, C., et al. Central cholinergic dysfunction measured "in vivo" correlates with different behavioral disorders in Alzheimer's disease and dementia with Lewy body. Brain Stimulation. 5 (4), 533-538 (2012).
  47. Mimura, Y., et al. Neurophysiological biomarkers using transcranial magnetic stimulation in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment: A systematic review and meta-analysis. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 121, 47-59 (2021).
  48. Yarnall, A. J., et al. Short latency afferent inhibition: a biomarker for mild cognitive impairment in Parkinson's disease. Movement Disorders. 28 (9), 1285-1288 (2013).
  49. Celebi, O., Temuçin, C. M., Elibol, B., Saka, E. Short latency afferent inhibition in Parkinson's disease patients with dementia. Movement Disorders. 27 (8), 1052-1055 (2012).
  50. Martin-Rodriguez, J. F., Mir, P. Short-afferent inhibition and cognitive impairment in Parkinson's disease: A quantitative review and challenges. Neuroscience Letters. 719, 133679 (2020).
  51. Nardone, R., et al. Short latency afferent inhibition differs among the subtypes of mild cognitive impairment. Journal of Neural Transmission. 119 (4), 463-471 (2012).
  52. Tsutsumi, R., et al. Reduced interhemispheric inhibition in mild cognitive impairment. Experimental Brain Research. 218 (1), 21-26 (2012).
  53. Di Lazzaro, V., et al. Segregating two inhibitory circuits in human motor cortex at the level of GABAA receptor subtypes: A TMS study. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2207-2214 (2007).
  54. Giorgetti, M., et al. Local GABAergic modulation of acetylcholine release from the cortex of freely moving rats. European Journal of Neuroscience. 12 (6), 1941-1948 (2000).
  55. Turco, C. V., Toepp, S. L., Foglia, S. D., Dans, P. W., Nelson, A. J. Association of short- and long-latency afferent inhibition with human behavior. Clinical Neurophysiology. 132 (7), 1462-1480 (2021).
  56. Hannah, R., Rothwell, J. C. Pulse duration as well as current direction determines the specificity of transcranial magnetic stimulation of motor cortex during contraction. Brain Stimulation. 10 (1), 106-115 (2017).
  57. Peterchev, A. V., D'Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023 (2014).
  58. Peterchev, A. V., Murphy, D. L., Lisanby, S. H. Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters (cTMS). Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2010, 2922-2926 (2010).
  59. Rothkegel, H., Sommer, M., Paulus, W., Lang, N. Impact of pulse duration in single pulse TMS. Clinical Neurophysiology. 121 (11), 1915-1921 (2010).
  60. MagPro Family User Guide. MagVenture A/S Available from: https://tsgdoc.socsci.ru.nl/images/a/ac/Magpro_family.pdf (2022)
  61. Bashir, S., Edwards, D., Pascual-Leone, A. Neuronavigation increases the physiologic and behavioral effects of low-frequency rTMS of primary motor cortex in healthy subjects. Brain Topography. 24 (1), 54-64 (2011).
  62. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  63. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112 (4), 720 (2001).
  64. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108 (1), 1-16 (1998).
  65. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  66. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Effects of short latency afferent inhibition on short interval intracortical inhibition. Journal of Neurophysiology. 111 (6), 1350-1361 (2013).
  67. Udupa, K., Ni, Z., Gunraj, C., Chen, R. Interactions between short latency afferent inhibition and long interval intracortical inhibition. Experimental Brain Research. 199 (2), 177-183 (2009).
  68. Turco, C. V., El-Sayes, J., Fassett, H. J., Chen, R., Nelson, A. J. Modulation of long-latency afferent inhibition by the amplitude of sensory afferent volley. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 610-618 (2017).
  69. Sakai, K., et al. Preferential activation of different I waves by transcranial magnetic stimulation with a figure-of-eight-shaped coil. Experimental Brain Research. 113 (1), 24-32 (1997).
  70. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  71. . ClinicalResearcher.org Available from: https://www.clinicalresearcher.org/software.htm (2022)
  72. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  73. Silbert, B. I., Patterson, H. I., Pevcic, D. D., Windnagel, K. A., Thickbroom, G. W. A comparison of relative-frequency and threshold-hunting methods to determine stimulus intensity in transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 124 (4), 708-712 (2013).
  74. Cash, R. F., Isayama, R., Gunraj, C. A., Ni, Z., Chen, R. The influence of sensory afferent input on local motor cortical excitatory circuitry in humans. Journal of Physiology. 593 (7), 1667-1684 (2015).
  75. Hayes, K. D., Khan, M. E. R., Barclay, N. E., Meehan, S. K. The persistent effects of sports-related concussion during adolescence on sensorimotor integration. Canadian Association for Neuroscience Meeting. , (2022).
