人类运动前皮质脊髓的预测从事汽车准备在离散时间间隔:TMS-Induced虚拟损伤研究

介绍

人体运动系统由不同的初级(M1)和非主运动区(NPMA) (拉斯穆森和潘菲尔德,1947年)。而M1包含著名的锥体神经元层五,因而被称为区锥体,更多的吻侧NPMAs进行所谓的过渡形式摘要锥体束外的(福斯特把1936)。这导致了M1的理解几乎完全的皮质脊髓的来源与单突触的连接脊髓α运动神经元预测,特别是手的肌肉(沃格特和沃格特,1926年;旭密林et al ., 2008)。Corticofugal预测起源于人类NPMAs被认为主要是由脑干通路,即。,reticulospinal大片,最终投射到脊髓中间神经元,只有一些皮质脊髓运动神经元目标更近躯干的肌肉组织(劳伦斯和kuyper, 1968年;Freund Hummelsheim, 1985)。然而,结果表明,NPMAs也包含直接皮质脊髓的运动预测远端肌肉(Teitti et al ., 2008)。我们能够证明这些预测部分起源于pre-motor皮层(PMC) (她et al ., 2013)。然而,这些预测的功能意义还有待阐明。

完善,PMC的解剖和功能嵌入到中心frontoparietal汽车网络(拉什沃斯et al ., 2003)。此外明白,它集成了空间信息和音乐即将到来的主要运动区运动(Thoenissen et al ., 2002;Praamstra et al ., 2009)。支持这一假设的研究发现PMC病变与错误在时间和空间的编码有关的运动(仅有1966)。它可以被假定pre-motor皮质脊髓的预测将在人类早期的目标定向运动行为。然而,另一方面,这些预测可能是从事一样M1皮质脊髓的预测,而不是构成不同的实体。

本研究旨在阐明PMC皮质脊髓的预测的意义。虚拟病变引起的经颅磁刺激(TMS)可以用来暂时中断正在进行的活动感兴趣的区域,从而有助于了解,如果应用在不同的时间间隔,当它涉及到一个任务(帕斯卡- et al ., 1999)。我们结合了虚拟损伤能力的经颅磁刺激与导航技术来区分M1的参与和PMC皮质脊髓的预测运动与时间和空间分辨率高的任务。排除一个未指明的中断的任务执行额叶刺激,我们还执行背外侧前额叶皮层刺激控制条件。

材料和方法

所有程序涉及人类参与者进行按照道德标准的制度研究委员会和1964年赫尔辛基宣言及其后来的修正案。正式的机构审查委员会的同意。

参与者和设计

十个健康受试者自愿参加本研究(4女,平均年龄24±2年,1左撇子)。所有科目给书面知情同意在任何数据获得和参与者自由退出没有理由在任何时间。手性是由爱丁堡偏手性确认库存。详细的病史是排除了神经或精神疾病和植入电子设备或铁磁金属的存在。

实验过程是分开的两部分,以避免疲劳的影响。第一次会议期间,M1和PMC刺激热点被映射(见部分识别M1和PMC刺激热点)和存储作为特种加工虚拟目标病变感应在随后的实验会话(见部分任务和虚拟病变感应电动机)。会议都是在早上进行,以避免干扰生理波动皮质脊髓的兴奋性。

导航经颅磁刺激

个体结构磁共振成像(3 d-mprage矩阵256×256,180矢状切片,体素1毫米大小³在通用电气3特斯拉扫描仪)。主题的头被一个infrared-based跟踪stereotactical系统和带进共同注册的磁共振成像使用三角系统解剖口口相传地标(双边耳屏,鼻根)以及随后的九分表面登记。eXimia系统计算强度、位置和方向的电场刺激皮层组织基于动态,实时调整球面模型,这需要个人头的大小和形状以及考虑到刺激的物理参数(Ilmoniemi et al ., 1999)。经颅磁刺激脉冲被交付通过一个eXimia TMS刺激器连接到一个焦点单相8字形线圈(70毫米外径)(Nexstim,芬兰赫尔辛基)。特种加工的精度被认为是与术中皮质直接刺激(Picht et al ., 2009)。表面电极在第一背侧骨间的连接(FDI)的手,使用belly-tendon蒙太奇。为特定的分离电势另外记录从外展全身(APB)以及外展digiti最小的(ADM)、伸腕ulnaris (ECU)和肱二头肌(BB)。EMG信号被放大并过滤清洁1902放大器通过1401年清洁能源电力实验室界面使用高峰2软件(剑桥大学电子设计,剑桥,英国)。

