Valutazione dell'eccitabilità corticospinale durante il comportamento di raggiungimento diretto all'obiettivo

Riepilogo

Raggiungere è un'abilità fondamentale che consente all'uomo di interagire con l'ambiente. Diversi studi hanno mirato a caratterizzare il raggiungimento del comportamento utilizzando una varietà di metodologie. Questo articolo offre un'applicazione open-source della stimolazione magnetica transcranica per valutare lo stato di eccitabilità corticospinale negli esseri umani durante il raggiungimento delle prestazioni del compito.

Abstract

Raggiungere è un comportamento ampiamente studiato nella fisiologia motoria e nella ricerca neuroscientifica. Mentre il raggiungimento è stato esaminato utilizzando una varietà di manipolazioni comportamentali, rimangono lacune significative nella comprensione dei processi neurali coinvolti nella pianificazione, esecuzione e controllo della portata. Il nuovo approccio qui descritto combina un compito di raggiungimento bidimensionale con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) e la registrazione elettromiografica simultanea (EMG) da più muscoli. Questo metodo consente il rilevamento non invasivo dell'attività corticospinale in punti temporali precisi durante lo svolgimento dei movimenti di raggiungimento. Il codice dell'attività di esempio include una risposta ritardata che raggiunge l'attività con due possibili destinazioni visualizzate ± 45° dalla linea mediana. La TMS a impulso singolo viene erogata nella maggior parte delle prove di attività, sia all'inizio del segnale preparatorio (linea di base) o 100 ms prima del segnale imperativo (ritardo). Questo disegno di esempio è adatto per studiare i cambiamenti nell'eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. Il codice di esempio include anche una perturbazione visuomotoria (cioè una rotazione del cursore di ± 20°) per studiare gli effetti dell'adattamento sull'eccitabilità corticospinale durante la preparazione della portata. I parametri dell'attività e la consegna TMS possono essere regolati per affrontare ipotesi specifiche sullo stato del sistema motorio durante il raggiungimento del comportamento. Nell'implementazione iniziale, i potenziali evocati motori (MEP) sono stati ottenuti con successo nell'83% degli studi TMS e le traiettorie di raggiungimento sono state registrate in tutti gli studi.

Introduzione

Il raggiungimento diretto all'obiettivo è un comportamento motorio fondamentale che consente agli esseri umani di interagire e manipolare l'ambiente esterno. Lo studio del raggiungimento nei campi della fisiologia motoria, della psicologia e delle neuroscienze ha prodotto una letteratura ricca e ampia che include una varietà di metodologie. I primi studi sul raggiungimento hanno utilizzato registrazioni neurali dirette in primati non umani per studiare l'attività neurale a livello di singoli neuroni ^1,2. Studi più recenti hanno studiato il raggiungimento utilizzando paradigmi comportamentali che impiegano l'ad....

Protocollo

Tutti i metodi qui descritti sono stati eseguiti in conformità con il protocollo IRB e l'approvazione (numero di protocollo IRB dell'Università dell'Oregon 10182017.017). Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti.

1. Apparato di raggiungimento

1. Posizionare una tavoletta grafica di grandi dimensioni su un desktop.
2. Utilizzare un telaio regolabile in alluminio 80-20 per posizionare il monitor di 6-8 pollici sopra il tablet in parallelo, con lo schermo rivolto verso l'alto (per un progetto, controllare qui: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS e Figura supplementare 1).....

Risultati

L'esecuzione di successo dei metodi descritti include la registrazione dei dati delle compresse, le tracce EMG e l'elicitazione affidabile dei deputati al Parlamento europeo. È stato completato un esperimento che comprendeva 270 prove di prova con TMS consegnato su 4/5 delle prove (216 prove).

I dati sono stati raccolti da 16 partecipanti (otto femmine; otto maschi) di età compresa tra 25 ± 10 anni, tutti auto-segnalati come destrorsi. Abbiamo valutato l'efficacia della perturbazione visiva.......

Discussione

I metodi sopra descritti offrono un nuovo approccio allo studio della preparazione motoria nel contesto del raggiungimento dei comportamenti. Sebbene il raggiungimento rappresenti un compito modello popolare nello studio del controllo motorio e dell'apprendimento, è necessario valutare con precisione le dinamiche CS associate al raggiungimento del comportamento. TMS offre un metodo non invasivo e temporalmente preciso per catturare l'attività CS in punti temporali discreti durante il raggiungimento. L'.......

Materiali

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