  76. Turco, C. V., et al. Short- and long-latency afferent inhibition; Uses, mechanisms and influencing factors. Brain Stimulation. 11 (1), 59-74 (2018).
  77. Casula, E. P., Rocchi, L., Hannah, R., Rothwell, J. C. Effects of pulse width, waveform and current direction in the cortex: A combined cTMS-EEG study. Brain Stimulation. 11 (5), 1063-1070 (2018).
  78. D'Ostilio, K., et al. Effect of coil orientation on strength-duration time constant and I-wave activation with controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 675-683 (2016).
  79. Barclay, N. E., Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, S. K. Program No. 474.08.The contribution of oscillatory activity to the modulation of different sensorimotor circuits under varying working memory load. Society for Neuroscience Annual Meeting. , (2022).
  80. Dubbioso, R., Raffin, E., Karabanov, A., Thielscher, A., Siebner, H. R. Centre-surround organization of fast sensorimotor integration in human motor hand area. NeuroImage. 158, 37-47 (2017).
  81. Adams, F. C., et al. Tactile sensorimotor training does not alter short- and long-latency afferent inhibition. Neuroreport. 34 (3), 123-127 (2023).
  82. Paparella, G., Rocchi, L., Bologna, M., Berardelli, A., Rothwell, J. Differential effects of motor skill acquisition on the primary motor and sensory cortices in healthy humans. Journal of Physiology. 598 (18), 4031-4045 (2020).
  83. Deveci, S., et al. Effect of the brain-derived neurotrophic factor gene Val66Met polymorphism on sensory-motor integration during a complex motor learning exercise. Brain Research. 1732, 146652 (2020).
  84. Turco, C. V., Locke, M. B., El-Sayes, J., Tommerdahl, M., Nelson, A. J. Exploring behavioral correlates of afferent inhibition. Brain Sciences. 8 (4), 64 (2018).
  85. Mang, C. S., Bergquist, A. J., Roshko, S. M., Collins, D. F. Loss of short-latency afferent inhibition and emergence of afferent facilitation following neuromuscular electrical stimulation. Neuroscience Letters. 529 (1), 80-85 (2012).
  86. Mirdamadi, J. L., Block, H. J. Somatosensory changes associated with motor skill learning. Journal of Neurophysiology. 123 (3), 1052-1062 (2020).
  87. Bologna, M., et al. Bradykinesia in Alzheimer's disease and its neurophysiological substrates. Clinical Neurophysiology. 131 (4), 850-858 (2020).
  88. Schirinzi, T. Amyloid-mediated cholinergic dysfunction in motor impairment related to Alzheimer's disease. Journal of Alzheimer's Disease. 64 (2), 525-532 (2018).
  89. Cohen, L. G., Starr, A. Localization, timing and specificity of gating of somatosensory evoked potentials during active movement in man. Brain. 110 (2), 451-467 (1987).
  90. Brown, K. E., et al. The reliability of commonly used electrophysiology measures Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. Brain Stimulation. 10 (6), 1102-1111 (2017).
  91. Turco, C. V., Pesevski, A., McNicholas, P. D., Beaulieu, L. D., Nelson, A. J. Reliability of transcranial magnetic stimulation measures of afferent inhibition. Brain Research. 1723, 146394 (2019).
  92. Rehsi, R. S., et al. Investigating the intra-session reliability of short and long latency afferent inhibition. Clinical Neurophysiology Practice. 8, 16-23 (2023).
  93. Toepp, S. L., Turco, C. V., Rehsi, R. S., Nelson, A. J. The distribution and reliability of TMS-evoked short- and long-latency afferent interactions. PLoS One. 16 (12), e0260663 (2021).
  94. Alle, H., Heidegger, T., Krivanekova, L., Ziemann, U. Interactions between short-interval intracortical inhibition and short-latency afferent inhibition in human motor cortex. Journal of Physiology-London. 587 (21), 5163-5176 (2009).
  95. Noda, Y., et al. A combined TMS-EEG study of short-latency afferent inhibition in the motor and dorsolateral prefrontal cortex. Journal of Neurophysiology. 116 (3), 938-948 (2016).
  96. Noda, Y. Reduced prefrontal short-latency afferent inhibition in older adults and its relation to executive function: A TMS-EEG study. Frontiers in Aging Neuroscience. 9, 119 (2017).
  97. Noda, Y., et al. Reduced short-latency afferent inhibition in prefrontal but not motor cortex and its association with executive function in schizophrenia: A combined TMS-EEG study. Schizophrenia Bulletin. 44 (1), 193-202 (2018).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

194

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved