Avaliando a excitabilidade corticoespinhal durante o comportamento de alcance direcionado a objetivos

Resumo

Alcançar é uma habilidade fundamental que permite que os seres humanos interajam com o ambiente. Diversos estudos têm como objetivo caracterizar o comportamento de alcance utilizando uma variedade de metodologias. Este artigo oferece uma aplicação de código aberto de estimulação magnética transcraniana para avaliar o estado de excitabilidade corticoespinhal em humanos durante o desempenho da tarefa.

Resumo

Alcançar é um comportamento amplamente estudado em fisiologia motora e pesquisa em neurociências. Embora o alcance tenha sido examinado usando uma variedade de manipulações comportamentais, ainda existem lacunas significativas na compreensão dos processos neurais envolvidos no planejamento, execução e controle do alcance. A nova abordagem descrita aqui combina uma tarefa de alcance bidimensional com estimulação magnética transcraniana (EMT) e eletromiografia simultânea (EMG) gravação de múltiplos músculos. Este método permite a detecção não invasiva da atividade corticoespinhal em pontos de tempo precisos durante o desdobramento dos movimentos de alcance. O código de tarefa de exemplo inclui uma tarefa de resposta atrasada com dois possíveis destinos exibidos ± 45° fora da linha média. A EMT de pulso único é entregue na maioria dos ensaios de tarefa, seja no início da sugestão preparatória (linha de base) ou 100 ms antes da sugestão imperativa (atraso). Este desenho amostral é adequado para investigar alterações na excitabilidade corticoespinhal durante a preparação do alcance. O código de amostra também inclui uma perturbação visuomotora (ou seja, rotação do cursor de ± 20°) para investigar os efeitos da adaptação na excitabilidade corticoespinhal durante a preparação do alcance. Os parâmetros da tarefa e a entrega da EMT podem ser ajustados para abordar hipóteses específicas sobre o estado do sistema motor durante o comportamento de alcance. Na implementação inicial, os potenciais evocados motores (PEmáx) foram obtidos com sucesso em 83% dos ensaios de EMT, e as trajetórias de alcance foram registradas em todos os ensaios.

Introdução

O alcance direcionado a metas é um comportamento motor fundamental que permite que os seres humanos interajam e manipulem o ambiente externo. O estudo do alcance nos campos da fisiologia motora, psicologia e neurociência produziu uma literatura rica e extensa que inclui uma variedade de metodologias. Os primeiros estudos de alcance utilizaram registros neurais diretos em primatas não humanos para investigar a atividade neural no nível de neurônios individuais ^1,2. Estudos mais recentes têm investigado o alcance utilizando paradigmas comportamentais que empregam a adaptação sensório-motora para explorar a natureza da aprendizagem motora e do controle ^3,4,5. Tais tarefas comportamentais combinadas com ressonância magnética funcional e eletroencefalografia podem medir toda a atividade cerebral durante o alcance em humanos ^6,7. Outros estudos aplicaram a EMT on-line para investigar várias características da preparação e execução do alcance 8,9,10,11,12,13,14. No entanto, continua a haver uma necessidade de uma abordagem flexível e de código aberto que combine a avaliação comportamental do alcance com o TMS. Embora a utilidade de combinar TMS com protocolos comportamentais esteja muito bem estabelecida¹⁵, aqui, examinamos especificamente a aplicação da TMS dentro do contexto de alcançar usando uma abordagem de código aberto. Isso é novo na medida em que outros grupos que publicaram usando essa combinação de métodos não disponibilizaram suas ferramentas prontamente, proibindo a replicação direta. Essa abordagem de código aberto facilita a replicação, o compartilhamento de dados e a possibilidade de estudos em vários locais. Além disso, se outros desejarem buscar novas questões de pesquisa com ferramentas semelhantes, o código-fonte aberto pode atuar como uma plataforma de lançamento para a inovação, pois é prontamente adaptável.

