末梢神経刺激と制御可能なパルスパラメータの組み合わせ 感覚運動の制御と学習をプローブするための経頭蓋磁気刺激

要約

短潜時求心性抑制(SAI)は、感覚運動の統合をプローブするための経頭蓋磁気刺激プロトコルです。この記事では、SAIを使用して、感覚運動行動中の運動野の収束感覚運動ループを研究する方法について説明します。

要約

熟練した運動能力は、感覚求心性を適切な運動コマンドに効率的に統合することに依存します。求心性抑制は、熟練した運動行動中の感覚運動統合に対する手続き的および宣言的影響を調査するための貴重なツールを提供します。この原稿では、感覚運動統合を理解するための短潜時求心性抑制(SAI)の方法論と貢献について説明しています。SAIは、経頭蓋磁気刺激(TMS)によって誘発される皮質脊髄運動出力に対する収束求心性ボレーの効果を定量化します。求心性ボレーは、末梢神経の電気刺激によって引き起こされます。TMS刺激は、その求心性神経が機能する筋肉で信頼性の高い運動誘発反応を引き出す一次運動野上の場所に送達されます。運動誘発反応の阻害の程度は、運動皮質に収束する求心性ボレーの大きさを反映しており、中枢GABA作動性およびコリン作動性の寄与を含む。SAIへのコリン作動性の関与により、SAIは感覚運動能力および学習における宣言的-手続き的相互作用の可能性のあるマーカーとなる。最近では、SAIのTMS電流方向を操作して、熟練した運動行動のための一次運動野の異なる感覚運動回路の機能的重要性を区別するための研究が開始されています。最先端の制御可能なパルスパラメータTMS(cTMS)を使用して追加のパルスパラメータ(パルス幅など)を制御する機能は、TMS刺激によってプローブされる感覚運動回路の選択性を高め、感覚運動制御と学習のより洗練されたモデルを作成する機会を提供しました。そこで本稿では,cTMSを用いたSAI評価に焦点を当てる.ただし、ここで概説した原則は、従来の固定パルス幅TMS刺激装置および長期潜時求心性阻害(LAI)などの他の形態の求心性阻害を使用して評価されたSAIにも適用されます。

概要

複数の感覚運動ループが運動皮質に収束し、脊髄運動ニューロンおよび介在ニューロンへの錐体路突起を形作る¹。しかし、これらの感覚運動ループがどのように相互作用して皮質脊髄投射と運動行動を形成するかは未解決の問題のままです。短潜時求心性抑制(SAI)は、運動皮質出力における収束感覚運動ループの機能特性を調べるためのツールを提供します。SAIは、運動皮質経頭蓋磁気刺激(TMS)と対応する末梢求心性神経の電気刺激を組み合わせたものです。

TMSは、ヒトの脳内で錐体運動ニューロンをシナプス的に安全に刺激する非侵襲的な方法です^2,3。TMSでは、頭皮に配置されたコイル状のワイヤーに大きな過渡電流を流します。電流の過渡的な性質は、急速に変化する磁場を作り出し、脳⁴に電流を誘導する。単一のTMS刺激の場合、誘導電流は、錐体運動ニューロン^5〜7への一連の興奮性入力を活性化する。生成された興奮性入力の強度が十分である場合、下降活動は運動誘発電位(MEP)として知られる対側の筋肉反応を誘発します。MEPの潜時は、皮質運動伝導時間⁸

プロトコル

以下のプロトコールは、種々の実験に適用することができる。提供された情報は、SAIを使用して、有効または無効の合図プローブに対する指の反応中の感覚運動統合を定量化する実験の詳細を示しています。このプロトコルでは、SAIはタスクなしで評価され、次に合図された感覚運動タスク中に同時に評価され、次にタスクなしで再度評価されます。cTMS刺激装置は、市販の任意の従来のTMS刺激装置で置き換えることができる。しかしながら、従来のTMS刺激装置のパルス幅は、特定のハードウェア^59、60に応じて70〜82μsの間で固定されるであろう。この研究は、ウォータールー大学の研究倫理局によって承認されました。すべての参加者は書面によるインフォームドコンセントを提供した。

1. ハードウェア/ソフトウェア要件

注: 図1 は、末梢の電気刺激装置とTMS刺激装置をコンピューター制御の感覚運動タスクと統合するためのハードウェア要件の概略図を示しています。 図2A は、PA誘導電流とAP誘導電流に対するSAIのセットアップを示しています。図 2B

ディスカッション

ここで説明するSAI法は、感覚運動のパフォーマンスと学習に役割を果たす神経経路のサブセットを調査します。参加者が制御された感覚運動タスクを実行している間にSAIを評価することは、健康な集団と臨床集団の運動出力を形成するために運動皮質脊髄ニューロンに収束する多数の感覚運動ループの複雑な寄与を解きほぐすために重要です。例えば、同様の方法論は、手続き型運動制御プ?.......

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acquisition software (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	PL3504/P	LabChart Pro version 8
Alcohol prep pads	Medline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada	211-MM-05507	Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	FE234	Quad Bio Amp
Cotton round	Cliganic, San Francisco, CA, USA	‎CL-BE-019-6PK	Premium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coils	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	COIL70F80301	70 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coils	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	COIL70F80301-IC	70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulator	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	CTMSMU0101	Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	PL3504	PowerLab 4/35
Digital to analog board	National Instruments, Austin, TX, USA	782251-01	NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG)	Covidien, Dublin, Ireland	31112496	Kendal 130 Foam Electrodes
Electrogel	Electrodestore.com	E9	Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
Nuprep	Weaver and Company, Aurora, CO, USA	10-30	Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes)
Peripheral electrical stimulator	Digitimer, Hertfordshire, UK	DS7R	DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrode	Electrodestore.com	DDA-30	Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering)	National Instruments, Austin, TX, USA	784503-35	Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance system	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	KITBSF0404	BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape	3M, Saint Paul, MN, USA	50707387794571	Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)