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Neuroscienze

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

Published: April 21, 2023
doi:
10.3791/65212
, ,
1Department of Kinesiology and Health Sciences,University of Waterloo

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 활성화시킨다. 생성된 흥분성 입력의 강도가 충분하면 하강 활동은 운동 유발 전위(MEP)로 알려진 반대쪽 근육 반응을 유도합니다. MEP의 잠복기는 코르티코운동 전도 시간(corticomotor conduction time)8을 반영한다. MEP의 진폭은 피질척수 뉴런의 흥분성을 지수화한다9. MEP를 유도하는 단일 TMS 자극은 또한 컨디셔닝 자극10,11,12에 선행될 수 있다. 이러한 쌍 펄스 패러다임은 피질 척수 출력에 대한 다양한 뉴런 풀의 영향을 색인화하는 데 사용할 수 있습니다. SAI의 경우, 말초 전기 조절 자극은 운동 피질 흥분성 11,13,14,15에 대한 구심성 발리의 영향을 조사하는 데 사용됩니다. TMS 자극과 말초 전기 자극의 상대적 타이밍은 운동 피질에 대한 TMS 자극의 작용을 운동 피질에 대한 구심성 투영의 도착과 일치시킵니다. 원위 상지 근육의 SAI의 경우 정중 신경 자극은 일반적으로 TMS 자극보다 18-24ms11,13,15,16 앞서 있습니다. 동시에, 말초 자극에 의해 유도 된 구 심성 발리의 강도가 증가함에 따라 SAI가 증가합니다13,17,18.

운동 피질에 대한 구심성 투영의 외적 특성과 강한 연관성이 있음에도 불구하고 SAI는 많은 운동 제어 과정과 관련된 가단성 현상입니다. 예를 들어, SAI는 임박한 운동 전에 작업 관련 근육에서 감소되지만(19,20,21), 인접한 작업-관련 없는 운동 표현(19,20,22)에서는 유지된다. 작업 관련성에 대한 민감도는 원치 않는 이펙터 모집을 감소시키는 것을 목표로 하는 서라운드 억제 메커니즘(23)을 반영하는 것으로 가정된다. 보다 최근에, 작업 관련 이펙터에서 SAI의 감소는 예상되는 감각 구심성(21)을 억제하고 감각 운동 계획 및 실행(24) 동안 교정을 용이하게 하도록 설계된 운동 관련 게이팅 현상을 반영할 수 있다고 제안되었습니다. 특정 기능적 역할에 관계없이, SAI는 손재주 및 처리 효율성의 감소와 상관관계가 있다25. 변경된 SAI는 또한 노인의 낙상 위험 증가와 관련이 있으며26 파킨슨병26,27,28 및 국소 손 근긴장이상29이 있는 개인의 감각 운동 기능 손상과 관련이 있습니다.

임상적 및 약리학적 증거는 SAI를 매개하는 억제 경로가 중추 콜린성 조절에 민감하다는 것을 나타낸다30. 예를 들어, 무스카린성 아세틸콜린 수용체 길항제인 스코폴라민을 투여하면 SAI31이 감소한다. 대조적으로, 아세틸콜린에스테라아제 억제제를 통해 아세틸콜린의 반감기를 증가시키면 SAI32,33이 향상됩니다. 약리학적 증거와 일관되게, SAI는 각성 34, 보상 35, 주의력 할당 21,36,37 및 기억38,39,40을 포함하여 중추 콜린성 관여와 함께 여러 인지 과정에 민감합니다. SAI는 또한 알츠하이머병 41,42,43,44,45,46,47, 파킨슨병(경도 인지 장애 포함)48,49,50 및 경도 인지 장애 47,51,52. 다양한 γ-아미노부티르산 A형(GABAA) 수용체 서브유닛 유형에 대한 차등 친화도를 갖는 다양한 벤조디아제핀에 의한 SAI의 차등 조절은 SAI 억제 경로가 다른 형태의 쌍 펄스 억제를 매개하는 경로와 구별된다는 것을 시사한다30. 예를 들어, 로라제팜은 SAI를 감소시키지만 단간격 피질 억제(SICI)를 향상시킵니다53. 졸피뎀은 SAI를 감소시키지만 SICI53에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 디아제팜은 SICI를 증가시키지만 SAI53에는 거의 영향을 미치지 않습니다. GABAA 수용체 기능의 이러한 양성 알로스테릭 조절제에 의한 SAI의 감소는 GABA가 뇌간 및 피질54에서 아세틸콜린의 방출을 조절한다는 관찰과 함께 GABA가 감각 운동 피질에 투영되는 콜린성 경로를 조절하여 SAI55에 영향을 미친다는 가설을 이끌어 냈습니다.

