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。

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
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>2. 機械インターフェース
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>3. フォトダイオードセンサ
<ol><li>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。</li>
</ol>4. ソフトウェア
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>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
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>参加者からインフォームドコンセントを取得します。</li>
</ol>6.件名の設定
<ol><li>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。</li>
	<li>皮膚を準備し、EMG電極を配置します。<ol><li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>各電極を医療用テープで固定します。</li>
	</ol></li>
	<li>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。</li>
</ol>7.経頭蓋磁気刺激
<ol><li>TMS マシンの電源を入れます。</li>
	<li>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。<ol><li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol></li>
</ol>8. タスク設定の到達
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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)。</li>
	<li>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。</li>
</ol>9.タスク設計
<ol><li>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)。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>10. TMSの管理
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</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. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Invariant+errors+reveal+limitations+in+motor+correction+rather+than+constraints+on+error+sensitivity.">Invariant errors reveal limitations in motor correction rather than constraints on error sensitivity.</a> Communications Biology. 1, 19 (2018).</li><li>Huberdeau, D. M., Krakauer, J. W., Haith, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-process+decomposition+in+human+sensorimotor+adaptation.">Dual-process decomposition in human sensorimotor adaptation.</a> Current Opinion in Neurobiology. 33, 71-77 (2015).</li><li>Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. 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S., Lajoie, K., Heed, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=No+effect+of+triple-pulse+TMS+medial+to+intraparietal+sulcus+on+online+correction+for+target+perturbations+during+goal-directed+hand+and+foot+reaches.">No effect of triple-pulse TMS medial to intraparietal sulcus on online correction for target perturbations during goal-directed hand and foot reaches.</a> PloS One. 14 (10), 0223986 (2019).</li><li>Savoie, F. -. A., Dallaire-Jean, L., Thenault, F., Whittingstall, K., Bernier, P. -. 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Committee.</a> Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1110 (2015).</li><li>Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Boyd, S., Marsden, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulation+of+the+human+motor+cortex+through+the+scalp.">Stimulation of the human motor cortex through the scalp.</a> Experimental Physiology. 76 (2), 159-200 (1991).</li><li>Bestmann, S., Duque, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation:+decomposing+the+processes+underlying+action+preparation.">Transcranial magnetic stimulation: decomposing the processes underlying action preparation.</a> The Neuroscientist. 22 (4), 392-405 (2016).</li><li>Kim, H. E., Avraham, G., 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. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minimum+number+of+trials+required+for+within-+and+between-session+reliability+of+TMS+measures+of+corticospinal+excitability.">Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability.</a> Neuroscience. 320, 205-209 (2016).</li><li>Koch, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+interplay+between+posterior+parietal+and+ipsilateral+motor+cortex+revealed+by+twin-coil+transcranial+magnetic+stimulation+during+reach+planning+toward+contralateral+space.">Functional interplay between posterior parietal and ipsilateral motor cortex revealed by twin-coil transcranial magnetic stimulation during reach planning toward contralateral space.</a> The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).</li><li>Goldenkoff, E. 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>

すべての著者は、利益相反がないことを宣言します

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?...

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。

<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

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。

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?...

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Assessing Corticospinal Excitability During Goal-Directed Reaching Behavior

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。

目標指向到達行動中の皮質脊髄興奮性の評価

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 ビュー.  University of Oregon. 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。

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Assessing Forelimb Function after Unilateral Cervical SCI using Novel Tasks: Limb Step-alternation, Postural Instability and Pasta Handling

Cervical spinal cord injury (cSCI) can cause devastating neurological deficits, including impairment or loss of upper limb and hand function. A majority of the spinal cord injuries in humans occur at the cervical levels. Therefore, developing cervical injury models and developing relevant and sensitive behavioral tests is of great importance. Here we describe the use of a newly developed forelimb step-alternation test after cervical spinal cord injury in rats. In addition, we describe two behavioral tests that have not been used after spinal cord injury: a postural instability test (PIT), and a pasta-handling test. All three behavioral tests are highly sensitive to injury and are easy to use. Therefore, we feel that these behavioral tests can be instrumental in investigating therapeutic strategies after cSCI.

Three new behavioral tests (forelimb step-alternation, postural instability test, pasta handling test) for evaluating forelimb function after cervical spinal cord injury in rodents are described.

新規タスクを使用した片側子宮頸SCI後前肢の機能を評価する：四肢ステップ交替、姿勢の不安定やパスタの取り扱い

Cervical spinal cord injury (cSCI) can cause devastating neurological deficits, including impairment or loss of upper limb and hand function. A majority ...

行動学

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.

行動観察中のコルチコ脊髄興奮性変調

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

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.

運動行動上のトップダウン視覚プロセスの影響を探索する方法

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

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.

