Hedefe Yönelik Ulaşma Davranışı Sırasında Kortikospinal Uyarılabilirliğin Değerlendirilmesi
Summary
Ulaşmak, insanların çevre ile etkileşime girmesini sağlayan temel bir beceridir. Birçok çalışma, çeşitli metodolojiler kullanarak ulaşma davranışını karakterize etmeyi amaçlamıştır. Bu makale, görev performansına ulaşırken insanlarda kortikospinal uyarılabilirlik durumunu değerlendirmek için transkraniyal manyetik stimülasyonun açık kaynaklı bir uygulamasını sunmaktadır.
Abstract
Ulaşmak, motor fizyoloji ve sinirbilim araştırmalarında yaygın olarak çalışılan bir davranıştır. Erişim, çeşitli davranışsal manipülasyonlar kullanılarak incelenmiş olsa da, erişim planlaması, yürütme ve kontrolünde yer alan sinirsel süreçlerin anlaşılmasında önemli boşluklar vardır. Burada açıklanan yeni yaklaşım, iki boyutlu bir ulaşma görevini, transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) ve çoklu kaslardan eşzamanlı elektromiyografi (EMG) kaydı ile birleştirir. Bu yöntem, ulaşan hareketlerin ortaya çıkması sırasında kesin zaman noktalarında kortikospinal aktivitenin noninvaziv tespitine izin verir. Örnek görev kodu, orta çizgiden 45° uzakta görüntülenen iki olası hedefe sahip gecikmeli yanıt ± görevi içerir. Tek darbeli TMS, görev denemelerinin çoğunda, hazırlık ipucunun başlangıcında (başlangıç) veya zorunlu ipucundan (gecikme) 100 ms önce teslim edilir. Bu örnek tasarım, erişim hazırlığı sırasında kortikospinal uyarılabilirlikteki değişiklikleri araştırmak için uygundur. Örnek kod ayrıca, erişim hazırlığı sırasında adaptasyonun kortikospinal uyarılabilirlik üzerindeki etkilerini araştırmak için bir visuomotor pertürbasyon (yani, ± 20 ° ‘lik imleç rotasyonu) içerir. Görev parametreleri ve TMS dağıtımı, ulaşma davranışı sırasında motor sistemin durumu hakkındaki belirli hipotezleri ele almak için ayarlanabilir. İlk uygulamada, TMS denemelerinin% 83’ünde motor uyarılmış potansiyeller (MEP’ler) başarıyla elde edildi ve tüm denemelerde erişim yörüngeleri kaydedildi.
Introduction
Hedefe yönelik erişim, insanların dış çevreyle etkileşime girmesini ve manipüle etmesini sağlayan temel bir motor davranıştır. Motor fizyolojisi, psikoloji ve sinirbilim alanlarına ulaşma çalışması, çeşitli metodolojileri içeren zengin ve kapsamlı literatür üretmiştir. Ulaşmanın erken çalışmaları, tek nöronlar düzeyinde nöral aktiviteyi araştırmak için insan olmayan primatlarda doğrudan nöral kayıtlar kullandı 1,2. Daha yeni çalışmalar, motor öğrenmenin doğasını keşfetmek ve kontroletmek için sensorimotor adaptasyonu kullanan davranışsal paradigmaları kullanarak ulaşmayı araştırmıştır 3,4,5. Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme ve elektroensefalografi ile birleştirilen bu tür davranışsal görevler, insanlarda ulaşma sırasında tüm beyin aktivitesini ölçebilir 6,7. Diğer çalışmalar, erişim hazırlama ve yürütmenin çeşitli özelliklerini araştırmak için çevrimiçi TMS’yi uygulamıştır 8,9,10,11,12,13,14. Bununla birlikte, TMS ile ulaşmanın davranışsal değerlendirmesini birleştiren açık kaynaklı ve esnek bir yaklaşıma ihtiyaç vardır. TMS’yi davranışsal protokollerle birleştirmenin faydası çok iyi kurulmuş olsa da15, burada TMS’nin uygulanmasını açık kaynaklı bir yaklaşım kullanarak ulaşma bağlamında özel olarak inceliyoruz. Bu, bu yöntem kombinasyonunu kullanarak yayın yapan diğer grupların, araçlarını doğrudan çoğaltmayı yasaklayan hazır hale getirmedikleri için yenidir. Bu açık kaynaklı yaklaşım çoğaltmayı, veri paylaşımını ve çok siteli çalışma olasılığını kolaylaştırır. Ek olarak, başkaları benzer araçlarla yeni araştırma sorularını takip etmek isterlerse, açık kaynak kodu, kolayca uyarlanabildiği için inovasyon için bir fırlatma rampası görevi görebilir.
