Kombine Periferik Sinir Stimülasyonu ve Kontrol Edilebilir Darbe Parametresi Transkraniyal Manyetik Stimülasyon Probu Sensorimotor Kontrol ve Öğrenme

Özet

Kısa gecikmeli afferent inhibisyon (SAI), sensorimotor entegrasyonu araştırmak için kullanılan bir transkraniyal manyetik stimülasyon protokolüdür. Bu makalede, SAI'nın sensorimotor davranış sırasında motor korteksteki yakınsak sensorimotor döngüleri incelemek için nasıl kullanılabileceği açıklanmaktadır.

Özet

Yetenekli motor yeteneği, duyusal afference'ı uygun motor komutlarına verimli bir şekilde entegre etmeye bağlıdır. Afferent inhibisyonu, yetenekli motor eylemler sırasında sensorimotor entegrasyon üzerindeki prosedürel ve bildirimsel etkiyi araştırmak için değerli bir araç sağlar. Bu makalede, sensorimotor integrasyonu anlamak için kısa gecikmeli afferent inhibisyonun (SAI) metodolojisi ve katkıları açıklanmaktadır. SAI, yakınsak afferent voleybolun transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) tarafından uyarılan kortikospinal motor çıkışı üzerindeki etkisini ölçer. Afferent voleybol, periferik bir sinirin elektriksel stimülasyonu ile tetiklenir. TMS uyaranı, birincil motor korteks üzerinde, bu afferent sinir tarafından hizmet edilen bir kasta güvenilir bir motor uyarılmış yanıt ortaya çıkaran bir yere verilir. Motor uyarılmış yanıttaki inhibisyon derecesi, motor kortekste birleşen afferent voleybolun büyüklüğünü yansıtır ve merkezi GABAerjik ve kolinerjik katkıları içerir. SAI'daki kolinerjik tutulum, SAI'yı sensorimotor performans ve öğrenmede bildirimsel-prosedürel etkileşimlerin olası bir belirteci haline getirir. Daha yakın zamanlarda, çalışmalar, yetenekli motor eylemler için birincil motor korteksteki farklı sensörimotor devrelerin işlevsel önemini ayırmak için SAI'daki TMS akım yönünü manipüle etmeye başlamıştır. Son teknoloji ürünü kontrol edilebilir darbe parametresi TMS (cTMS) ile ek darbe parametrelerini (örneğin, darbe genişliği) kontrol etme yeteneği, TMS uyaranı tarafından incelenen sensorimotor devrelerin seçiciliğini arttırmış ve daha rafine sensorimotor kontrol ve öğrenme modelleri oluşturma fırsatı sağlamıştır. Bu nedenle, mevcut makale cTMS kullanılarak SAI değerlendirmesine odaklanmaktadır. Bununla birlikte, burada özetlenen ilkeler, geleneksel sabit darbe genişliği TMS stimülatörleri ve uzun gecikmeli afferent inhibisyon (LAI) gibi diğer afferent inhibisyon formları kullanılarak değerlendirilen SAI için de geçerlidir.

Giriş

Çoklu sensorimotor döngüler, spinal motor nöronlara ve internöronlara piramidal sistem projeksiyonlarını şekillendirmek için motor kortekste birleşir¹. Bununla birlikte, bu sensorimotor döngülerin kortikospinal projeksiyonları ve motor davranışı şekillendirmek için nasıl etkileşime girdiği açık bir soru olmaya devam etmektedir. Kısa gecikmeli afferent inhibisyon (SAI), motor korteks çıkışındaki yakınsak sensorimotor döngülerin fonksiyonel özelliklerini araştırmak için bir araç sağlar. SAI, motor kortikal transkraniyal manyetik stimülasyonu (TMS) karşılık gelen periferik afferent sinirin elektriksel stimülasyonu ile birleştirir.

TMS, insan beyninde piramidal motor nöronları trans-sinaptik olarak güvenli bir şekilde uyarmak için invaziv olmayan bir yöntemdir ^2,3. TMS, kafa derisine yerleştirilen sarmal bir telden büyük, geçici bir elektrik akımının geçirilmesini içerir. Elektrik akımının geçici doğası, beyinde bir elektrik akımını indükleyen hızla değişen bir manyetik alan yaratır⁴. Tek bir TMS uyaranı durumunda, indüklenen akım, piramidal motor nöronlar^5-7'ye bir dizi uyarıcı girdiyi aktive eder. Üretilen uyarıcı girdilerin gücü yeterliyse, azalan aktivite, motor uyarılmış potansiyel (MEP) olarak bilinen kontralateral bir kas tepkisi ortaya çıkarır. MEP'nin gecikmesi, kortikomotor iletim süresi^8'i yansıtır. MEP'in genliği, kortikospinal nöronların uyarılabilirliğini indeksler⁹. MEP'i ortaya çıkaran tek TMS uyarıcısından önce^10,11,12 koşullu uyaran da gelebilir. Bu çift nabız paradigmaları, çeşitli internöron havuzlarının kortikospinal çıktı üzerindeki etkilerini indekslemek için kullanılabilir. SAI durumunda, periferik elektriksel koşullandırma uyaranı, afferent voleybolun motor kortikal uyarılabilirlik^11,13,14,15 üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılır. TMS uyaranının ve periferik elektriksel stimülasyonun göreceli zamanlaması, TMS uyaranının motor korteks üzerindeki etkisini, afferent projeksiyonların motor kortekse gelişiyle hizalar. Distal üst ekstremite kaslarındaki SAI için, medyan sinir uyaranı tipik olarak TMS uyaranından 18-24 ms^11,13,15,16 ile önce gelir. Aynı zamanda, periferik uyaranın neden olduğu afferent voleybolun gücü^13,17,18 arttıkça SAI artar.

