JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Divulgaciones
Acknowledgements
Materials
Referencias
Comportamiento

Inibição intracortical dentro o córtex Motor primário pode ser modulada, alterando o foco de atenção

Published: September 11, 2017
doi:
10.3791/55771
, , ,
1Department of Medicine, Movement and Sport Sciences,University of Fribourg

Summary

Usando dois transcraniana diferentes protocolos de estimulação magnética (TMS), este manuscrito descreve como medir e comparar a inibição cortical dentro o córtex motor primário, aquando da adopção de diferentes focos de atenção.

Abstract

É bem reconhecido que um foco externo (EF) em comparação com um foco interno (IF) de atenção melhora o desempenho e a aprendizagem motora. Estudos têm indicado benefícios em precisão, equilíbrio, força de produção, saltando de desempenho, velocidade de movimento, consumo de oxigênio e cansativa tarefa. Apesar de resultados comportamentais de usar uma estratégia EF são bem explorados, os mecanismos neurais subjacentes permanecem desconhecidos. Um estudo recente da TMS em comparação a atividade do córtex motor primário (M1) entre a Fe e um IF. Mais precisamente, este estudo mostrou que, ao adotar um EF, a atividade de circuitos inibitórios intracortical é reforçada.

A nível comportamental, o presente protocolo testa a influência dos focos de atenção no tempo para falha de tarefa (TTF) ao realizar contrações submáximas do interósseo dorsal primeiro (FDI). Além disso, o papel atual descreve dois protocolos TMS para avaliar a influência das condições de atenção sobre a atividade de circuitos inibitórios corticais dentro o M1. Assim, o presente artigo descreve como usar single-pulso TMS em intensidades abaixo do limiar motor (subTMS) e TMS emparelhado-pulso, induzindo a inibição intracortical do curto intervalo (JCL) quando aplicado a M1. Como esses métodos são assumidos como refletem a capacidade de resposta dos neurônios inibitórios gabaérgica, sem ser afetado por circuitos reflexos da coluna vertebral, eles são adequados para medir a atividade de circuitos inibitórios intracortical dentro da M1.

Os resultados mostram que dirigir atenção externamente melhora o desempenho do motor, como os participantes foram capazes de prolongar o tempo de falha da tarefa. Além disso, os resultados foram acompanhados por uma maior supressão de eletromiografia induzida por subTMS e JCL aquando da adopção de uma FE em comparação com um IF. Como o nível de inibição cortical dentro o M1 foi demonstrado anteriormente para influenciar o desempenho motor, a inibição reforçada com um EF pode contribuir para a melhor eficiência de movimento observada na tarefa comportamental, indicada por um TTF prolongado com um EF.

Introduction

É hoje geralmente aceite que adotar uma FE em comparação com um IF ou neutro foco de atenção promove o desempenho motor e a aprendizagem em inúmeras configurações1. Foi demonstrado, por exemplo, que adopta uma FE leva a benefícios em precisão2,3, equilibrar a4,5,6, forçar a produção7,8, saltando o desempenho 7 , 9 , 10 , 11, movimento velocidade12, de13,de consumo de oxigênio14e fatigante tarefas15,16.

Do outro lado, desde que a ativação cerebral é a base de todos os movimentos, têm sido investigados vários aspectos do controle neural do movimento. Por exemplo, o nível e a capacidade de modular a inibição intracortical dentro o M1 mostrou ter uma forte influência na função motora, tais como coordenação interlimb17, controle postural18e destreza19. Além disso, as populações com capacidades de controle motor mais pobres do que os adultos jovens, como idosos ou crianças (nascido pré-termo.20), geralmente mostram que menos pronunciado controle inibitório. Assim, embora o papel dos processos inibitórios não é ainda bem compreendidos, inibitórios processos, no entanto, parecem ser importante para a qualidade da execução de motor em geral.

A possibilidade de investigar intracortical circuitos inibitórios é usar a estimulação magnética transcraniana invasivo (TMS). O protocolo de estimulação mais comumente usado aplica-se emparelhado-pulso TMS (ppTMS) para induzir JCL. Este protocolo utiliza um estímulo condicionado abaixo do limiar motor para reduzir a amplitude da resposta suprathreshold controle estímulo eliciada com intervalos de 1 a 5 ms21,22,23 interstimulus , 24. em seguida, relatou como a porcentagem do estímulo controle, as amplitudes dos potenciais evocados de motor (MEPs) podem ser comparadas em condições, dando informações sobre atividade inibitória cortical e modulação dentro o M1.

