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要約

リーチは、人間が環境と相互作用することを可能にする基本的なスキルです。いくつかの研究は、さまざまな方法論を使用して到達行動を特徴付けることを目的としています。この論文は、タスクパフォーマンスに到達する間の人間の皮質脊髄興奮性の状態を評価するための経頭蓋磁気刺激のオープンソースアプリケーションを提供します。

要約

リーチは、運動生理学および神経科学の研究で広く研究されている行動です。リーチはさまざまな行動操作を使用して検討されてきましたが、リーチの計画、実行、および制御に関与する神経プロセスの理解には大きなギャップが残っています。ここで説明する新しいアプローチは、2次元の到達タスクと経頭蓋磁気刺激(TMS)および複数の筋肉からの同時筋電図(EMG)記録を組み合わせたものです。この方法は、到達運動の展開中の正確な時点での皮質脊髄活動の非侵襲的検出を可能にする。タスクコード例には、正中線から45°±表示された2つの可能なターゲットを含む遅延応答到達タスクが含まれています。シングルパルスTMSは、準備キューの開始時(ベースライン)または命令的キュー(遅延)の100ミリ秒前のいずれかで、ほとんどのタスク試行で配信されます。このサンプルデザインは、リーチ準備中の皮質脊髄興奮性の変化を調査するのに適しています。サンプルコードには、リーチ準備中の皮質脊髄興奮性に対する適応の影響を調査するための視覚運動摂動(つまり、カーソル±20°回転)も含まれています。タスクパラメータとTMS配信は、到達行動中の運動システムの状態に関する特定の仮説に対処するように調整できます。最初の実施では、TMS試験の83%で運動誘発電位(MEP)が正常に誘発され、すべての試験でリーチ軌道が記録されました。

概要

目標指向の到達は、人間が外部環境と相互作用し、操作することを可能にする基本的な運動行動です。運動生理学、心理学、神経科学の分野での到達の研究は、さまざまな方法論を含む豊富で広範な文献を生み出しました。到達に関する初期の研究では、ヒト以外の霊長類の直接神経記録を使用して、単一ニューロンレベルでの神経活動を調査しました1,2。より最近の研究では、感覚運動適応を採用して運動学習と制御の性質を探求する行動パラダイムを使用して到達することを調査しています3,4,5。機能的磁気共鳴画像法および脳波検査と組み合わされたこのような行動課題は、ヒトにおける到達中の全脳活動を測定することができる6,7。他の研究では、リーチの準備と実行のさまざまな機能を調査するためにオンラインTMSを適用しています8、9、10、11、12、13、14。ただし、リーチの行動評価とTMSを組み合わせたオープンソースで柔軟なアプローチの必要性が残っています。TMSと行動プロトコルを組み合わせることの有用性は非常によく確立されていますが15、ここでは、オープンソースアプローチを使用して到達するという文脈でのTMSの適用を具体的に検討します。これは、この方法の組み合わせを使用して公開した他のグループがツールをすぐに利用できるようにせず、直接複製を禁止しているという点で斬新です。このオープンソースアプローチにより、複製、データ共有、およびマルチサイト調査の可能性が容易になります。さらに、他の人が同様のツールを使用して新しい研究の質問を追求したい場合は、オープンソースコードはすぐに適応できるため、イノベーションの出発点として機能することができます。

TMSは、正確に制御された時点16で運動システムをプローブする非侵襲的な手段を提供します。一次運動皮質(M1)に適用すると、TMSは標的筋肉の筋電図で測定可能なたわみを誘発することができる。運動誘発電位(MEP)として知られるこの電圧波の振幅は、皮質脊髄(CS)経路の瞬間的な興奮性状態の指標を提供し、CS経路に対するすべての興奮性および抑制性の影響の結果として生じる類似体17である。TMSは、固有のCS興奮性の被験者内測定を確実に提供することに加えて、他の行動学的または運動学的メトリックと組み合わせて、CS活性と行動との関係を時間的に正確な方法で調査することができる。多くの研究は、特にこの方法の組み合わせが膨大な数の行動条件下でMEPを調査することを可能にするため、運動系に関するさまざまな質問に対処するためにTMSと筋電図(EMG)の組み合わせを利用してきました15。これが特に有用であることが証明されている分野の1つは、行動準備の研究であり、ほとんどの場合、単一関節運動の研究を通じてです18。しかし、リーチングなどの自然主義的な多関節運動に関するTMSの研究は比較的少ない。

現在の目標は、行動運動学、オンラインシングルパルスTMS投与、および複数の筋肉からの同時EMG記録を含む遅延応答到達タスクを設計することでした。このタスクには、視覚フィードバックが到達軌道と一致するように、水平方向のモニターを使用したオンライン視覚フィードバックを備えた2次元のポイントツーポイント到達パラダイムが含まれます(つまり、検証フィードバック中の1:1の関係であり、視覚フィードバックとモーションの間の変換はありません)。現在の設計には、視覚運動摂動を伴う一連の試行も含まれています。提供されている例では、これはカーソルフィードバックの20°回転シフトです。以前の研究では、感覚運動適応に関連するメカニズムと計算に関する質問に対処するために、同様の到達パラダイムを使用してきました19、20、21、22、23、24、25。さらに、このアプローチにより、オンライン運動学習中の正確な時点での運動システムの興奮性ダイナミクスを評価することができます。

リーチは学習/適応を調査するための実りある行動であることが証明されているため、この行動の文脈でCS興奮性を評価することは、これらの行動に関与する神経基質に光を当てる大きな可能性を秘めています。これらには、非ヒト霊長類研究で確立されているように、局所的な抑制的影響、同調特性の変化、神経事象のタイミングなどが含まれる場合があります。ただし、これらの特徴は、ヒトおよび臨床集団で定量化することがより困難でした。神経ダイナミクスは、TMSとEMGを組み合わせたアプローチを使用して、ヒトに明白な動きがない場合(すなわち、運動の準備中または安静時)に調査することもできます。

提示されたツールはオープンソースであり、コードは簡単に適応できます。この新しいパラダイムは、到達運動の準備、実行、終了、および適応に関与するメカニズムに関する重要な洞察を生み出します。さらに、この方法の組み合わせは、電気生理学とヒトの到達行動との関係を明らかにする可能性を秘めています。

プロトコル

ここで詳述されているすべての方法は、IRBプロトコルおよび承認(オレゴン大学IRBプロトコル番号10182017.017)に準拠して実行されました。インフォームドコンセントはすべての被験者から得られた。

1. 到達装置

  1. 大きなグラフィックタブレットをデスクトップに平らに置きます。
  2. 調整可能な80-20アルミニウムフレームを使用して、画面を上に向けて、タスクモニター6-8をタブレットの上に平行に配置します(青写真については、ここを確認してください:https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS および補足図1)。
    注意: この設定により、参加者はタブレット全体に手を伸ばし、到達する腕の視界を遮りながら、タスクモニターに表示されるターゲットを取得できます。
  3. Kim et al.3 で説明されているセットアップを参考にしてください。

2. 機械インターフェース

  1. USBポート を介して タブレットをコンピューターに接続します。HDMIポート を介して タスクモニターをコンピューターに接続します。DB-9 ケーブル を介して 背面 TMS ポートをコンピュータに接続します。
  2. PCI-6220カードDAQ を介して EMGシステムをコンピュータに接続します。フォトダイオードをBNCケーブル を介して EMGシステムに接続します。

3. フォトダイオードセンサ

  1. BNCケーブルにフォトダイオードセンサーを接続します。フォトダイオードセンサーをテープでタスクモニターの右上隅に固定し、センサーを画面に向けて1cm離≤ようにします。
    注意: これにより、タスクモニターに表示される刺激のタイミングが、独立した入力チャネルのアナログデータとして記録されます。

4. ソフトウェア

  1. MATLAB2018 用のVETAツールボックス26(https://github.com/greenhouselab/Veta)をダウンロードして、データ収集用のハードウェアとインターフェースします。
  2. 実験パラメータの制御とタブレットとのインターフェースのために開発された到達タスクコード(https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS)をダウンロードしてください。

5.参加者のスクリーニングとインフォームドコンセント

  1. TMSに対する禁忌について被験者をスクリーニングする。除外基準には、発作、頭痛、脳外傷、失神、慢性ストレスまたは不安、睡眠の問題、および神経活性薬の個人的または家族歴が含まれます。追加の除外基準には、脳または頭蓋骨の金属インプラント、およびテスト前の24時間でのレクリエーショナルドラッグまたはアルコールの使用が含まれます。選択基準には、右利きと18歳から35歳までの年齢が含まれていました。
  2. 手順と関連するリスクについて書面で説明し、参加者が持つ可能性のあるその他の質問を明確にします。
  3. 参加者からインフォームドコンセントを取得します。

6.件名の設定

  1. タブレットに面した快適な椅子に被験者を配置します。脚を机の下に置いた状態で、膝が90°に曲がっていることを確認します。
  2. 皮膚を準備し、EMG電極を配置します。
    1. きめの細かいサンドペーパーを使用して、右第一背側骨間筋(FDI)、橈骨伸筋、前三角筋の部位、および首の付け根のC4隆起の皮膚をやさしく摩耗させ、TMSパルスによって生成される電気的アーチファクトを検出します。
      注意: 筋肉の記録サイトは、ユーザーのニーズに基づいて適応させることができます。
    2. 研磨された各領域を、電極部位ごとに1回アルコール準備パッドで拭き取り、洗浄します。
    3. 各サイトに1つのEMG電極を配置します。電極が筋線維に対して垂直に走っていることを確認してください。接地電極を右肘の骨の隆起に配置します。
    4. 各電極を医療用テープで固定します。
  3. EMG記録の品質を確認してください。VETAツールボックスを使用して、すべてのEMGトレースを視覚化し、アーティファクトがないことを確認します。EMGトレースにノイズが多い場合は、地面が適切に配置され、すべての電極が皮膚に適切に接触していることを確認してください。

7.経頭蓋磁気刺激

  1. TMS マシンの電源を入れます。
  2. 左M1の刺激 を介して 右FDI筋肉のTMSホットスポットを見つけます。
    1. コイルを頭の頂点に対して~5 cm横、2 cm前方に配置し、正中線から~45°離します。
    2. TMSパルスを4秒ごとに投与し、コイルを前後および内側外側の平面で約5mm刻みで再配置します。
    3. 最大刺激装置出力30%から始めて、MEPが観察されるまでTMS強度を2%刻みで徐々に増加させます。
    4. 可能な限り低い刺激器強度で大部分のパルス(~75%)でMEPを確実に誘発できる最適な位置が特定されたら、10パルスのうち5パルスでピークtoピーク振幅>50μVのMEPを生成する強度レベルを見つけることにより、安静時運動閾値(RMT)を決定します。
    5. コイルの周囲に沿って参加者の頭に反射テープの薄いストリップをそっと置き、位置をマークします。コイルを手動で保持するか、スタンドを使用してコイルを支えて、コイルの位置を維持します。

8. タスク設定の到達

  1. 参加者の右手にベルクログローブをはめて、リラックスしたパワーグリップの姿勢を促進します。
  2. スタイラスを手袋に取り付け、手を伸ばす動きの間に手をリラックスさせておくように被験者にアドバイスします。
  3. 次のようなタスクの指示を伝えます。 カーソルを画面下部のホーム位置に誘導します。2 つのターゲット位置のいずれかにキューが表示されます。ターゲットが色で塗りつぶされたら、できるだけ速く正確にターゲットに到達します。その後、ホームポジションに戻ります。ホームポジション、キュー、およびターゲットの位置を示します(図1A)。
  4. スタイラスでターゲットをできるだけ迅速かつ正確にスライスするように参加者を指導します。タスクルームの照明を消して、参加者の腕の動きの視界を覆い隠し、タスクモニターの視認性を向上させます。

9.タスク設計

  1. Matlab 2018のPsychtoolbox 3.0で視覚刺激の提示を制御します(補足コーディングファイル1)。
  2. 次のパラメーターを使用して、現在のデータを照合します: 20 模擬試験;270回の試験試験。テストトライアルの4/5のTMS。TMSは、準備キューの開始(ベースラインTMS)と一致するか、命令キューの100ミリ秒前(TMSを遅らせる)を同じ頻度で一致させます。全試行の1/10はキャッチトライアルであり、命令的な手がかりは現れません。ホームポジションは、ワークスペースの下部中央に配置された半径2cmの円です。半径1cmの2つの円形ターゲットは、ホームポジションから15cm、正中線から+45°、-45°離れた場所に配置されます。
  3. イベントの順序と期間を次のように設定します: 準備キューを 900 ミリ秒、命令キューを 900 ミリ秒に設定します。

10. TMSの管理

  1. VETAツールボックスは、TMSを同時に管理し、EMG https://github.com/greenhouselab/Veta を記録します。
  2. VETAツールボックスを使用してTMSパルスのタイミングを制御し、選択した行動イベント(つまり、準備キューの開始またはターゲット発症の100ミリ秒前)と一致します。
  3. 分析に十分な数の MEP を確保するために、十分な頻度で TMS を提供します。
    注:書かれているように、タスクコードは、ベースラインMEPを引き出すための準備キューの開始時、または遅延MEPを引き出すための命令的キューの100ミリ秒前のいずれかで、合計試行の4/5でTMSパルスを配信します。パラメータは、ユーザーのニーズに応じてコード内で調整できます。TMSのない試験は、TMSがない場合の行動パフォーマンスを評価するために使用できます。これは、TMS がパフォーマンスに与える影響を判断するのに役立ちます。

結果

記載された方法の正常な実行には、錠剤データの記録、EMGトレース、およびMEPの信頼性の高い誘発が含まれる。試験の4/5(216試験)でTMSが実施された270の試験を含む実験が完了した。

データは、25歳から10歳までの16人の参加者(女性8人、男性8人)から収集±、全員が右利きであると自己申告しました。視覚的摂動が行動パフォーマンスに及ぼす有効性を,代表参加者1名の学習?...

ディスカッション

上記で概説した方法は、到達行動の文脈で運動準備を研究するための新しいアプローチを提供します。リーチは、運動制御と学習の研究において一般的なモデルタスクを表していますが、リーチ行動に関連するCSダイナミクスを正確に評価する必要があります。TMSは、到達中の離散的な時点でCS活性をキャプチャする非侵襲的で時間的に正確な方法を提供します。ここで説明する?...

開示事項

すべての著者は、利益相反がないことを宣言します

謝辞

この研究は、ナイトキャンパス学部奨学生プログラムとフィルアンドペニーナイト財団の寛大な資金提供によって部分的に可能になりました。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
2-Port Native PCI Express StarTech.comRS232 Card with 16950 UART Must be compatible with desktop computer
Adjustable 80-20 aluminum frameany
Alcohol prep padsanyEMG preparation
Bagnoli Bipolar ElectrodesDelsysDE 2.1
Bagnoli Reference ElectrodeDelsysUSX20002” (5cm) Round
Bagnoli-8 EMG SystemDelsys
Chairany
Computer monitor for EMG/TMSn/a
Deskany
Desktop ComputerDellxps 8930RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB 
EMG electrodesDelsysSensor Adhesive Interface
Fine grain sandpaperanyEMG preparation
Graphics tabletWacomIntuos-4 XL
Handle of paint rolleranyto be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside 
Medical tapeanyTo secure EMG electrodes
PCI-6220 card DAQNational InstrumentsTo interface EMG system
Photodiode SensorVishayBPW21RTo record timing of task events into EMG trace.
Rear TMS portMagstimIncluded with TMS machine
Right-handed polyethylene gloveanyCut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle
Sensory Adhesive Interface, 2-slotDelsysSC-F01
StylusWacomIntuos-4 grip pen
Tablet-to-Computer USB cable anyIncluded in Tablet purchase
Task MonitorAsusVG248
TMS coilMagstimD70 Remote Coil7cm diameter, figure-of-eight coil
TMS machineMagstim200-2
TMS-to-Computer DB9 cableanyConnects to PCIe Serial Card
VelcroanyTo be placed on glove and stylus handle

参考文献

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