Motor kortekse afferent projeksiyonun dışsal özellikleri ile güçlü ilişkisine rağmen, SAI birçok motor kontrol sürecinde yer alan şekillendirilebilir bir olgudur. Örneğin, SAI, yaklaşmakta olan bir hareket 19,20,21'den önce görevle ilgili kaslarda azalır, ancak bitişik görevle alakasız motor gösterimlerinde ^19,20,22'de tutulur. Görev alaka düzeyine duyarlılığın, istenmeyen efektör alımını azaltmayı amaçlayan bir surround inhibisyon mekanizması^23'ü yansıttığı varsayılmıştır. Daha yakın zamanlarda, görevle ilgili efektördeki SAI'deki azalmanın, beklenen duyusal afferans^21'i bastırmak ve sensorimotor planlama ve yürütme sırasında düzeltmeleri kolaylaştırmak için tasarlanmış hareketle ilgili bir geçit fenomenini yansıtabileceği öne sürülmüştür²⁴. Spesifik fonksiyonel rolden bağımsız olarak, SAI manuel el becerisi ve işleme verimliliğindeki azalmalarla ilişkilidir²⁵. Değişmiş SAI ayrıca yaşlı erişkinlerde düşme riskinin artması ile ilişkilidir 26 ve Parkinson hastalığı ^26,27,28 ve fokal el distonisi ²⁹ olan bireylerde sensörimotor fonksiyonun bozulması.

Klinik ve farmakolojik kanıtlar, SAI'ya aracılık eden inhibitör yolakların santral kolinerjik modülasyona duyarlı olduğunu göstermektedir³⁰. Örneğin, muskarinik asetilkolin reseptör antagonisti skopolaminin uygulanması SAI^31'i azaltır. Buna karşılık, asetilkolinesteraz inhibitörleri ile asetilkolinin yarı ömrünün arttırılması, SAI^32,33'ü arttırır. Farmakolojik kanıtlarla tutarlı olarak, SAI, uyarılma³⁴, ödül³⁵, dikkat tahsisi 21,36,37 ve hafıza^38,39,40 dahil olmak üzere merkezi kolinerjik tutuluma sahip çeşitli bilişsel süreçlere duyarlıdır. SAI ayrıca, Alzheimer hastalığı 41,42,43,44,45,46,47, Parkinson hastalığı (hafif bilişsel bozukluk ile)48,49,50 ve hafif bilişsel bozukluk ⁴⁷ gibi kolinerjik nöronların kaybıyla ilişkili bilişsel eksiklikleri olan klinik popülasyonlarda da değişir^.51,52. SAI'nın çeşitli γ-aminobütirik asit tip A (GABA_A) reseptör alt birim tipleri için diferansiyel afinitelere sahip çeşitli benzodiazepinler tarafından diferansiyel modülasyonu, SAI inhibitör yolaklarının, diğer çift darbe inhibisyonu³⁰ formlarına aracılık eden yollardan farklı olduğunu düşündürmektedir. Örneğin, lorazepam SAI'yi azaltır, ancak kısa aralıklı kortikal inhibisyonu (SICI) ^arttırır53. Zolpidem, SAI'yı azaltır, ancak SICI⁵³ üzerinde çok az etkisi vardır. Diazepam, SICI'yi artırır ancak SAI⁵³ üzerinde çok az etkisi vardır. GABA_A reseptör fonksiyonunun bu pozitif allosterik modülatörleri tarafından SAI'daki azalma, GABA'nın beyin sapında ve korteks^54'te asetilkolin salınımını kontrol ettiği gözlemiyle birleştiğinde, GABA'nın SAI^55'i etkilemek için sensorimotor kortekse yansıyan kolinerjik yolu modüle ettiği hipotezine yol açmıştır.

Son zamanlarda, SAI, prosedürel motor kontrol süreçlerini belirleyen sensorimotor döngüler ile prosedürel süreçleri açık yukarıdan aşağıya hedeflere ve bilişsel kontrol süreçlerine hizalayan 21,36,37,38 arasındaki etkileşimleri araştırmak için kullanılmıştır. SAI^31'deki merkezi kolinerjik tutulum, SAI'nın prosedürel sensorimotor kontrol ve öğrenme üzerinde yürütücü bir etkiyi endeksleyebileceğini düşündürmektedir. Önemli olarak, bu çalışmalar, farklı TMS akım yönlerini kullanarak SAI'yı değerlendirerek bilişin belirli sensorimotor devreler üzerindeki benzersiz etkilerini tanımlamaya başlamıştır. SAI çalışmaları tipik olarak posterior-anterior (PA) kaynaklı akım kullanırken, sadece bir avuç SAI çalışması anterior-posterior (AP) kaynaklı akım⁵⁵ kullanmıştır. Bununla birlikte, SAI değerlendirmesi sırasında PA akımı ile karşılaştırıldığında AP'yi indüklemek için TMS'nin kullanılması, farklı sensorimotor devreleri^16,56'yı işe alır. Örneğin, AP'ye duyarlı, ancak PA'ya duyarlı olmayan, sensorimotor devreler serebellar modülasyon^37,56 ile değiştirilir. Ayrıca, AP'ye duyarlı, ancak PA'ya duyarlı olmayan sensörimotor devreleri, dikkat yükü³⁶ ile modüle edilir. Son olarak, dikkat ve serebellar etkiler aynı AP'ye duyarlı sensorimotor devrelerde birleşebilir ve bu devrelerde uyumsuz değişikliklere yol açabilir³⁷.

TMS teknolojisindeki ilerlemeler, tek darbeli, çift darbeli ve tekrarlayan uygulamalar sırasında kullanılan TMS uyaranının yapılandırmasını manipüle etmek için ek esneklik sağlar^57,58. Kontrol edilebilir darbe parametreli TMS (cTMS) uyarıcıları artık dünya çapında araştırma kullanımı için ticari olarak temin edilebilir ve bunlar darbe genişliği ve şekli⁵⁷ üzerinde esnek kontrol sağlar. Artan esneklik, her biri TMS uyaranının ayrı bir aşamasından sorumlu olan iki bağımsız kapasitörün deşarj süresinin kontrol edilmesinden kaynaklanmaktadır. Uyaranın bifazik veya monofazik doğası, her bir kapasitörden gelen nispi deşarj genliği, M-oranı adı verilen bir parametre tarafından yönetilir. cTMS çalışmaları, geleneksel TMS uyarıcıları (70-82 μs)^59,60 tarafından kullanılan sabit darbe genişliklerinin muhtemelen SAI⁵⁶ sırasında işlevsel olarak farklı sensörimotor devrelerin bir karışımını işe aldığını göstermek için darbe genişliği manipülasyonunu farklı akım yönleriyle birleştirmiştir. Bu nedenle, cTMS, sensorimotor performans ve öğrenmede çeşitli yakınsak sensorimotor döngülerin işlevsel önemini daha da çözmek için heyecan verici bir araçtır.

Bu makale, sensorimotor davranışlar sırasında periferik elektriksel stimülasyonu cTMS ile bütünleştiren sensorimotor entegrasyonu incelemek için benzersiz bir SAI yaklaşımını detaylandırmaktadır. Bu yaklaşım, afferent projeksiyonların, devam eden sensorimotor davranış sırasında kortikospinal çıktıyı yöneten motor korteksteki seçilmiş internöron popülasyonları üzerindeki etkisini değerlendirerek tipik SAI yaklaşımını geliştirir. Nispeten yeni olmasına rağmen, cTMS tipik ve klinik popülasyonlarda sensorimotor entegrasyonun incelenmesinde belirgin bir avantaj sağlar. Ayrıca, mevcut yaklaşım, geleneksel TMS stimülatörleri ile kullanım için ve uzun gecikmeli afferent inhibisyon (LAI)¹³ veya kısa gecikmeli afferent kolaylaştırma (SAF)¹⁵ gibi diğer afferent inhibisyon ve kolaylaştırma biçimlerini ölçmek için kolayca uyarlanabilir.

Protokol

Aşağıdaki protokol çeşitli deneylere uygulanabilir. Sağlanan bilgiler, SAI'nin geçerli veya geçersiz olarak işaretlenmiş bir proba parmak yanıtı sırasında sensorimotor entegrasyonunu ölçmek için kullanıldığı bir deneyi detaylandırmaktadır. Bu protokolde, SAI bir görev olmadan, daha sonra işaretli sensorimotor görev sırasında eşzamanlı olarak ve daha sonra tekrar bir görev olmadan değerlendirilir. cTMS stimülatörü, piyasada bulunan herhangi bir konvansiyonel TMS stimülatörü ile değiştirilebilir. Bununla birlikte, geleneksel TMS stimülatörünün darbe genişliği, spesifik donanıma bağlı olarak 70-82 μs arasında sabitlenecektir^59,60. Bu çalışma Waterloo Üniversitesi Araştırma Etiği Ofisi tarafından onaylanmıştır. Tüm katılımcılar yazılı bilgilendirilmiş onam vermiştir.

1. Donanım/yazılım gereksinimleri

NOT: Şekil 1 , çevresel elektrik ve TMS uyarıcılarını bilgisayar kontrollü bir sensorimotor görevle tümleştirmek için donanım gereksinimlerinin bir şemasını göstermektedir. Şekil 2A , PA kaynaklı ve AP kaynaklı akım için SAI kurulumunu göstermektedir. Şekil 2B , işaretli sensorimotor görev için olayların sırasını ve SAI değerlendirmesinin göreceli zamanlamasını göstermektedir. TMS bobin oryantasyonunu katılımcıya göre izlemek için stereotaktik bir rehberlik sistemi, bobin pozisyonundaki ve yörünge^61'deki varyasyonla ilişkili fizyolojik yanıttaki deneme bazında değişkenliği azaltmak için şiddetle tavsiye edilir.

Şekil 1: Bekleme durumunda ve eşzamanlı sensorimotor davranış sırasında SAI'yi değerlendirmek için kullanılan donanımın bir şeması. Sensorimotor görevini ve cTMS uyaranının/çevresel elektriksel stimülasyonun zamanlamasını kontrol etmek için kullanılan PC1, bir USB kablosu aracılığıyla 5 V TTL çıkış tetikleyicisi üretebilen bir dijital-analog dönüştürücüye bağlanır. Koşulsuz denemeler için, dijital giriş-çıkış kanalı 1'den gelen tetikleyici, bir BNC kablosu aracılığıyla cTMS stimülatörüne gönderilir. Koşullu denemeler için, cTMS stimülatörüne gönderilen dijital giriş-çıkış kanalı 1'den gelen tetikleyiciden önce, dijital giriş-çıkış kanalı 2'den periferik elektriksel stimülatöre bir tetikleyici gelir. EMG amplifikatör kaydını ve PC2'deki EMG toplama yazılımı tarafından verilerin görüntülenmesini/kaydedilmesini tetiklemek için cTMS ünitesindeki tetik çıkış kanalından EMG sistemi analogdan dijitale kartına bir BNC kablosu gönderilir. cTMS tetikleyicisinden isteğe bağlı bir BNC kablosu da cTMS uyaranı sırasında bobin konumunu ve yörüngesini kaydetmek için stereotaktik rehberlik sistemine gönderilir. Kısaltmalar: PC = kişisel bilgisayar; USB = evrensel seri veri yolu; TTL = transistör-transistör mantık tetikleme kablosu; BNC = Bayonet Neill-Concelman konektörü; cTMS = kontrol edilebilir darbe parametreli transkraniyal manyetik stimülatör; TMS = transkraniyal manyetik stimülasyon; A/D = analog-dijital; EMG = elektromiyografi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: SAI kurulumu ve sensorimotor görevi. (A) DYY kasında SAI'nın değerlendirilmesi için kurulumun bir şeması. Not olarak, beyindeki indüklenen akım, TMS bobinindeki akımın yönüne zıttır. (B) Geçerli bir işaret parmağı işareti (üstte) ve geçersiz işaret parmağı işareti (altta) denemesinin tasviri. İşaret her zaman en üst uyaran olarak tasvir edilir (kesikli daire ile vurgulanır). İşaret rengi belirli bir parmak yanıtına karşılık gelir. Katılımcılara prob rengine mümkün olduğunca hızlı ve doğru bir şekilde yanıt vermeleri talimatı verildi. İpuçları ve problar herhangi bir renk olabilir. Geçerli bir ipucunun olasılığı% 70 idi. Denemelerin %30'unda geçersiz ipuçları oluştu. Kısaltmalar: SAI = kısa gecikmeli afferent inhibisyon; PA = posterior-anterior; AP = anterior-posterior; DYY = ilk dorsal interosseöz; EMG = elektromiyografi; MNS = medyan sinir uyaranı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

1. İki dijital çıkış kanalına sahip bir USB (veya seri port) dijital-analog kart üzerinden sensorimotor görevini kontrol etmek için bir kişisel bilgisayarı (PC1) yazılımla donatın.
2. 21 ms'lik bir interstimulus aralığı (ISI) ile periferik elektriksel stimülasyon tarafından koşullandırılacak koşulsuz cTMS uyaranlarının ve cTMS uyaranlarının sırasını kontrol etmek için görev gerektirmeyen bir yazılım rutini oluşturun. Herhangi iki uyaran (örneğin, koşullu veya koşulsuz) arasındaki aralığı, 5-8 s arasında bir süreye sahip dikdörtgen bir dağılım kullanarak rastgele sıralayın.
   1. Rutinin, koşulsuz uyaranlar için cTMS ünitesinin bağlantı noktasındaki tetikleyiciye bir dijital çıkış tetikleyicisi gönderdiğinden emin olun. Rutinin, koşullu uyaranlar için cTMS ünitesine ve periferik elektriksel stimülatöre ayrı dijital çıkışlar gönderdiğinden emin olun.
   2. Periferik stimülatörün tetikleyicisinin cTMS tetikleyicisinden 21 ms önce geldiğinden emin olun. Koşulsuz ve koşullu uyaranların sayısının 8 ila 24 arasında olduğundan emin olun. İdeal olarak, koşulsuz ve koşullu çalışmaların sırası randomize edilmelidir.
3. Sensorimotor görevini kontrol etmek için bir yazılım rutini ayarlayın. Bu yazılımın ayrıca cTMS'ye ve periferik elektriksel uyarıcılara gönderilen dijital çıkış tetikleyicilerini davranış sırasında belirli bir noktaya (noktalara) zaman kilitlediğinden emin olun.
   NOT: Özetlenen deneyde işaretli bir sensorimotor görev kullanılmıştır (Şekil 2B). Periferik stimülatör ve cTMS stimülatörünün tetikleyicileri, dikdörtgen bir dağılım kullanılarak yanıt ipucu başlangıcından 225-275 ms sonra gerçekleşecek şekilde zamanlandı. Bu zamanlamanın amacı, tüm denemelerin% 70'inde geçerli olan yanıt ipucu ile önceki hazırlık ipucu arasındaki geçerliliğe dayanarak sensorimotor entegrasyondaki değişiklikleri değerlendirmektir.
4. İkinci bir kişisel bilgisayarı (PC2) analog-dijital dönüştürücüye bağlı iki kanallı elektromiyografi (EMG) amplifikatörü ile donatın. Dijital-analog dönüştürücünün, EMG'yi TMS uyaranına zaman içinde kilitlemek için dijital bir giriş kanalına sahip olduğundan emin olun. PC2'nin, TMS tarafından uyarılmış kas tepkilerini kaydetmek için EMG veri toplama yazılımı ile donatıldığından emin olun.
   NOT: PC1, sensörimotor görevini kontrol etmek ve EMG'yi kaydetmek için kullanılabilir. Bununla birlikte, araştırmacılar tetikleyicilerin TMS stimülatörüne, periferik stimülatöre ve EMG sistemine zamanlamasını bağımsız olarak doğrulamalıdır. Tek bir bilgisayara bağlı birden çok cihaz, merkezi işlemci çakışmaları olasılığını artırarak olay işaretçilerinin göreli zamanlamasında kararsızlığa yol açar.
5. EMG veri toplama yazılımını aşağıdaki ayarlarla kurun: üç kayıt kanalı, 2 EMG, bir giriş tetikleyicisi, TTL tetikleyicisinin etrafında -0,3 s ila 0,5 s arasında bir döneme sahip tetiklenen kayıtlar, 1.000x EMG amplifikasyon faktörü, 4.000 Hz örnekleme hızı, 3 Hz ila 1 kHz bandpass filtresi ve bir şebeke filtresi (isteğe bağlı).
   NOT: Geçerli protokol çığır açan bir kayıt yöntemi kullanır. EMG toplama yazılımı, EMG sinyalini sürekli olarak izler. Bununla birlikte, yalnızca TMS uyaranına kilitlenmiş olan dönemsel veriler görüntülenir ve kaydedilir.
6. PC1'den cTMS uyarıcısı üzerindeki tetik girişine bir dijital çıkış kanalı bağlayın. PC1'den ikinci dijital çıkış kanalını çevresel elektriksel stimülatördeki tetik girişine bağlayın. Bilgisayarın işletim sistemini kullanırken, PC1'den gelen iki dijital çıkışın göreceli zamanlamasını bağımsız olarak doğrulayın.
7. Tetik çıkışını EMG sisteminin dijital girişine bağlayın. Stereotaktik bir rehberlik sistemi kullanılıyorsa, cTMS uyaranı sırasında cTMS bobininin deneme pozisyonuna göre denemeyi kaydetmek için tetik çıkışını rehberlik sistemine bölmek mümkün olabilir.

2. Katılımcı taraması ve bilgilendirilmiş onam

1. Katılımcıyı TMS 9,62,63,64,65'e kontrendikasyonlar açısından tarayın.
2. Katılımcıyı çalışma hedefleri ve prosedürleri hakkında bilgilendirin. Kurumun etik inceleme kurulu onaylı onay belgesinde belirtilen riskleri gözden geçirin. Potansiyel risklerle ilgili tüm soruları yanıtlayın. Herhangi bir çalışma prosedürüne başlamadan önce yazılı bilgilendirilmiş onam alın.