TMS, motor sistemini hassas bir şekilde kontrol edilen zaman noktalarında16 problamak için invaziv olmayan bir araç sunar. Birincil motor korteks (M1) üzerine uygulandığında, TMS hedeflenen bir kasın elektromiyogramında ölçülebilir bir sapma ortaya çıkarabilir. Motor uyarılmış potansiyel (MEP) olarak bilinen bu voltaj dalgasının genliği, kortikospinal (CS) yolun anlık uyarılabilirlik durumunun bir indeksini sağlar – CS yolu17 üzerindeki tüm uyarıcı ve inhibitör etkilerin bir analoğu. TMS, içsel CS uyarılabilirliğinin güvenilir bir denek içi ölçümünü sağlamanın yanı sıra, CS aktivitesi ve davranış arasındaki ilişkileri geçici olarak kesin bir şekilde araştırmak için diğer davranışsal veya kinematik metriklerle birleştirilebilir. Birçok çalışma, motor sistemle ilgili çeşitli soruları ele almak için TMS ve elektromiyografinin (EMG) bir kombinasyonunu kullanmıştır, özellikle de bu yöntem kombinasyonu, MEP’leri çok çeşitli davranışsal koşullar altında araştırmayı mümkünkıldığından15. Bunun özellikle yararlı olduğu kanıtlanan bir alan, çoğunlukla tek eklemli hareketlerin incelenmesi yoluyla eylem hazırlığı çalışmasıdır18. Bununla birlikte, natüralist çok eklemli hareketlere ulaşma gibi TMS çalışmaları nispeten daha azdır.
Mevcut amaç, davranışsal kinematik, çevrimiçi tek darbeli TMS uygulaması ve birden fazla kastan eşzamanlı EMG kaydını içeren gecikmeli bir yanıt ulaşma görevi tasarlamaktı. Görev, yatay olarak yönlendirilmiş bir monitör kullanarak çevrimiçi görsel geri bildirimle iki boyutlu bir noktadan noktaya ulaşma paradigması içerir, böylece görsel geri bildirim eşleşmeleri erişim yörüngelerine ulaşır (yani, gerçek geri bildirim sırasında 1: 1 ilişki ve görsel geri bildirim ile hareket arasında dönüşüm olmaz). Mevcut tasarım ayrıca visuomotor pertürbasyonlu bir dizi deneme içerir. Verilen örnekte bu, imleç geri bildiriminde 20° dönme kaymasıdır. Önceki çalışmalar, sensorimotor adaptasyon 19,20,21,22,23,24,25 ile ilişkili mekanizmalar ve hesaplamalar hakkındaki soruları ele almak için benzer bir erişim paradigması kullanmıştır. Ayrıca, bu yaklaşım, çevrimiçi motor öğrenimi sırasında motor sistemi uyarılabilirlik dinamiklerini hassas zaman noktalarında değerlendirmeyi mümkün kılar.
