말초 신경 자극 및 제어 가능한 펄스 매개변수 경두개 자기 자극을 결합하여 감각 운동 제어 및 학습을 조사합니다.

Summary

SAI(Short-latency Asserent Inbarition)는 감각 운동 통합을 조사하기 위한 경두개 자기 자극 프로토콜입니다. 이 기사에서는 감각 운동 행동 동안 운동 피질의 수렴 감각 운동 루프를 연구하기 위해 SAI를 사용하는 방법을 설명합니다.

Abstract

숙련된 운동 능력은 감각 구심성을 적절한 운동 명령에 효율적으로 통합하는 데 달려 있습니다. 구심성 억제는 숙련된 운동 활동 동안 감각 운동 통합에 대한 절차적 및 선언적 영향을 조사하는 귀중한 도구를 제공합니다. 이 원고는 감각 운동 통합을 이해하기 위한 짧은 잠복기 구심성 억제(SAI)의 방법론과 기여를 설명합니다. SAI는 경두개 자기 자극(TMS)에 의해 유발되는 피질 척수 운동 출력에 대한 수렴 구심성 발리의 효과를 정량화합니다. 구 심성 발리는 말초 신경의 전기 자극에 의해 유발됩니다. TMS 자극은 구심성 신경이 제공하는 근육에서 신뢰할 수 있는 운동 유발 반응을 이끌어내는 일차 운동 피질 위의 위치로 전달됩니다. 운동 유발 반응의 억제 정도는 운동 피질에 수렴하는 구심성 발리의 크기를 반영하며 중심 GABA 및 콜린성 기여를 포함합니다. SAI의 콜린성 관여는 SAI를 감각 운동 수행 및 학습에서 선언적-절차적 상호 작용의 가능한 마커로 만듭니다. 보다 최근에, 숙련된 운동 활동을 위한 일차 운동 피질에서 뚜렷한 감각 운동 회로의 기능적 중요성을 분리하기 위해 SAI에서 TMS 전류 방향을 조작하는 연구가 시작되었습니다. 최첨단 제어 가능한 펄스 파라미터 TMS(cTMS)를 사용하여 추가 펄스 파라미터(예: 펄스 폭)를 제어할 수 있는 기능은 TMS 자극에 의해 프로빙되는 감각 운동 회로의 선택성을 향상시키고 보다 정교한 감각 운동 제어 및 학습 모델을 만들 수 있는 기회를 제공했습니다. 따라서 현재 원고는 cTMS를 이용한 SAI 평가에 중점을 둡니다. 그러나 여기에 설명된 원칙은 기존의 고정 펄스 폭 TMS 자극기 및 장기 잠복기 구심성 억제(LAI)와 같은 다른 형태의 구심성 억제를 사용하여 평가된 SAI에도 적용됩니다.

Introduction

여러 감각 운동 루프가 운동 피질에 수렴하여 척수 운동 뉴런과 중간 뉴런에 대한 피라미드 관 돌출부를 형성합니다¹. 그러나 이러한 감각 운동 루프가 어떻게 상호 작용하여 피질 척수 돌출부와 운동 행동을 형성하는지는 여전히 미해결 문제로 남아 있습니다. 짧은 잠복기 구심성 억제(SAI)는 운동 피질 출력에서 수렴 감각 운동 루프의 기능적 특성을 조사하는 도구를 제공합니다. SAI는 운동 피질 경두개 자기 자극(TMS)과 해당 말초 구심성 신경의 전기 자극을 결합합니다.

TMS는 인간의 뇌에서 피라미드 운동 뉴런을 시냅스를 경질하여 안전하게 자극하는 비침습적 방법입니다 ^2,3. TMS는 두피에 배치된 코일 와이어를 통해 크고 일시적인 전류를 통과시키는 것을 포함합니다. 전류의 일시적인 특성은 뇌에 전류를 유도하는 빠르게 변화하는 자기장을 생성합니다⁴. 단일 TMS 자극의 경우, 유도 전류는 피라미드 운동 뉴런 ^5-7에 대한 일련의 흥분성 입력을 활성화시킨....

Protocol

다음 프로토콜은 다양한 실험에 적용될 수 있습니다. 제공된 정보는 유효하거나 유효하지 않은 큐가 있는 프로브에 대한 손가락 반응 동안 감각 운동 통합을 정량화하는 데 SAI를 사용하는 실험을 자세히 설명합니다. 이 프로토콜에서 SAI는 작업 없이 평가된 다음 신호된 감각 운동 작업 중에 동시에 평가된 다음 작업 없이 다시 평가됩니다. cTMS 자극기는 상업적으로 이용가능한 임의의 종래의 TMS 자극기로 대체될 수 있다. 그러나, 종래의 TMS 자극기의 펄스 폭은 특정 하드웨어^59,60에 따라 ^70-82 μs 사이에서 고정될 것이다. 이 연구는 워털루 대학의 연구 윤리 사무소의 승인을 받았습니다. 모든 참가자는 서면 동의서를 제공했습니다.

1. 하드웨어/소프트웨어 요구 사항

알림: 그림 1 은 주변 전기 및 TMS 자극기를 컴퓨터 제어 감각 운동 작업과 통합하기 위한 하드웨어 요구 사항의 개략도를 보여줍니다. 그림 2A 는 PA 유도 및 AP 유도 전류에 대한....

Discussion

여기에 설명된 SAI 방법은 감각 운동 수행 및 학습에 역할을 하는 신경 경로의 하위 집합을 조사합니다. 참가자가 제어된 감각 운동 작업을 수행하는 동안 SAI를 평가하는 것은 건강한 임상 인구에서 운동 출력을 형성하기 위해 운동 피질 척수 뉴런에 수렴하는 수많은 감각 운동 루프의 복잡한 기여를 푸는 데 중요합니다. 예를 들어, 유사한 방법론이 절차적 운동 제어 과정(37,56)에 대한 소뇌 영향과.......

Materials

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)