3. Elektromiyografi (EMG) elektrot yerleşimi

1. Katılımcıya, dirsekleri sandalyenin kollarına yaslanmış ve bilek / elin masa çalışma alanında rahatça dinlenmesini sağlamak için bükülmüş olarak deney sandalyesinde oturmasını söyleyin. Sandalye ve masa çalışma alanının yüksekliğini gerektiği gibi ayarlayın.
2. Cildi ilk dorsal interosseöz (FDI), abdüktör pollicis brevis (APB) ve ulnar styloid işlemi üzerinde yuvarlak bir pamuklu ped üzerine yerleştirilmiş hafif aşındırıcı bir krem kullanarak temizleyin. Herhangi bir kalıntıyı bir alkol hazırlama pedi kullanarak silin.
3. Her kas için, kas göbeğinin üzerine tek kullanımlık bir Ag-AgCl yapışkan elektrot yerleştirin. Referans olarak yakındaki kemikli bir dönüm noktasına ikinci bir elektrot yerleştirin. Son olarak, bir zemin görevi görmesi için ulnar styloid prosesine ek bir Ag-AgCl yapışkan elektrot yerleştirin.
   NOT: Yaygın bir DYY referans bölgesi, elin radyal tarafındaki ikinci proksimal falanksın tabanındaki kemikli belirginliktir. Yaygın bir APB referans bölgesi, proksimal falanksın başparmağın radyal tarafındaki kemikli belirginliğidir.
4. Her bir elektrot çiftini ve zemini EMG amplifikatörüne ve veri toplama sistemine bağlayın. DYY için kanal 1'i ve APB için kanal 2'yi kullanın.

4. Periferik elektriksel stimülatör elektrot yerleştirme

1. Periferik uyaran iletildiğinde EMG kaydını tetiklemek için çevresel stimülatörün dijital çıkış tetikleyicisini EMG sistemindeki tetik giriş kanalına bağlayın.
2. Önkolun iç kısmındaki cildi temizlemek için hafif aşındırıcı bir krem kullanın. Bilek fleksiyon kıvrımından başlayın ve ~6 cm proksimale kadar uzatın. Temizliği bilek orta çizgisinden başlayarak önkolun radyal tarafına kadar olan bölgeye kadar uzatın. Bir alkol hazırlama pedi kullanarak kalıntıları silin.
3. İletken jeli yeniden kullanılabilir bir uyarıcı çubuk elektroda uygulayın. Anotal ve katodal temas noktalarının metal disklerini örtmek için yeterli miktarda jel kullanın. Uyarıcı elektrotu bileğin palmar tarafındaki cildin üzerine, katot anoda proksimal olacak şekilde yerleştirin. Katotu radyal styloid işlemine hafif medial ve proksimal olarak yerleştirin.
   1. Aşırı jel kullanmayın. Jel, anot ve katot terminalleri arasında bir köprü oluşturursa, tüm jeli çıkarmak için elektrodu temizleyin ve tekrar uygulayın. Anot ve katot arasındaki bir jel köprüsü, cilt boyunca önemli akımları yönlendirecek ve medyan siniri uyarmayı zorlaştıracaktır.
4. Periferik uyarıcıda, uyaran tipi seçiciyi monofazik olarak ayarlayın, uyaran süresini 200 μs'ye ayarlayın ve çarpma faktörlerini iki kez kontrol ederek uygun bir voltaj ve amper seçin. Voltaj (Vmax), burada kullanılan donanım için 0,05 x 10 mA'lık bir başlangıç amperi ile 200 V'a ayarlandı.
5. Uyarıcı elektrodu tutarken, sabit akım uyarıcısı üzerindeki tetik düğmesine basarak tek bir elektriksel uyaran verin. Ardından, bir kas kasılmasının kanıtı için APB kasını ve EMG ekranını (kanal 2) görsel olarak inceleyin. M-dalgası olarak bilinen kas kasılması, motor aksonun elektriksel uyaran tarafından doğrudan aktivasyonu ile ortaya çıkar ve periferik elektriksel uyaran artefaktından 6-9 ms sonra gerçekleşmelidir.
6. Kas kasılmasına dair bir kanıt yoksa, katılımcıya parmaklara doğru veya elektrotun hemen altında yayılan bir karıncalanma hissi hissedip hissetmediklerini sorun. En uygun pozisyon, mevcut uyaran yoğunluğunda en önemli APB kas kasılmasını ortaya çıkaran elektrot pozisyonu olacaktır.
   1. Herhangi bir his bildirilmezse veya his elektrotun hemen altındaki ciltle sınırlıysa, katılımcı parmaklara / başparmağa yayılan bir karıncalanma hissi bildirene kadar amperajı 0.05'lik artışlarla (10 faktörü ile çarpılır) artırın. Başparmak dışında bir basamakta yayılan bir his bildirilirse, his başparmağa yayılana kadar elektrodu radyal olarak hareket ettirerek elektrodu yeniden konumlandırın.
7. Uyarıcı elektrotun optimum konumu belirlendikten sonra, elektrodu üç parça bant kullanarak bileğe sabitleyin. İlk parçayı elektrotun ortasına yerleştirin ve ardından elektrotun üst ve alt kısımlarını sabitlemek için ikinci ve üçüncü parçaları kullanın.
   NOT: Deneyimlere dayanarak, önce bant bandını elektrotun arkasına sabitlemeniz ve ardından bandı elektrotun yan tarafından cilde doğru çalıştırmanız önerilir. Bu yaklaşım elektrodu güvence altına alıyor gibi görünüyor ve deney sırasında yanal hareket potansiyelini en aza indiriyor.
8. Elektrodu sabitledikten sonra, katılımcıdan TMS stimülasyonu sırasında kullanılmak üzere istenen uzuv oryantasyonunu üstlenmesini isteyin. Başparmak seğirmesinin hala ortaya çıktığından emin olmak için kontrol edin.