Ulaşmanın öğrenme/adaptasyonu araştırmak için verimli bir davranış olduğu kanıtlandığından, bu davranış bağlamında CS uyarılabilirliğini değerlendirmek, bu davranışlarda yer alan nöral substratlara ışık tutmak için muazzam bir potansiyele sahiptir. Bunlar, insan dışı primat araştırmalarında tespit edildiği gibi, lokal inhibitör etkileri, ayar özelliklerindeki değişiklikleri, nöral olayların zamanlamasını vb. İçerebilir. Bununla birlikte, bu özelliklerin insanlarda ve klinik popülasyonlarda ölçülmesi daha zor olmuştur. Nöral dinamikler, insanlarda açık hareketin yokluğunda, kombine TMS ve EMG yaklaşımı kullanılarak (yani, hareketin hazırlanması veya istirahat halinde) de araştırılabilir.
Sunulan araçlar açık kaynaklıdır ve kod kolayca uyarlanabilir. Bu yeni paradigma, erişim hareketlerinin hazırlanması, yürütülmesi, sonlandırılması ve uyarlanmasında yer alan mekanizmalar hakkında önemli bilgiler üretecektir. Dahası, bu yöntem kombinasyonu, elektrofizyoloji ile insanlarda davranışa ulaşma arasındaki ilişkileri ortaya çıkarma potansiyeline sahiptir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda özetlenen yöntemler, davranışlara ulaşma bağlamında motor hazırlığı incelemek için yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Ulaşmak, motor kontrol ve öğrenme çalışmasında popüler bir model görevi temsil etse de, davranışa ulaşma ile ilişkili CS dinamiklerini tam olarak değerlendirmeye ihtiyaç vardır. TMS, ulaşma sırasında ayrı zaman noktalarında CS aktivitesini yakalamak için invaziv olmayan, geçici olarak hassas bir yöntem sunar. Burada açıklanan yaklaşım, iki …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma kısmen Knight Campus Lisans Bursiyerleri programının ve Phil ve Penny Knight Vakfı’nın cömert finansmanıyla mümkün olmuştur.
Materials
| 2-Port Native PCI Express | StarTech.com | RS232 Card with 16950 UART | Must be compatible with desktop computer |
| Adjustable 80-20 aluminum frame | any | ||
| Alcohol prep pads | any | EMG preparation | |
| Bagnoli Bipolar Electrodes | Delsys | DE 2.1 | |
| Bagnoli Reference Electrode | Delsys | USX2000 | 2” (5cm) Round |
| Bagnoli-8 EMG System | Delsys | ||
| Chair | any | ||
| Computer monitor for EMG/TMS | n/a | ||
| Desk | any | ||
| Desktop Computer | Dell | xps 8930 | RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB |
| EMG electrodes | Delsys | Sensor Adhesive Interface | |
| Fine grain sandpaper | any | EMG preparation | |
| Graphics tablet | Wacom | Intuos-4 XL | |
| Handle of paint roller | any | to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside | |
| Medical tape | any | To secure EMG electrodes | |
| PCI-6220 card DAQ | National Instruments | To interface EMG system | |
| Photodiode Sensor | Vishay | BPW21R | To record timing of task events into EMG trace. |
| Rear TMS port | Magstim | Included with TMS machine | |
| Right-handed polyethylene glove | any | Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle | |
| Sensory Adhesive Interface, 2-slot | Delsys | SC-F01 | |
| Stylus | Wacom | Intuos-4 grip pen | |
| Tablet-to-Computer USB cable | any | Included in Tablet purchase | |
| Task Monitor | Asus | VG248 | |
| TMS coil | Magstim | D70 Remote Coil | 7cm diameter, figure-of-eight coil |
| TMS machine | Magstim | 200-2 | |
| TMS-to-Computer DB9 cable | any | Connects to PCIe Serial Card | |
| Velcro | any | To be placed on glove and stylus handle |
Referências
- Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T. On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex. The Journal of Neuroscience. 2 (11), 1527-1537 (1982).
- Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).
- Kim, H. E., Morehead, J. R., Parvin, D. E., Moazzezi, R., Ivry, R. B. Invariant errors reveal limitations in motor correction rather than constraints on error sensitivity. Communications Biology. 1, 19 (2018).