A EMT oferece um meio não invasivo de sondar o sistema motor em pontos de tempo precisamente controlados¹⁶. Quando aplicada sobre o córtex motor primário (M1), a EMT pode provocar uma deflexão mensurável no eletromiograma de um músculo alvo. A amplitude dessa onda de voltagem, conhecida como potencial evocado motor (PEmáx), fornece um índice do estado de excitabilidade momentânea da via corticoespinhal (SC) - um análogo resultante de todas as influências excitatórias e inibitórias na via CS¹⁷. Além de fornecer uma medição confiável dentro do sujeito da excitabilidade intrínseca da CS, a EMT pode ser combinada com outras métricas comportamentais ou cinemáticas para investigar as relações entre a atividade e o comportamento da CS de maneira temporalmente precisa. Muitos estudos têm utilizado uma combinação de EMT e eletromiografia (EMG) para abordar uma variedade de questões sobre o sistema motor, particularmente porque essa combinação de métodos torna possível investigar PEmáx sob uma vasta gama de condições comportamentais¹⁵. Uma área em que isso tem se mostrado particularmente útil é no estudo da preparação da ação, na maioria das vezes através do estudo de movimentos uniarticulares¹⁸. No entanto, há comparativamente menos estudos de EMT de movimentos naturalistas multi-articulares, como o alcance.

O objetivo atual era projetar uma tarefa de resposta atrasada que incluísse cinemática comportamental, administração on-line de EMS de pulso único e gravação EMG simultânea de vários músculos. A tarefa inclui um paradigma bidimensional de alcance ponto-a-ponto com feedback visual on-line usando um monitor orientado horizontalmente de modo que o feedback visual corresponda às trajetórias de alcance (ou seja, uma relação 1: 1 durante o feedback verídico e nenhuma transformação entre feedback visual e movimento). O projeto atual também inclui um conjunto de ensaios com uma perturbação visuomotora. No exemplo fornecido, este é um deslocamento rotacional de 20° no feedback do cursor. Estudos anteriores utilizaram um paradigma de alcance semelhante para abordar questões sobre os mecanismos e cálculos associados à adaptação sensório-motora 19,20,21,22,23,24,25. Além disso, essa abordagem permite avaliar a dinâmica da excitabilidade do sistema motor em pontos de tempo precisos durante o aprendizado motor on-line.

Como o alcance provou ser um comportamento frutífero para investigar a aprendizagem/adaptação, avaliar a excitabilidade da SC no contexto desse comportamento tem um enorme potencial para lançar luz sobre os substratos neurais envolvidos nesses comportamentos. Estes podem incluir influências inibitórias locais, mudanças nas propriedades de ajuste, o momento dos eventos neurais, etc., como foi estabelecido em pesquisas com primatas não humanos. No entanto, essas características têm sido mais difíceis de quantificar em humanos e populações clínicas. A dinâmica neural também pode ser investigada na ausência de movimento evidente em humanos usando a abordagem combinada de EMT e EMG (ou seja, durante a preparação do movimento ou em repouso).

As ferramentas apresentadas são de código aberto e o código é facilmente adaptável. Este novo paradigma produzirá insights importantes sobre os mecanismos envolvidos na preparação, execução, término e adaptação dos movimentos de alcance. Além disso, essa combinação de métodos tem o potencial de descobrir relações entre a eletrofisiologia e o comportamento de alcance em humanos.

Protocolo

Todos os métodos aqui detalhados foram realizados em conformidade com o protocolo IRB e aprovação (University of Oregon IRB protocol number 10182017.017). O consentimento informado foi obtido de todos os sujeitos.

1. Aparelhos de alcance

1. Coloque um tablet gráfico grande em uma área de trabalho.
2. Use uma estrutura de alumínio ajustável de 80 a 20 para posicionar o monitor de tarefas de 6 a 8 acima do tablet em paralelo, com a tela voltada para cima (para obter uma planta, confira aqui: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS e Figura 1 Suplementar).
   NOTA: Esta configuração permite que os participantes alcancem o tablet e adquiram alvos apresentados no monitor de tarefas enquanto ocluem a visão do braço que está a alcançar.
3. Use a configuração descrita em Kim et ^al.3 como referência.