5. Median sinir uyaran yoğunluğunun belirlenmesi

1. 0,2 mV'luk bir M-dalgası^37,56 elde edilene kadar periferik uyaran yoğunluğunun amperajını ayarlayarak periferik uyaran eşiğini belirleyin. M-dalgası, birbirini izleyen üç uyaranda istenen 0,2 mV hedef genliği aşarsa, amperi azaltın. M-dalgası, sonraki üç uyaranda istenen 0,2 mV hedef genliğin altındaysa, amperi artırın. Eşik, M-dalgasının 0,2 mV'yi aştığı ilk amper değeridir.
   NOT: Yaygın bir alternatif, yoğunluğu algısal duyusal eşiğin 3 katına veya 11,16,17,66,67,68 motor eşiğinin 1 katına ayarlamaktır. Duyusal eşik, katılımcıların 10 elektriksel uyarandan 5'inde bir hissi doğru bir şekilde bildirdikleri uyaran yoğunluğudur. Motor eşik, 10 uyaranın 5'inde görünür bir seğirmenin ortaya çıktığı uyaran yoğunluğudur.

6. Transkraniyal manyetik stimülasyon için optimal bobin yörüngesinin belirlenmesi

1. Katılımcının konumunu ve bobin yönünü izlemek üzere yeni bir stereotaktik rehberlik sistemi proje dosyası oluşturmak için bir şablon manyetik rezonans görüntüsü (MRI) dosyası kullanın. Ardından, TMS uyarıcısı iletildiğinde EMG kaydını tetiklemek için TMS uyarıcısından dijital çıkış tetikleyicisini EMG sistemindeki tetik giriş kanalına bağlayın.
   NOT: Mümkün olduğunda, konuya özgü bir MRG kullanılabilir. Bununla birlikte, MEP, motor korteks stimülasyon çalışmaları için optimal bobin pozisyonunu belirlemek için yeterlidir.
2. Kılavuz sisteminin bobin izleme aletini PA TMS bobinine takın. Bobin izleme aletinin yönünü TMS bobininin orta noktasına kalibre etmek için bobin kalibrasyon aracını kullanın. PA bobini ile aynı geometriye sahip bir AP bobini için ikinci bir bobin izleme aracı kullanarak bu adımı tekrarlayın.
3. Rehberlik sisteminin konu izleme aracını iki EMG elektrodu kullanarak katılımcının alnına yapıştırın. Burun ucunun, nasion'un ve sol ve sağ preauriküler çukurların ortasına işaretler yerleştirmek için ince uçlu bir kuru silme işaretleyicisi veya göz kalemi aplikatörü kullanın. Her bir işaretleyicinin konumuna dokunmak ve kaydetmek için kılavuz sisteminin konu kalibrasyon aracını kullanın.
4. Bobini katılımcının kafasına yerleştirerek ve bobin yörüngesini kaydederek ilk bobin pozisyonunu ayarlayın. Bobinin orta yüzeyinin kafa derisine teğet geçtiğinden emin olun. Bobinin orta çizgisini 45 ° 'de katılımcının başının orta sagital düzlemine hizalayın.
   1. Motor korteks sıcak noktasının başlangıç yaklaşımını elde etmek için, köşeye 5 cm öndeki ve tepe noktasına 5 cm yanal bir noktayı bağlayan teğetsel bir çizgi hayal edin ve teğetsel çizgi boyunca ön noktadan yaklaşık 2 cm uzağa 70 mm'lik bir bobin yerleştirin.
      NOT: Kontralateral elin distal kasları için kortikal motor sıcak noktaya yaklaşmak için alternatif bir yaklaşım, deneycinin sol işaret parmağını (katılımcının sol motor korteksi üzerinde uyarıyorsa) baş köşesine ve sol elin baş parmağını sol kulağın preauriküler noktasına yerleştirmesidir. İşaret parmağı metakarpophalangeal ekleminin konumu, bobin merkezinin yerleştirileceği yaklaşık bir konumu görselleştirmek için kullanılabilir.
5. cTMS stimülatöründe, altta yatan sinir dokusunda bir PA akımı indüklemek için nabız tipi seçiciyi Monofazik-Pozitif olarak ayarlayın. Ardından, M oranını 0,2'ye ve uyaran yoğunluğunu (güç olarak da bilinir) maksimum stimülatör çıkışının% 30'una ayarlayın. Son olarak, darbe genişliğini (pozitif faz süresi olarak da bilinir) 120 μs'ye (çalışmada kullanılan en uzun darbe genişliği) ayarlayın.
   NOT: PA kaynaklı akım kullanılarak belirlenen bobin konumu ve yörüngesi, AP kaynaklı akım 16,36,37,38,56,69 için kullanılacaktır.
6. Katılımcı DYY kasının hafif bir kasılmasını sürdürürken üç ila beş TMS uyaranı verin (maksimum gönüllü kasılmanın ~% 5 -% 10'u). Motor tarafından uyarılmış potansiyel (MEP) elde edilmezse, stimülatör yoğunluğunu% 10 artırın ve üç ila beş ek TMS uyaranı sağlayın.
7. Her uyarana tutarlı bir şekilde en az 0,2 mV'luk bir MEP elde edilene kadar veya uyarıcı yoğunluğu maksimum stimülatör çıkışının% 60-70'ine ulaşana kadar önceki adımı tekrarlayın. Güvenilir bir MEP elde edilmezse, stimülasyon parametrelerini sabit tutun ve TMS stimülatörünü orijinal stimülasyon bölgesi etrafında ~ 2 cm çapında bir daire içinde hareket ettirin. Orijinal dairenin herhangi bir noktasında güvenilir bir MEP hala ortaya çıkmamışsa, dairenin çapını 1 cm artırın.
8. Güvenilir bir MEP elde edildikten sonra, stimülasyon parametrelerini sabit tutarak ve TMS uyarıcısını mevcut bobin konumunun 2 cm kuzey, doğu, güney ve batısında hareket ettirerek FDI motor sıcak noktasını onaylayın. Her lokasyonda üç ila beş TMS uyaranı sağlayın⁷⁰. Dört kadrandan herhangi birinde tutarlı bir şekilde daha büyük bir MEP ortaya çıkarsa yeni bobin konumunu ve yörüngesini kaydedin. Yeni bobin pozisyonunu ve yörüngesini kortikal motor sıcak noktası olarak kullanın.