Outro protocolo de estimulação para avaliar a atividade de circuitos inibitórios intractortical aplica pulsos único, onde todos os estímulos são entregues em intensidades abaixo do limiar motor (ou seja, subTMS). Este protocolo induz supressão na actividade EMG em curso18,25,26. Esta supressão de EMG induzida por subTMS so-called pode ser comparado em termos de quantidade e duração. Embora este protocolo não é tão comumente usado, ele tem algumas vantagens em comparação com o protocolo padrão do JCL. Este protocolo não perturba a execução motor, como ele não induz a estímulos suprathreshold. Ambos os métodos de testar a capacidade de resposta de intracortical ácido gama – aminobutírico (GABA) interneurônios inibitórios23,27.

Apesar dos conhecidos benefícios do uso de uma FE em comparação com um IF no desempenho motor1, os processos neurais subjacentes permanecem em grande parte desconhecidos. Em um estudo de fMRI ex28, foi mostrado que ativação de (negrito) de dependentes do nível de sangue e oxigênio foi aprimorada no M1, somatossensorial, primária e córtices insulares, quando assuntos executado um dedo de sequência e adotou uma FE em comparação com um IF. Como atividade excitatória e inibitória não pode ser diferenciada por fMRI29, outro recente estudo16 estipulava que a atividade reforçada na M1 associado com um EF poderia, de fato, ser devido a maior atividade de intracortical circuitos inibitórios. Mais precisamente, este estudo mostrou que a excitabilidade dos neurônios inibitórios de gabaérgica pode ser modulada instantaneamente pelo tipo de foco de atenção adotado em uma mesma pessoa.

O principal objectivo do presente protocolo é mostrar duas maneiras possíveis para comparar os efeitos imediatos da manipulação cognitiva (ou seja, o foco das instruções de atenção) sobre a atividade de circuitos inibitórios intracortical dentro da M1. SubTMS e ppTMS são usadas. Além disso, este protocolo mostra uma maneira de explorar a influência dos focos de atenção no comportamento motor de forma muito controlada por investigar o TTF de contração isométrica submáxima do sustentado do IDE.

Protocol

este protocolo foi aprovado pelo Comitê de ética local, e as experiências estão em conformidade com a declaração de Helsinque (1964). 1. aprovação ética e instrução de assunto antes de iniciar a medição, instruir todos os participantes sobre os fatores de risco potenciais e o propósito do estudo. Não dê informações sobre os focos de atenção, como isso pode afetar os resultados. Garantir que sejam seguidas as orientações de segurança para a aplicação da TMS …

Representative Results

A influência dos focos de atenção no desempenho do Motor: Os testes comportamentais no estudo atual foram usados para provar a viabilidade da tarefa motor e identificar os temas que reagiram positivamente ao aplicar um EF. Em consonância com estudos anteriores (ver1 para uma revisão), nossos resultados mostram um TTF prolongada quando os participantes adotaram uma FE em comparação com um IF (ver <stro…

Discussion

Este protocolo mostra dois métodos possíveis para investigar a atividade dos circuitos inibitórios dentro o M1 utilizando o TMS. Mais precisamente, esses dois protocolos têm sido utilizados neste estudo para investigar o impacto dos focos de atenção sobre a atividade de circuitos inibitórios dentro o M1.

Uma limitação do método apresentado é que não é sempre possível causar uma supressão de EMG induzida por subTMS sem uma facilitação precedê-lo. Neste estudo, por exemplo, qua…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores têm sem agradecimentos.

Materials

MC3A-100 Advanced Mechanical Technologies Inc., Watertown, MA, USA – Force transducer
BlueSensor P Ambu A/S, Bellerup, Denmark – Ag/AgCl surface electrodes for EMG
Polaris Spectra Northern Digital, Waterloo, ON, Canada – neuronavigation system, active or passive markers tracker
Localite TMS Navigator Version 2.0.5 LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany – navigation system for transcranial magnetic stimulation (TMS)
MagVenture MagPro X100 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0711 Transcranial magnetic stimulator
MagVenture D-B80 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0431 TMS coil (figure of eight)
Goniometer N/A – Custom-made goniometer
Othopedic splint N/A – Custom-made splint
Recording software LabView based – Custom-made script
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referencias

