JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Deutsch

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Intracortical Hemmung innerhalb der primären motorischen Kortex kann moduliert werden, indem Sie ändern den Fokus der Aufmerksamkeit

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

Summary

Mit zwei verschiedenen transkranielle Magnetstimulation (TMS) Protokolle, beschreibt dieses Manuskript messen und vergleichen kortikalen Hemmung innerhalb der primären motorischen Kortex bei unterschiedliche Aufmerksamkeits Schwerpunkten der Annahme.

Abstract

Es wird gut erkannt, dass eine externe Ausrichtung (EF) im Vergleich mit einer Innenfokussierung (IF) Aufmerksamkeit motorischen Lernens und Leistung verbessert. Studien haben gezeigt, dass Vorteile in Genauigkeit, Gleichgewicht, Produktion, springen, Leistung, Geschwindigkeit, Sauerstoffverbrauch und ermüdenden Aufgabe zwingen. Obwohl Verhaltens Ergebnisse mit einer EF-Strategie gut erforscht sind, sind die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen unbekannt. Eine aktuelle TMS Studie verglich die Aktivität des primären motorischen Kortex (M1) zwischen einem EF und einer IF. Genauer gesagt, zeigte diese Studie, dass bei der Annahme einer EF die Aktivität von intracortical hemmenden Schaltungen verstärkt wird.

Auf der Verhaltensebene testet dieses Protokolls den Einfluss der Aufmerksamkeits Brennpunkte pünktlich zum Aufgabe scheitern (TTF) bei submaximalen Kontraktionen der ersten dorsalen Membrana (ADI). Das aktuelle Papier beschreibt darüber hinaus zwei TMS-Protokolle, um die Bewertung des Einflusses der Aufmerksamkeits Bedingungen über die Tätigkeit der kortikalen hemmenden Schaltungen in der M1. Der vorliegende Artikel beschreibt also, wie Single-Puls TMS bei Intensitäten unterhalb der motorischen Schwelle (SubTMS) und gepaart-Puls TMS, kurze Intervall intracortical Hemmung (SICI) induzieren, angewandt auf die M1 verwendet. Da diese Methoden angenommen werden, um die Reaktionsfähigkeit der GABAergen hemmenden Neuronen, ohne Beeinträchtigung durch spinale reflex Schaltungen zu reflektieren, sind sie gut geeignet zur Messung der Aktivität von intracortical hemmenden Schaltungen innerhalb der M1.

Die Ergebnisse zeigen, dass Lenkung der Aufmerksamkeit nach außen verbessert die Motorleistung, wie Teilnehmer die Zeit zum Aufgabe scheitern zu verlängern konnten. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse durch eine größere SubTMS-induzierten Elektromyographie Unterdrückung und SICI begleitet, bei der Annahme einer im Vergleich zu einer IF EF. Wie das Niveau der kortikalen Hemmung innerhalb der M1 zuvor zeigte, um Motorleistung zu beeinflussen, die verstärkte Hemmung mit einer EF könnte tragen zur besseren Bewegung Effizienz beobachtet in der Verhaltenstherapie Aufgabe, angezeigt durch eine verlängerte TTF mit einem EF.

Introduction

Es ist jetzt allgemein anerkannt, dass die Annahme einer EF im Vergleich zu einer IF oder neutralen Fokus der Aufmerksamkeit fördert die motorische Leistung und lernen in zahlreichen Einstellungen1. Es wurde nachgewiesen, zum Beispiel, dass die Annahme einer EF Anspruch auf Genauigkeit2,3 führt,4,5,6balance, Produktion7,8, springen Leistung erzwingen 7 , 9 , 10 , 11, Bewegung Geschwindigkeit12Sauerstoff Verbrauch13,14und ermüdenden Aufgaben15,16.

Auf der anderen Seite da Gehirn Aktivierung die Grundlage aller Bewegungen ist, wurden verschiedene Aspekte der neuronalen Steuerung der Bewegung untersucht. Zum Beispiel das Niveau und die Fähigkeit zu modulieren, intracortical Hemmung innerhalb der M1 nachweislich einen starken Einfluss auf Motorik, z. B. interlimb Koordinierung17posturale Kontrolle18und Geschicklichkeit19haben. Darüber hinaus zeigen Populationen mit ärmeren motor-Control-Fähigkeiten als junge Erwachsene, wie z.B. ältere Patienten oder Kinder (geboren Frühgeborenen20), in der Regel weniger ausgeprägt inhibitorischen Kontrolle. So zwar nicht die Rolle der hemmenden Prozesse scheinen noch gut verstanden, hemmenden Prozesse dennoch für wichtig, die Qualität der motorischen Ausführung im Allgemeinen.