7. Transkraniyal manyetik stimülasyon için uyaran yoğunluğunun belirlenmesi

1. 1 mV (1 mV eşik)^16,67,74 MEP elde etmek için gereken uyaran yoğunluğunu belirlemek için ücretsiz olarak temin edilebilen TMS motor eşik değerlendirme aracını (MTAT 2.1)^71,72,73 başlatın. Tahmin yöntemini A priori bilgi olmadan olarak ayarlayın ve Başlat'a tıklayın.
   NOT: Geçerli protokol 1 mV¹⁶ TMS yoğunluğu kullanmaktadır. Bununla birlikte, bazı çalışmalar yoğunluğu bireyin dinlenme motor eşiğinin% 120'si olarak ayarlamayı tercih etmektedir. AP akımı için 1 mV MEP elde edilemeyebilir. Bu gibi durumlarda, maksimum MEP'nin en az 0,5 mV olması koşuluyla, AP uyaran yapılandırması tarafından ortaya çıkarılan maksimum MEP'yi ortaya çıkaran uyarıcı çıkışını belirleyin.
2. 120 μs'lik darbe genişliği için mevcut maksimum stimülatör çıkışını belirleyin. Ardından, uyarıcı çıkışının MTAT 2.1 yazılımının ölçeğiyle eşleşmesi için uyarıcı çıkışının aralığını 0'dan 100'e kadar yeniden ölçeklendirmek üzere bir dönüşüm grafiği kullanın.
   NOT: Mevcut çalışmada kullanılan model için, 120 μs'lik bir darbe genişliği için maksimum stimülatör çıkışı% 50'dir. Bu nedenle, MTAT 2.1 yazılımı tarafından sağlanan değerler, uyarıcı üzerinde ayarlanan değeri belirlemek için 2'ye bölünür. 70 μs'lik bir darbe genişliği için maksimum stimülatör çıkışı %66'dır, bu nedenle MTAT 2.1 yazılımı tarafından sağlanan tüm değerler 0,66 ile çarpılır (ve en yakın %0,5'e yuvarlanır). 30 μs'lik bir darbe genişliği için, maksimum stimülatör çıkışı% 100'dür. Bu nedenle, ölçeklendirme ayarlaması gerekmez.
3. TMS stimülatör yoğunluğunu, MTAT 2.1 yazılımı tarafından belirtilen maksimum stimülatör çıkışının başlangıç yüzdesine ayarlayın ve tek bir TMS uyaranı sağlayın. TMS uyaranından sonraki 20-50 ms zaman aralığında kaydedilen MEP 1 mV'yi aşarsa, Y tuşuna basarak "evet" değerini belirtin. Kaydedilen MEP 1 mV'den küçükse, N tuşuna basarak "hayır" değerini belirtin. MTAT yazılımı tarafından görüntülenen uyaran yoğunluğu siyahtan yeşile değişene kadar bu adımı tekrarlayın.
   NOT: MTAT 2.1 yazılımı tarafından belirtilen başlangıç değeri her zaman %37'dir. 120 μs'lik bir darbe genişliği için, gerçek stimülatör değeri% 18.5'tir. 70 μs'lik bir darbe genişliği için, gerçek stimülatör değeri% 24'tür. 30 μs'lik bir darbe genişliği için, uyarıcı değeri% 37'dir.
4. Geçerli yön ve uyaran süresinin her kombinasyonu için tekrarlayın. AP akımı için, PA akımını 180 ° 'ye indüklemek için bobini fiziksel olarak döndürerek akım yönünü 180 ° 'ye döndürün veya AP akımını indüklemek için üretilmiş özel bir bobin kullanın.
   NOT: Birden fazla TMS akım yönü ve darbe genişliği kullanıldığında, tüm eşikler veri toplamadan önce veya protokoldeki akım yönü ve darbe genişliğinin bu özel kombinasyonunu kullanmadan hemen önce belirlenebilir.

8. Kısa gecikmeli afferent inhibisyon (görev temeli yok)

1. Beyindeki PA akımını indükleyecek bobini cTMS uyarıcısına takın. Darbe türünü Monofazik-Pozitif ve M-oranını 0,2 olarak ayarlayın. Darbe genişliğini 120 μs'ye ayarlayın. Son olarak, uyaran yoğunluğunu adım 7'de belirlenen 1 mV eşiğine ayarlayın.
   NOT: Hem PA hem de AP akım yönleri kullanılıyorsa, adım 8'in yürütülme sırası katılımcılar arasında rastgele seçilmelidir. Birden fazla darbe genişliği kullanılıyorsa, adım 8'in gerçekleştirilme sırası katılımcılar arasında dengelenmelidir. PA₁₂₀ ve AP₃₀ , açıklanan deneyde kullanılan tek mevcut konfigürasyonlardı.
2. Periferik elektriksel uyaran yoğunluğunu adım 5'te belirlenen yoğunluğa ayarlayın. Ardından, PC1'de görev gerektirmeyen yazılım rutinini başlatın. Ardından, periferik elektriksel ve TMS uyaranları arasındaki uyaran aralığını 21 ms'ye ayarlayın.
3. TMS bobinini adım 6'da belirlenen FDI motor etkin noktasının üzerine yerleştirin. Katılımcıdan DYY kasının hafif bir kasılmasını (maksimum gönüllü kasılmanın ~% 5 -% 10'u) tutmasını isteyin. Ardından, hem çevresel hem de cTMS uyarıcılarını tetiklemek için PC1'de görev gerektirmeyen yazılımı çalıştırın.
4. Beyindeki AP akımını indükleyen bobini kullanarak AP₃₀ akım konfigürasyonu için adımları tekrarlayın.
   NOT: Görev dışı taban çizgisinin deneyin sonunda, zaman izin verdiği sürece tekrarlanması önerilir. Görev öncesi ve sonrası SAI değerlendirmeleri, bir SAI temeli sağlamak ve gruplar arasında önceden var olan farklılıkları belirlemek için (varsa) şiddetle tavsiye edilir.

