Beoordeling van corticospinale prikkelbaarheid tijdens doelgericht bereikgedrag

Doelgericht bereiken is een fundamenteel motorisch gedrag dat mensen in staat stelt om te communiceren met en de externe omgeving te manipuleren. De studie van het bereiken op het gebied van motorfysiologie, psychologie en neurowetenschappen heeft rijke en uitgebreide literatuur opgeleverd die een verscheidenheid aan methodologieën omvat. Vroege studies naar het bereiken gebruikten directe neurale opnames bij niet-menselijke primaten om neurale activiteit op het niveau van enkele neuronen te onderzoeken ^1,2. Meer recente studies hebben onderzoek gedaan naar het bereiken van gedragsparadigma’s die sensomotorische aanpassing gebruiken om de aard van motorisch leren en controle te onderzoeken ^3,4,5. Dergelijke gedragstaken in combinatie met functionele magnetische resonantie beeldvorming en elektro-encefalografie kunnen de hele hersenactiviteit meten tijdens het bereiken bij mensen ^6,7. Andere studies hebben online TMS toegepast om verschillende kenmerken van bereikvoorbereiding en uitvoering te onderzoeken 8,9,10,11,12,13,14. Er blijft echter behoefte aan een open-source en flexibele aanpak die de gedragsbeoordeling van bereiken combineert met TMS. Hoewel het nut van het combineren van TMS met gedragsprotocollen zeer goed ingeburgerd is¹⁵, onderzoeken we hier specifiek de toepassing van TMS in de context van het bereiken met behulp van een open-source benadering. Dit is nieuw omdat andere groepen die met deze combinatie van methoden hebben gepubliceerd, hun tools niet direct beschikbaar hebben gesteld, waardoor directe replicatie wordt verboden. Deze open-source benadering vergemakkelijkt replicatie, het delen van gegevens en de mogelijkheid van multi-site studies. Bovendien, als anderen nieuwe onderzoeksvragen willen nastreven met vergelijkbare tools, kan de open-sourcecode fungeren als een lanceerplatform voor innovatie, omdat het gemakkelijk kan worden aangepast.

TMS biedt een niet-invasieve manier om het motorsysteem op nauwkeurig geregelde tijdstippen te onderzoeken¹⁶. Wanneer tms over de primaire motorische cortex (M1) wordt aangebracht, kan het een meetbare afbuiging in het elektromyogram van een gerichte spier veroorzaken. De amplitude van deze spanningsgolf, bekend als de motor evoked potential (MEP), biedt een index van de kortstondige prikkelbaarheidstoestand van de corticospinale (CS) pathway – een resulterend analoog van alle exciterende en remmende invloeden op de CS-route¹⁷. Naast het bieden van een betrouwbare interne meting van intrinsieke CS-exciteerbaarheid, kan TMS worden gecombineerd met andere gedrags- of kinematische metrieken om de relaties tussen CS-activiteit en gedrag op een temporeel precieze manier te onderzoeken. Veel studies hebben een combinatie van TMS en elektromyografie (EMG) gebruikt om een verscheidenheid aan vragen over het motorische systeem te beantwoorden, vooral omdat deze combinatie van methoden het mogelijk maakt om EP-leden te onderzoeken onder een breed scala aan gedragsomstandigheden¹⁵. Een gebied waar dit bijzonder nuttig is gebleken, is in de studie van actievoorbereiding, meestal door de studie van bewegingen met één gewricht¹⁸. Er zijn echter relatief minder TMS-studies van naturalistische multi-gewrichtsbewegingen zoals reiken.

Het huidige doel was om een vertraagde respons bereikende taak te ontwerpen die gedragskinematica, online tms-administratie met één puls en gelijktijdige EMG-opname van meerdere spieren omvat. De taak omvat een tweedimensionaal point-to-point bereikend paradigma met online visuele feedback met behulp van een horizontaal georiënteerde monitor, zodat visuele feedback overeenkomt met bereiktrajecten (d.w.z. een 1: 1-relatie tijdens veridical feedback en geen transformatie tussen visuele feedback en beweging). Het huidige ontwerp omvat ook een reeks proeven met een visuomotorische verstoring. In het gegeven voorbeeld is dit een rotatieverschuiving van 20° in de cursorfeedback. Eerdere studies hebben een vergelijkbaar bereikend paradigma gebruikt om vragen te beantwoorden over de mechanismen en berekeningen die verband houden met sensomotorische aanpassing 19,20,21,22,23,24,25. Bovendien maakt deze aanpak het mogelijk om de prikkelbaarheidsdynamiek van het motorische systeem op precieze tijdstippen tijdens online motorisch leren te beoordelen.

Omdat bereiken een vruchtbaar gedrag is gebleken voor het onderzoeken van leren / aanpassing, heeft het beoordelen van cs-prikkelbaarheid in de context van dit gedrag een enorm potentieel om licht te werpen op de neurale substraten die betrokken zijn bij dit gedrag. Deze kunnen lokale remmende invloeden, veranderingen in afstemmingseigenschappen, de timing van neurale gebeurtenissen, enz. Omvatten, zoals is vastgesteld in niet-menselijk onderzoek naar primaten. Deze kenmerken zijn echter moeilijker te kwantificeren bij mensen en klinische populaties. Neurale dynamica kan ook worden onderzocht in de afwezigheid van openlijke beweging bij mensen met behulp van de gecombineerde TMS- en EMG-benadering (d.w.z. tijdens de voorbereiding van beweging of in rust).

De gepresenteerde tools zijn open-source en de code is gemakkelijk aan te passen. Dit nieuwe paradigma zal belangrijke inzichten opleveren in de mechanismen die betrokken zijn bij de voorbereiding, uitvoering, beëindiging en aanpassing van het bereiken van bewegingen. Bovendien heeft deze combinatie van methoden het potentieel om relaties tussen elektrofysiologie en bereikgedrag bij mensen bloot te leggen.