2. Interfaces da máquina

1. Ligue o tablet ao computador através de uma porta USB. Conecte o monitor de tarefas ao computador através da porta HDMI. Conecte a porta TMS traseira ao computador através de um cabo DB-9.
2. Conecte o sistema EMG ao computador por meio de um DAQ da placa PCI-6220. Conecte o fotodiodo ao sistema EMG através de um cabo BNC.

3. Sensor de fotodiodo

1. Conecte um sensor de fotodiodo ao cabo BNC. Prenda o sensor de fotodiodo com fita adesiva no canto superior direito do monitor de tarefas, com o sensor voltado para a tela, a ≤ 1 cm de distância.
   NOTA: Isso registrará o tempo dos estímulos apresentados no monitor de tarefas como dados analógicos em um canal de entrada independente.

4. Software

1. Baixe o VETA Toolbox²⁶ (https://github.com/greenhouselab/Veta) para o MATLAB 2018 para interagir com o hardware para coleta de dados.
2. Baixe o código de tarefa de alcance (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) desenvolvido para o controle de parâmetros experimentais e interface com o tablet.

5. Triagem dos participantes e consentimento informado

1. Rastreie o assunto em busca de contraindicações para TMS. Os critérios de exclusão incluem uma história pessoal ou familiar de convulsão, cefaleia, trauma cerebral, desmaios, estresse crônico ou ansiedade, problemas com o sono e qualquer medicação neuroativa. Critérios de exclusão adicionais incluem quaisquer implantes de metal no cérebro ou crânio e qualquer uso recreativo de drogas ou álcool nas 24 horas anteriores ao teste. Os critérios de inclusão incluíram destro e idade entre 18 e 35 anos.
2. Fornecer uma explicação por escrito do procedimento e dos riscos associados, esclarecendo quaisquer outras questões que o participante possa ter.
3. Obter o consentimento informado dos participantes.

6. Configuração do assunto

1. Posicione o sujeito em uma cadeira confortável de frente para o tablet. Certifique-se de que os joelhos estão flexionados a 90° com as pernas sob a mesa.
2. Prepare a pele e coloque eletrodos EMG.
   1. Use lixa de grão fino para abrasar suavemente a pele no local do primeiro interósseo dorsal direito (IED), extensor radial do carpo e músculos deltoideos anteriores, bem como a proeminência C4 na base do pescoço, para detectar artefatos elétricos produzidos pelo pulso TMS.
      NOTA: Os locais de gravação muscular podem ser adaptados com base nas necessidades do usuário.
   2. Esfregue cada área abrasada com uma almofada de preparação de álcool uma vez por local do eletrodo para limpar.
   3. Coloque um eletrodo EMG em cada local. Certifique-se de que os eletrodos funcionem perpendicularmente às fibras musculares. Coloque o eletrodo terra na proeminência óssea do cotovelo direito.
   4. Prenda cada eletrodo com fita adesiva.
3. Verifique a qualidade da gravação EMG. Use a caixa de ferramentas VETA para visualizar todos os traços EMG e garantir que eles estejam livres de artefatos. Se os vestígios de EMG forem barulhentos, certifique-se de que o solo esteja devidamente colocado e que todos os eletrodos façam contato adequado com a pele.

7. Estimulação magnética transcraniana

1. Ligue a máquina TMS.
2. Encontre o ponto quente TMS do músculo IDE direito através da estimulação do M1 esquerdo.
   1. Coloque a bobina ~5 cm lateral e 2 cm anterior ao vértice da cabeça, orientada ~45° para fora da linha média.
   2. Administrar pulsos de EMT uma vez a cada 4 s enquanto reposiciona a bobina em incrementos de aproximadamente 5 mm no plano anteroposterior e médio-lateral.
   3. Começando com 30% de saída máxima do estimulador, aumente gradualmente a intensidade da EMT em incrementos de 2% até que as PEmáx sejam observadas.
   4. Uma vez identificada a localização ótima, na qual os MEPs podem ser provocados de forma confiável na maioria (~75%) dos pulsos na menor intensidade possível do estimulador, determine o limiar motor de repouso (RMT) encontrando o nível de intensidade que produz MEPs com uma amplitude pico-a-pico de >50 μV em cinco de 10 pulsos.
   5. Marque a posição colocando suavemente tiras finas de fita refletiva na cabeça do participante ao longo do perímetro da bobina. Mantenha o posicionamento da bobina segurando manualmente a bobina ou usando um suporte para apoiá-la.