ロボットマニピュランダムに運動スキルの学習過程を調査

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

The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity largely use video analysis of reaching or food manipulation. While these tasks are easy to implement and are robust across disease models, they are subjective and laborious for the experimenter. Automating traditional tasks or creating new automated tasks can make the tasks more efficient, objective, and quantitative. Since rats are less dexterous than primates, central nervous system (CNS) injury produces more subtle deficits in dexterity, however, supination is highly affected in rodents and crucial to hand function in primates. Therefore, we designed a semi-automated task that measures forelimb supination in rats. Rats are trained to reach and grasp a knob-shaped manipulandum and turn the manipulandum in supination to receive a reward. Rats can acquire the skill within 20 &plusmn; 5 days. While the early part of training is highly supervised, much of the training is done without direct supervision. The task reliably and reproducibly captures subtle deficits after injury and shows functional recovery that accurately reflects clinical recovery curves. Analysis of data is performed by specialized software through a graphical user interface that is designed to be intuitive. We also give solutions to common problems encountered during training, and show that minor corrections to behavior early in training produce reliable acquisition of supination. Thus, the knob supination task provides efficient and quantitative evaluation of a critical movement for dexterity in rats.

This manuscript describes a semi-automated task that quantifies supination in rats. Rats reach, grasp, and supinate a spherical manipulandum. The rat is rewarded with a pellet if the turn angle exceeds a criterion set by the user. This task increases throughput, sensitivity to injury, and objectivity compared to traditional tasks.

ノブ外タスク: ラットの前肢関数を評価するための半自動メソッド

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity ...

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.

反応バランスにおける反応抑制と行動選択を強調する変更されたリーンおよびリリース技術

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

Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation

Distal leg muscles receive neural input from motor cortical areas via the corticospinal tract, which is one of the main motor descending pathway in humans and can be assessed using transcranial magnetic stimulation (TMS). Given the role of distal leg muscles in upright postural and dynamic tasks, such as walking, a growing research interest in the assessment and modulation of the corticospinal tracts relative to the function of these muscles has emerged in the last decade. However, methodological parameters used in previous work have varied across studies making the interpretation of results from cross-sectional and longitudinal studies less robust. Therefore, use of a standardized TMS protocol specific to the assessment of leg muscles&#39; corticomotor response (CMR) will allow for direct comparison of results across studies and cohorts. The objective of this paper is to present a protocol that provides the flexibility to simultaneously assess the bilateral CMR of two main ankle antagonistic muscles, the tibialis anterior and soleus, using single pulse TMS with a neuronavigation system. The present protocol is applicable while the examined muscle is either fully relaxed or isometrically contracted at a defined percentage of maximum isometric voluntary contraction. Using each subject&#39;s structural MRI with the neuronavigation system ensures accurate and precise positioning of the coil over the leg cortical representations during assessment. Given the inconsistency in CMR derived measures, this protocol also describes a standardized calculation of these measures using automated algorithms. Though this protocol is not conducted during upright postural or dynamic tasks, it&#160;can be used to assess bilaterally any pair of leg muscles, either antagonistic or synergistic, in both neurologically intact and impaired subjects.

The present protocol describes the simultaneous, bilateral assessment of the corticomotor response of the tibialis anterior and soleus during rest and tonic voluntary activation using a single pulse transcranial magnetic stimulation and neuronavigation system.

経頭蓋磁気刺激の移動による足首の筋の皮質脊髄路の経路の二国間の評価

Distal leg muscles receive neural input from motor cortical areas via the corticospinal tract, which is one of the main motor descending pathway in humans ...

神経科学

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.

人間の上肢筋肉に対する高速ビスオモター応答を呼び起こす新たな標的パラダイム

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.

インビボ 熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御

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

Assessing Dexterity with Reaching Tasks

Reaching tasks are employed in behavioral neuroscience to investigate motor learning and forelimb dexterity. Much like human hands, rodents have dexterous forepaws, which are necessary for executing coordinated and precise motor movements. Experimenters may utilize food rewards to train rodents to reach and for testing their reaching abilities. These tasks help behavioral neuroscientist in understanding how CNS injuries, such as a stroke, may impair reaching ability and dexterity in humans.
This video begins by discussing the principles and neurobiology of forelimb use in rodents, and then explains a protocol on how to conduct reaching experiments using different types of food rewards. Applications section reviews studies that involve reaching and food handling in animal models of CNS injury.

Reaching Tasks: Accessing Motor Learning and Dexterity

タスクに達すると器用さを評価します。

Reaching tasks are employed in behavioral neuroscience to investigate motor learning and forelimb dexterity. Much like human hands, rodents have dexterous ...

目標指向到達行動中の皮質脊髄興奮性の評価

要約

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新規タスクを使用した片側子宮頸SCI後前肢の機能を評価する：四肢ステップ交替、姿勢の不安定やパスタの取り扱い

行動観察中のコルチコ脊髄興奮性変調

運動行動上のトップダウン視覚プロセスの影響を探索する方法

ロボットマニピュランダムに運動スキルの学習過程を調査

ノブ外タスク: ラットの前肢関数を評価するための半自動メソッド

反応バランスにおける反応抑制と行動選択を強調する変更されたリーンおよびリリース技術

経頭蓋磁気刺激の移動による足首の筋の皮質脊髄路の経路の二国間の評価

人間の上肢筋肉に対する高速ビスオモター応答を呼び起こす新たな標的パラダイム

インビボ熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御

タスクに達すると器用さを評価します。

目標指向到達行動中の皮質脊髄興奮性の評価

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人間の上肢筋肉に対する高速ビスオモター応答を呼び起こす新たな標的パラダイム

インビボ 熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御

タスクに達すると器用さを評価します。

インビボ熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御