Eine Möglichkeit, intracortical hemmende Schaltungen zu untersuchen ist, nicht-invasive transkranielle Magnetstimulation (TMS) zu verwenden. Die am häufigsten verwendeten Stimulation Protokoll gilt gepaart-Puls TMS (PpTMS), SICI induzieren. Dieses Protokoll verwendet einen Klimaanlage Reiz unterhalb der motorischen Schwelle zur Verringerung der Amplitude der überschwelliger Reiz Regelverhalten löste im interstimulus Abstand von 1-5 ms-21,22,23 , 24. dann, als der Prozentsatz des Stimulus Kontrolle gemeldet, die Amplituden der Motor-evozierten Potentialen (MEP) verglichen werden können über Bedingungen, geben Informationen zu kortikalen hemmenden Aktivität und Modulation innerhalb der M1.

Eine weitere Anregung Protokoll zu beurteilen, die Aktivität von Intractortical hemmenden Schaltungen gilt Einzelimpulse, wo alle Reize bei Intensitäten unterhalb der motorischen Schwelle (z.B. SubTMS) geliefert werden. Dieses Protokoll induziert Unterdrückung in der laufenden EMG Aktivität18,25,26. Diese so genannte SubTMS-induzierten EMG Unterdrückung kann in Bezug auf Höhe und Dauer verglichen werden. Obwohl dieses Protokoll nicht so häufig verwendet wird, hat es gewisse Vorteile im Vergleich zu dem Standardprotokoll SICI. Dieses Protokoll stört nicht motor Ausführung, da es kein überschwelligen Reize auslösen wird. Beide Methoden testen die Reaktionsfähigkeit der intracortical Gamma – Aminobuttersäure (GABA) hemmende Interneurone23,27.

Trotz der bekannten Vorteile der Verwendung einer EF im Vergleich zu einer IF auf Motorleistung1bleiben die zugrunde liegenden neuronalen Prozesse weitgehend unbekannt. In einem ehemaligen fMRI Studie28zeigte sich, dass Blutsauerstoff pegelabhängig (BOLD) Aktivierung in der M1, PV somatosensorischen, erweitert wurde und insular Cortex Ausführung Themen einen Finger Sequenz und eine im Vergleich zu einer IF EF verabschiedet. Wie exzitatorischen und inhibitorischen Aktivität von fMRI29unterscheiden lassen, bestimmt eine weitere aktuelle Studie16 , dass die verstärkte Aktivität im Zusammenhang mit einem EF M1 in der Tat, wegen der verstärkten Aktivität des intracortical sein könnte, hemmenden Schaltungen. Genauer gesagt, zeigte diese Studie, dass die Erregbarkeit der inhibitorischen GABAergen Neuronen sofort durch die Art der Aufmerksamkeits Fokus in ein und derselben Person angenommen moduliert werden kann.

Das Hauptziel dieses Protokolls ist, zeigen zwei Möglichkeiten, die unmittelbaren Auswirkungen der kognitiven Manipulation (d. h. Fokus der Aufmerksamkeit Anweisungen) vergleichen auf die Aktivität des intracortical hemmenden Schaltungen in der M1. SubTMS und PpTMS werden beide verwendet. Darüber hinaus zeigt dieses Protokoll eine Möglichkeit, den Einfluss der Aufmerksamkeits Brennpunkte auf motor Verhalten sehr kontrolliert zu erkunden, durch die Untersuchung der TTF submaximalen isometrische anhaltende Kontraktion der ausländischen Direktinvestitionen.

Protocol

dieses Protokoll von der örtlichen Ethikkommission genehmigt wurde, und die Experimente sind in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki (1964). 1. ethische Genehmigung und Thema Anleitung vor Beginn der Messung, weisen alle Teilnehmer über die Risikofaktoren und den Zweck der Studie. Geben Sie Informationen über die Aufmerksamkeits Herde nicht, wie dies die Ergebnisse auswirken kann. Sicherzustellen, dass die Sicherheits-Richtlinien für die Anwendung von TMS in Forsch…

Representative Results

Der Einfluss der Aufmerksamkeits Brennpunkte auf Motorleistung: Die behavioral Tests in der aktuellen Studie wurden verwendet, um die Machbarkeit der motorischen Aufgabe zu beweisen und die Themen zu identifizieren, die positiv reagiert die Beantragung eine EF. Im Einklang mit früheren Studien (siehe1 für eine Überprüfung), unsere Ergebnisse zeigen eine verlängerte TTF als Teilnehmer einer im Vergleich …

Discussion

Dieses Protokoll zeigt zwei Möglichkeiten, die Aktivität der hemmenden Schaltungen innerhalb der M1 mit TMS zu untersuchen. Genauer gesagt, haben diese beiden Protokolle in dieser Studie untersuchen die Auswirkungen der Aufmerksamkeits Herde über die Tätigkeit der hemmenden Schaltungen in der M1 verwendet worden.

Eine Einschränkung der vorgestellten Methode ist, dass es nicht immer möglich, eine SubTMS-induzierten EMG Unterdrückung ohne eine vorhergehende Moderation zu verursachen. In d…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren haben keine Bestätigungen.

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

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image