9. Kısa gecikmeli afferent inhibisyon (Sensorimotor görev)

1. PA bobinini cTMS uyarıcısına takın. Darbe türünü Monofazik-Pozitif ve M-oranını 0,2 olarak ayarlayın. Darbe genişliğini 120 μs'ye ayarlayın. Son olarak, uyaran yoğunluğunu adım 7'de belirlenen 1 mV eşiğine ayarlayın.
   NOT: Birden fazla TMS akım konfigürasyonu (örneğin, PA₁₂₀, AP₃₀) kullanıldığında, sensorimotor görevi sırasında kullanılan akım konfigürasyonu katılımcılar arasında dengelenmelidir. Görev dışı temel değerlendirmenin sırasını belirlemek için kullanılan aynı karşı dengelemenin kullanılması önerilir.
2. Periferik elektriksel uyaran yoğunluğunu adım 5'te belirlenen yoğunluğa ayarlayın. Ardından, PC1'de sensorimotor görev yazılımı rutinini başlatın. Periferik elektriksel ve TMS uyaranları arasındaki interstimulus aralığını 21 ms'ye ayarlayın.
3. TMS bobinini adım 6'da belirlenen FDI motor etkin noktasının üzerine yerleştirin. Katılımcıdan DYY kasının hafif bir kasılmasını (maksimum gönüllü kasılmanın ~% 5 -% 10'u) tutmasını isteyin.
4. Sensorimotor görevi kontrol etmek ve davranış kilitli dijital tetikleyicileri çevresel ve cTMS uyarıcılarına göndermek için sensorimotor görev yazılımı rutinini çalıştırın. İstenilen koşulsuz ve koşullu deneme sayısını, koşul başına 8 ila 24 uyaran arasında tutun.
5. Beyindeki AP akımını indüklemek için bobini kullanarak AP₃₀ akım konfigürasyonu için adımları tekrarlayın.

10. Veri işleme ve analizi

1. EMG verilerini çevrimdışı olarak görsel olarak inceleyin ve prestiyana EMG'nin kök ortalama karesinin (uyaran başlangıcına -50) bir kriter genliğini aştığı izleri atın. Her deneme için kök ortalama kare hatasını aşağıdaki gibi hesaplayın:
   
   burada N , −50 ile uyaran başlangıcı arasındaki veri noktalarının sayısıdır ve EMG, n noktasındaki voltajdır. İstirahatte kas ile yapılan SAI için, 10-15 μV'luk bir kriter genliği kullanın. Hafif bir tonik kasılma ile değerlendirilen SAI için, çalışma sırasında kasılma seviyelerinin izlendiğini varsayarsak, tüm denemelerde ortalama RMSE artı iki standart sapma olan bir kriter genliği kullanın.
2. Her deneme için, DYY için tepeden tepeye MEP genliğini, kanal 1 70'teki TMS sonrası uyaran artefaktı 20 ms ila⁵⁰ ms arasındaki zaman penceresindeki minimum ve maksimum değerler arasındaki fark olarak hesaplayın.
3. Koşullu denemeler için, APB için tepeden tepeye M-dalgası genliğini, kanal 2'deki tepeden tepeye genlik 5 ms ila 15 ms periferik uyaran sonrası artefakt olarak hesaplayın.
   NOT: Tepeden tepeye M-dalgası genliğinin hesaplanması, uyaran yoğunluğunun deney boyunca koşullar arasında değişmediğini doğrulamak için kullanılan bir yöntemdir.
4. TMS akım yönü, darbe genişliği ve davranışsal durumun her bir kombinasyonu için koşulsuz ve koşullu denemeler için ortalama MEP genliğini ve koşullu çalışmalar için ortalama M-dalgasını hesaplayın.
5. Koşullu MEP genliğini,^11'in altındaki denklemi kullanarak her katılımcı için koşulsuz MEP genliğinin bir oranı olarak ifade edin:
   
   NOT: Düşük oranlar daha güçlü inhibisyonu yansıtır. Oranın% 100 ile çarpılması, koşullu MEP genliğini koşulsuz MEP genliğinin bir yüzdesi olarak ifade etmek için yaygındır.
6. Her TMS akım yönü, darbe genişliği ve davranışsal durum kombinasyonu için tüm katılımcılar arasındaki ortalamayı hesaplayın. Bu değerleri raporlayın. Ortalama değerler genellikle rapor edilse de, mümkün olduğunca bireysel verileri rakamlarla gösterin.

Sonuçlar

Şekil 3 , PA₁₂₀- ve AP₃₀- (alt simge darbe genişliğini gösterir) ile indüklenen akımı kullanan sensorimotor görev sırasında DYY kasında ortaya çıkan tek bir katılımcıdan koşulsuz ve koşullu MEP'lerin örneklerini göstermektedir. Orta sütundaki çubuk grafikler, koşulsuz ve koşullu denemeler için ham ortalama tepeden tepeye MEP genliklerini göstermektedir. Sağdaki çubuk grafikler, aynı katılımcı için PA₁₂₀ ve AP₃₀ kayn...

Tartışmalar

Burada açıklanan SAI yöntemi, sensorimotor performans ve öğrenmede rol oynayan nöral yolların bir alt kümesini araştırır. Katılımcılar kontrollü sensorimotor görevleri yerine getirirken SAI'nın değerlendirilmesi, sağlıklı ve klinik popülasyonlarda motor çıktıyı şekillendirmek için motor kortikospinal nöronlara yaklaşan çok sayıda sensorimotor döngünün karmaşık katkılarını çözmek için kritik öneme sahiptir. Örneğin, prosedürel motor kontrol süreçleri üzerindeki serebellar ...

Malzemeler

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)