  1. Wulf, G. Attentional focus and motor learning: a review of 15 years. Int Rev Sport Exerc Psychol. 6 (1), 77-104 (2012).
  2. Perkins-Ceccato, N., Passmore, S. R., Lee, T. D. Effects of focus of attention depend on golfers’ skill. J Sports Sci. 21 (8), 593-600 (2003).
  3. Marchant, D. C., Clough, J. C., Crawshaw, M. The effects of attentional focusing strategies on novice dart throwing performance and their task experiences. Int Rev Sport Exerc Psychol. 5 (3), 291-303 (2007).
  4. Oliveira, R. M., Gurd, J. M., Nixon, P., Marshall, J. C., Passingham, R. E. Micrographia in Parkinson’s disease: the effect of providing external cues. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 63 (4), 429-433 (1997).
  5. Landers, M., Wulf, G., Wallmann, H., Guadagnoli, M. An external focus of attention attenuates balance impairment in patients with Parkinson’s disease who have a fall history. Physiotherapy. 91 (3), 152-158 (2005).
  6. Wulf, G., Landers, M., Lewthwaite, R., Töllner, T. External focus instructions reduce postural instability in individuals with Parkinson disease. Phys Ther. 89 (2), 162-168 (2009).
  7. Wulf, G., Dufek, J. S. Increased jump height with an external focus due to enhanced lower extremity joint kinetics. J Mot Behav. 41 (5), 401-409 (2009).
  8. Marchant, D. C. Attentional Focusing Instructions and Force Production. Front Psychol. 1, 1-9 (2011).
  9. Wälchli, M., Ruffieux, J., Bourquin, Y., Keller, M., Taube, W. Maximizing Performance: Augmented Feedback, Focus of Attention, and/or Reward?. Med Sci Sports Exerc. 48 (4), 714-719 (2015).
  10. Keller, M., Lauber, B., Gottschalk, M., Taube, W. Enhanced jump performance when providing augmented feedback compared to an external or internal focus of attention. J Sports Sci. 33 (10), 1067-1075 (2015).
  11. Wulf, G., Dufek, J. S., Lozano, L., Pettigrew, C. Increased jump height and reduced EMG activity with an external focus. Hum Mov Sci. 29 (3), 440-448 (2010).
  12. Fasoli, S. E., Trombly, C. A., Tickle-Degnen, L., Verfaellie, M. H. Effect of instructions on functional reach in persons with and without cerebrovascular accident. Am J Occup Ther. 56 (4), 380-390 (2002).
  13. Schücker, L., Anheier, W., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. On the optimal focus of attention for efficient running at high intensity. Sport Exerc Perform Psychol. 2 (3), 207-219 (2013).
  14. Schücker, L., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. The effect of attentional focus on running economy. J Sports Sci. 27 (12), 1241-1248 (2009).
  15. Lohse, K. R., Sherwood, D. E. Defining the focus of attention: effects of attention on perceived exertion and fatigue. Front Psychol. 2, 332 (2011).
  16. Kuhn, Y. A., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Adopting an external focus of attention alters intracortical inhibition within the primary motor cortex. Acta Physiol (Oxf). , (2016).
  17. Fujiyama, H., Hinder, M. R., Schmidt, M. W., Garry, M. I., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability and inhibition during coordination of upper and lower limbs. Neurobiol Aging. 33 (7), (2012).
  18. Papegaaij, S., et al. Postural challenge affects motor cortical activity in young and old adults. Exp Gerontol. 73, 78-85 (2016).
  19. Heise, K. -. F., et al. The Aging Motor System as a Model for Plastic Changes of GABA-Mediated Intracortical Inhibition and Their Behavioral Relevance. J Neurosci. 33 (21), 9039-9049 (2013).
  20. Flamand, V. H., Nadeau, L., Schneider, C. Brain motor excitability and visuomotor coordination in 8-year-old children born very preterm. Clin Neurophysiol. 123 (6), 1191-1199 (2012).
  21. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
  22. Wassermann, E. M., et al. Responses to paired transcranial magnetic stimuli in resting, active, and recently activated muscles. Exp Brain Res. 109 (1), 158-163 (1996).
  23. Di Lazzaro, V., et al. Magnetic transcranial stimulation at intensities below active motor threshold activates intracortical inhibitory circuits. Exp Brain Res. 119 (2), 265-268 (1998).
  24. Chen, R. Interactions between inhibitory and excitatory circuits in the human motor cortex. Exp Brain Res. 154 (1), 1-10 (2004).
  25. Lauber, B., Keller, M., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Specific interpretation of augmented feedback changes motor performance and cortical processing. Exp Brain Res. 227 (1), 31-41 (2013).
  26. Lauber, B., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Time to task failure and motor cortical activity depend on the type of feedback in visuomotor tasks. PLoS One. 7 (3), e32433 (2012).
  27. Davey, N. J., Romaiguère, P., Maskill, D. W., Ellaway, P. H. Suppression of voluntary motor activity revealed using transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in man. J Physiol. 477 (2), 223-235 (1994).