- Huberdeau, D. M., Krakauer, J. W., Haith, A. M. Dual-process decomposition in human sensorimotor adaptation. Current Opinion in Neurobiology. 33, 71-77 (2015).
- Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control. Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 89-108 (2010).
- Filimon, F., Nelson, J. D., Hagler, D. J., Sereno, M. I. Human cortical representations for reaching: Mirror neurons for execution, observation, and imagery. NeuroImage. 37 (4), 1315-1328 (2007).
- Hammon, P. S., Makeig, S., Poizner, H., Todorov, E., de Sa, V. R. Predicting reaching targets from human EEG. IEEE Signal Processing Magazine. 25 (1), 69-77 (2008).
- Busan, P., et al. Effect of transcranial magnetic stimulation (TMS) on parietal and premotor cortex during planning of reaching movements. PloS One. 4 (2), 4621 (2009).
- Busan, P., et al. Transcranial magnetic stimulation and preparation of visually-guided reaching movements. Frontiers in Neuroengineering. 5, 18 (2012).
- Lega, C., et al. The topography of visually guided grasping in the premotor cortex: a dense-transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping study. The Journal of Neuroscience. 40 (35), 6790-6800 (2020).
- Marigold, D. S., Lajoie, K., Heed, T. No effect of triple-pulse TMS medial to intraparietal sulcus on online correction for target perturbations during goal-directed hand and foot reaches. PloS One. 14 (10), 0223986 (2019).
- Savoie, F. -. A., Dallaire-Jean, L., Thenault, F., Whittingstall, K., Bernier, P. -. M. Single-pulse TMS over the parietal cortex does not impair sensorimotor perturbation-induced changes in motor commands. eNeuro. 7 (2), (2020).
- Taga, M., et al. Motor adaptation and internal model formation in a robot-mediated forcefield. Psychoradiology. 1 (2), 73-87 (2021).
- Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
- 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. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1110 (2015).
- Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Boyd, S., Marsden, C. D. Stimulation of the human motor cortex through the scalp. Experimental Physiology. 76 (2), 159-200 (1991).
- Bestmann, S., Duque, J. Transcranial magnetic stimulation: decomposing the processes underlying action preparation. The Neuroscientist. 22 (4), 392-405 (2016).
- Kim, H. E., Avraham, G., Ivry, R. B. The psychology of reaching: action selection, movement implementation, and sensorimotor learning. Annual Review of Psychology. 72 (1), 61-95 (2021).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Explicit and implicit processes constitute the fast and slow processes of sensorimotor learning. The Journal of Neuroscience. 35 (26), 9568-9579 (2015).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Implications of plan-based generalization in sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 383-393 (2017).
- McDougle, S. D., Ivry, R. B., Taylor, J. A. Taking aim at the cognitive side of learning in sensorimotor adaptation tasks. Trends in Cognitive Sciences. 20 (7), 535-544 (2016).
- Morehead, J. R., Qasim, S. E., Crossley, M. J., Ivry, R. Savings upon re-aiming in visuomotor adaptation. The Journal of Neuroscience. 35 (42), 14386-14396 (2015).
- Taylor, J. A., Krakauer, J. W., Ivry, R. B. Explicit and implicit contributions to learning in a sensorimotor adaptation task. The Journal of Neuroscience. 34 (8), 3023-3032 (2014).
- Tsay, J. S., Kim, H. E., Parvin, D. E., Stover, A. R., Ivry, R. B. Individual differences in proprioception predict the extent of implicit sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 125 (4), 1307-1321 (2021).
- Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
- Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability. Neurociência. 320, 205-209 (2016).
- Koch, G., et al. Functional interplay between posterior parietal and ipsilateral motor cortex revealed by twin-coil transcranial magnetic stimulation during reach planning toward contralateral space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
- Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments. (156), e60706 (2020).