최근 SAI는 절차적 운동 제어 프로세스를 설정하는 감각 운동 루프와 절차적 프로세스를 명시적인 하향식 목표 및 인지 제어 프로세스에 맞추는 루프 간의 상호 작용을 조사하는 데 사용되었습니다(21,36,37,38). SAI31의 중추 콜린성 관여는 SAI가 절차적 감각 운동 제어 및 학습에 대한 집행적 영향을 색인화할 수 있음을 시사합니다. 중요하게도, 이러한 연구는 다양한 TMS 전류 방향을 사용하여 SAI를 평가함으로써 특정 감각 운동 회로에 대한 인지의 고유한 효과를 식별하기 시작했습니다. SAI 연구는 일반적으로 전후(PA) 유도 전류를 사용하는 반면, 소수의 SAI 연구만이 전후(AP) 유도 전류55를 사용했습니다. 그러나, SAI 평가 동안 PA 전류와 비교하여 AP를 유도하기 위해 TMS를 사용하는 것은 뚜렷한 감각 운동 회로를 모집한다16,56. 예를 들어, AP에 민감하지만 PA에 민감하지 않은 감각 운동 회로는 소뇌 변조37,56에 의해 변경됩니다. 또한, AP에 민감하지만 PA에 민감하지 않은 감각 운동 회로는 주의 부하(36)에 의해 변조된다. 마지막으로, 주의력과 소뇌 영향은 동일한 AP-민감성 감각 운동 회로에 수렴할 수 있으며, 이는 이들 회로(37)에서 부적응 변경을 야기할 수 있다.

TMS 기술의 발전은 단일 펄스, 쌍 펄스 및 반복 애플리케이션57,58 동안 사용되는 TMS 자극의 구성을 조작할 수 있는 추가적인 유연성을 제공합니다. 제어 가능한 펄스 파라미터 TMS(cTMS) 자극기는 현재 전 세계적으로 연구용으로 상용화되어 있으며, 이들은 펄스 폭 및 형상(57)에 대한 유연한 제어를 제공한다. 유연성 향상은 각각 TMS 자극의 개별 위상을 담당하는 두 개의 독립적인 커패시터의 방전 지속 시간을 제어함으로써 발생합니다. 자극의 이상상 또는 단상 특성은 각 커패시터의 상대적 방전 진폭, 즉 M-비라고 하는 매개변수에 의해 제어됩니다. cTMS 연구는 펄스 폭 조작과 다른 전류 방향을 결합하여 기존 TMS 자극기(70-82μs)59,60에 의해 사용되는 고정 펄스 폭이 SAI 56 동안 기능적으로 구별되는 감각 운동 회로의 혼합을 모집할 가능성이 있음을 입증했습니다. 따라서 cTMS는 감각 운동 수행 및 학습에서 다양한 수렴 감각 운동 루프의 기능적 중요성을 더욱 풀어주는 흥미로운 도구입니다.

이 원고는 감각 운동 행동 동안 말초 전기 자극을 cTMS와 통합하는 감각 운동 통합을 연구하는 독특한 SAI 접근 방식을 자세히 설명합니다. 이 접근법은 지속적인 감각 운동 행동 동안 피질 척수 출력을 제어하는 운동 피질의 선택된 뉴런 집단에 대한 구심성 투영의 효과를 평가함으로써 일반적인 SAI 접근법을 개선합니다. 비교적 새롭지만 cTMS는 전형적인 집단과 임상 집단에서 감각 운동 통합을 연구하는 데 뚜렷한 이점을 제공합니다. 또한, 현재의 접근법은 기존의 TMS 자극기와 함께 사용하고 다른 형태의 구심성 억제 및 촉진, 예를 들어 긴 잠복기 구심성 억제(LAI)13 또는 짧은 잠복기 구심성 촉진(SAF)15을 정량화하기 위해 쉽게 조정할 수 있습니다.

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 ?…

Representative Results

그림 3 은 PA120- 및 AP30-(아래 첨자는 펄스 폭을 나타냄) 유도 전류를 사용하여 감각 운동 작업 동안 FDI 근육에서 유도된 단일 참가자의 무조건 및 컨디셔닝 MEP의 예를 보여줍니다. 중간 열의 막대 그래프는 무조건 및 조건 시험에 대한 원시 평균 피크 대 피크 MEP 진폭을 보여줍니다. 오른쪽의 막대 그래프는 동일한 참가자에 대한 PA120 및 AP30 유?…

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…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

저자는 자연 과학 및 공학 연구위원회 (NSERC), 캐나다 혁신 재단 (CFI) 및 온타리오 연구 기금 (ORF)이 SKM에 수여 한 자금 지원을 인정합니다.

Materials

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)
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Graham, K. R., Hayes, K. D., Meehan, S. K. Combined Peripheral Nerve Stimulation and Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Sensorimotor Control and Learning. J. Vis. Exp. (194), e65212, doi:10.3791/65212 (2023).
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