  28. Zentgraf, K., et al. Neural correlates of attentional focusing during finger movements: A fMRI study. J Mot Behav. 41 (6), 535-541 (2009).
  29. Arthurs, O. J., Boniface, S. How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal?. Trends Neurosci. 25 (1), 27-31 (2002).
  30. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  31. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  32. Seifert, T., Petersen, N. C. Changes in presumed motor cortical activity during fatiguing muscle contraction in humans. Acta Physiol (Oxf). 199, 317-325 (2010).
  33. Sidhu, S. K., Cresswell, A. G., Carroll, T. J. Short-interval intracortical inhibition in knee extensors during locomotor cycling. Acta Physiol (Oxf). 207 (1), 194-201 (2013).
  34. Zuur, A. T., et al. Contribution of afferent feedback and descending drive to human hopping. J Physiol. 588 (Pt 5), 799-807 (2010).
  35. Konrad, P. . The ABC of EMG: A practical introduction to kinesiological electromyography. , (2005).
  36. Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
  37. Kojima, S., et al. Modulation of the cortical silent period elicited by single- and paired-pulse transcranial magnetic stimulation. BMC Neurosci. 14, 43 (2013).
  38. McNevin, N., Shea, C. H., Wulf, G. Increasing the distance of an external focus of attention enhances learning. Psychol Res. 67 (1), 22-29 (2003).
  39. Hummel, F. C., et al. Deficient intracortical inhibition (SICI) during movement preparation after chronic stroke. Neurology. 72 (20), 1766-1772 (2009).
  40. Mall, V., et al. Low level of intracortical inhibition in children shown by transcranial magnetic stimulation. Neuropediatrics. 35 (2), 120-125 (2004).
  41. Walther, M., et al. Maturation of inhibitory and excitatory motor cortex pathways in children. Brain Dev. 31 (7), 562-567 (2009).
  42. van de Laar, M. C., van den Wildenberg, W. P., van Boxtel, G. J., Huizenga, H. M., van der Molen, M. W. Lifespan changes in motor activation and inhibition during choice reactions: a Laplacian ERP study. Biol Psychol. 89 (2), 323-334 (2012).
  43. Papegaaij, S., Taube, W., Baudry, S., Otten, E., Hortobagyi, T. Aging causes a reorganization of cortical and spinal control of posture. Front Aging Neurosci. 6 (28), (2014).
  44. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  45. Ziemann, U., Rothwell, J. C., Ridding, M. C. Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex. J Physiol. 496 (Pt 3), 873-881 (1996).
  46. Petersen, N. T., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. J Physiol. 537 (Pt 2), 651-656 (2001).
  47. Butler, J. E., Larsen, T. S., Gandevia, S. C., Petersen, N. T. The nature of corticospinal paths driving human motoneurones during voluntary contractions. J Physiol. 584 (Pt 2), 651-659 (2007).
  48. Ortu, E., Deriu, F., Suppa, A., Tolu, E., Rothwell, J. C. Effects of volitional contraction on intracortical inhibition and facilitation in the human motor cortex. J Physiol. 586 (21), 5147-5159 (2008).
  49. Roy, F. D. Suppression of EMG activity by subthreshold paired-pulse transcranial magnetic stimulation to the leg motor cortex. Exp Brain Res. 193 (3), 477-482 (2009).
  50. Di Lazzaro, V., et al. Direct demonstration of the effect of lorazepam on the excitability of the human motor cortex. Clin Neurophysiol. 111 (5), 794-799 (2000).
  51. Classen, J., Benecke, R. Inhibitory phenomena in individual motor units induced by transcranial magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 97 (5), 264-274 (1995).
  52. Binkofski, F., et al. Neural activity in human primary motor cortex areas 4a and 4p is modulated differentially by attention to action. J Neurophysiol. 88 (1), 514-519 (2002).
  53. Strafella, A. P., Paus, T. Cerebral blood-flow changes induced by paired-pulse transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. J Neurophysiol. 85 (6), 2624-2629 (2001).
  54. Hunter, S. K., McNeil, C. J., Butler, J. E., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Short-interval cortical inhibition and intracortical facilitation during submaximal voluntary contractions changes with fatigue. Exp Brain Res. 234 (9), 2541-2551 (2016).
  55. Zimmermann, K., et al. Neural Correlates of Switching Attentional Focus during Finger Movements: An fMRI Study. Front Psychol. 3 (555), (2012).

Tags

Intracortical InhibitionPrimary Motor CortexAttentional FocusTranscranial Magnetic StimulationSubTMSSICIMotor PerformanceInhibitory CircuitsGABAergicMaximal Voluntary ContractionsForce Transducer

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artículo
Kuhn, Y., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Intracortical Inhibition Within the Primary Motor Cortex Can Be Modulated by Changing the Focus of Attention. J. Vis. Exp. (127), e55771, doi:10.3791/55771 (2017).
Descargar cita
Reimpresiones y permisos

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image