8. Alcançando a configuração da tarefa

1. Coloque uma luva Velcro na mão direita do participante para facilitar uma postura de aperto de poder relaxada.
2. Prenda a caneta à luva e aconselhe o sujeito a manter a mão relaxada entre os movimentos de alcance.
3. Comunique as instruções da tarefa, que são as seguintes: Guie o cursor para a posição inicial na parte inferior da tela. Você verá uma sugestão em um dos dois locais de destino. Quando o alvo preencher com cor, alcance o alvo o mais rápido e com a maior precisão possível. Em seguida, retorne à posição inicial. Indique os locais das posições residenciais, pistas e alvos (Figura 1A).
4. Treine o participante para cortar alvos com a caneta o mais rápido e com a maior precisão possível. Desligue as luzes da sala de tarefas para obscurecer a visão do participante dos movimentos dos braços e melhorar a visibilidade do monitor de tarefas.

9. Design de tarefas

1. Controle a apresentação de estímulos visuais com o Psychtoolbox 3.0 no Matlab 2018 (Arquivo de Codificação Suplementar 1).
2. Use os seguintes parâmetros para corresponder aos dados atuais: 20 ensaios práticos; 270 ensaios de teste; TMS em 4/5 dos ensaios de teste; A EMT coincide com o início da sugestão preparatória (EMT basal) ou 100 ms antes da sugestão imperativa (EMT atrasada) com igual frequência; 1/10 do total de ensaios são ensaios de captura, nos quais a sugestão imperativa não aparece; a posição inicial é um círculo com um raio de 2 cm posicionado no centro inferior do espaço de trabalho; dois alvos circulares com 1 cm de raio são posicionados a 15 cm da posição inicial a +45° e -45° de distância da linha média.
3. Defina a ordem e a duração do evento da seguinte forma: sugestão preparatória a 900 ms e sugestão imperativa a 900 ms.

10. Administração do TMS

1. A caixa de ferramentas VETA administra simultaneamente o TMS e registra o EMG https://github.com/greenhouselab/Veta.
2. Controle o tempo dos pulsos TMS com a caixa de ferramentas VETA para coincidir com os eventos comportamentais escolhidos (ou seja, o início da pista preparatória ou 100 ms antes do início do alvo).
3. Fornecer TMS com frequência suficiente para garantir um número suficiente de eurodeputados para análise.
   NOTA: Tal como escrito, o código de tarefa fornecerá um pulso TMS em 4/5 do total de ensaios, quer no início da sugestão preparatória - para provocar eurodeputados de linha de base - ou 100 ms antes da sugestão imperativa - para provocar eurodeputados atrasados. Os parâmetros podem ser ajustados no código de acordo com as necessidades do usuário. Ensaios sem EMT podem ser usados para avaliar o desempenho comportamental na ausência de EMT. Isso é útil para determinar qualquer possível influência do TMS no desempenho.

Resultados

A execução bem-sucedida dos métodos descritos inclui o registro de dados do tablet, traços EMG e elicitação confiável de eurodeputados. Um experimento foi concluído que incluiu 270 ensaios de teste com TMS entregues em 4/5 dos ensaios (216 ensaios).

Os dados foram coletados de 16 participantes (oito mulheres; oito homens) com idades entre 25 ± 10 anos, todos autodeclarados destros. Avaliamos a eficácia da perturbação visual no desempenho comportamental derivando uma função de apr...

Discussão

Os métodos descritos acima oferecem uma nova abordagem para estudar a preparação motora no contexto de alcançar comportamentos. Embora o alcance represente uma tarefa de modelo popular no estudo do controle motor e da aprendizagem, há uma necessidade de avaliar com precisão a dinâmica da SC associada ao comportamento de alcance. O TMS oferece um método não invasivo e temporalmente preciso de capturar a atividade de CS em pontos de tempo discretos durante o alcance. A abordagem aqui descrita comb...

Materiais

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