M1和PMC刺激热点的识别

所有特种加工进行了考试的半球侧手爱丁堡偏手性评估的库存。在第一个会话中,特种加工用于地图的主要和第一次背interosseus pre-motor皮层刺激肌肉(FDI)热点如前所发表(她et al ., 2013)。总之,M1首次定义映射为一个外国直接投资热点的最大运动诱发电位(MEP)响应网站以最小的阈上的经颅磁刺激强度。随后,PMC与皮质脊髓的直接输出映射为一个热点。热点的位置是根据一个算法验证占远程感应电场在邻M1刺激PMC。eXimia系统为研究者提供了一个估计的最大电场强度下感应线圈(EF_马克斯在任何自定义远程站点(EF)和_远程)(Ruohonen Ilmoniemi, 1999)。它使用一个球体模型皮质表面提供EF的动态在线估计_马克斯和英孚_远程。这种简化的方法已被证明有效的结合理论和刺激在大脑皮层刺激实验研究目标(Thielscher卡,2002)。PMC热点识别后,20最小超阈值的刺激被应用在一个强度引起议员200μV的平均振幅。这证实了可靠的皮质脊髓的截击引出。随之而来的英孚_远程在M1估计。随后,20刺激在M1热点应用与峰值强度的强度足以诱发EF_远程以前由PMC间接诱导刺激。如果没有议员被M1引起刺激强度,PMC刺激引发的欧洲议会议员必须起源于PMC。间接证据对皮质脊髓束通过PMC-M1通路的激活另外比较排斥的PMC和M1议员出现延迟。议员开始延迟会超过M1直接刺激后如果发生间接激活。因此,PMC-MEPs等于或短延迟提供额外功能的证据皮质脊髓束的直接激活。

和虚拟病变感应电动机任务

1 mV电动机阈值(1 mV-MT)特种加工的外商直接投资热点确定M1和PMC每个实验的开始。外商直接投资被定义为最低的1 mV-MT刺激强度的5 10连续刺激引起的可靠的议员1 mV在弱振幅预先激活FDI肌肉。Pre-activation诱导的主题在优势手拿笔的运动任务完成后。

在接下来的实验任务,EMG电极被允许移动手臂畅通。实验装置由一台笔记本电脑直接放置在前面的话题。笔记本电脑屏幕上描绘了两个不同的几何图形的简单组合(tri -和矩形),在一行。参与者被指示跟踪数据通过使用tracking-pen (图1)。笔的坐标计算,通过红外和超声波射线接收器发送站(采样率1 kHz)和存储进行离线分析。跟踪速度是预定义的红线不断沿轨道移动。在这一目标指引下,可以估计这个职位在跑道上的刺激。面向TMS刺激的时机是在转折点的几何数据。包括两个三倍和两个矩形在随机序列,每个试验隐含14的变化方向,因此最多14刺激/试验。每次运行由20试验。每个地区(M1 / PMC / DLPFC)进行。20试验的六个街区进行随机序列。每个审判开始的话题。 After a non-input interval of 30 s the run was terminated automatically. All participants were naïve subjects without any practice.

单脉冲1 mV-MT刺激强度是随机40岁,60岁,80年,100年、120年和140年在每个转折点之前女士。这导致肌肉颤搐,虚拟病变,这构成了跟踪误差的总和。排除非特定的额叶经颅磁刺激的影响,控制刺激背外侧前额叶皮层(DLPFC)同侧M1和PMC在调查中进行。刺激强度在DLPFC一样强度为1 mV太PMC决定。

数据分析和统计评估

数据处理和统计分析进行了使用MATLAB(美国版本2016、Mathworks盖特威克机场)。

特种加工的应用1 mV-MT强度在执行过程中就不可避免地导致肌肉颤搐的运动任务,因此游览的笔从跟踪到。调查是否之间的肌肉颤搐不仅等于M1和PMC的EMG活动,由使用标准化1 mV-MT刺激强度,而且关于位移的笔,我们相比它的持续时间和距离的位移条件。

跟踪性能量化了错误所引起的位移和返回运动跟踪行给出曲线下的面积(AUC)毫米²达到转折点时开始,到500毫秒后。画线的坐标和坐标的原始跟踪线是用来计算的积分不同。在这个分析中,更大的AUC表明,更多的时间是需要正确的中断,导致更大的错误。数据点被排除在评价如果主体不适当跟踪线(即。,50毫秒的速度领先或落后速度)之前。排除系统性误差由于变量之间的绘画技能科目以及tracking-pen校准偏差,个人笔的坐标偏移对原始跟踪线。

我们用单变量方差分析(方差分析)来测试对全球主要因素的影响,例如站点和时间间隔,刺激。如果方差分析表明主要或交互效果显著,因果进行两两比较。α错误通货膨胀由于多个使用Bonferroni调整比较占了。因为一级学科水平的数据不是正态分布(Lilliefors-test),我们比较中位数在单一科目使用魏克森讯号等级测试。值错误在集团内的所有对象,然而,相比表现出正态分布,因此学生的搭配t以及。

结果

映射过程

没有特种加工过程产生的不利影响。映射M1刺激热点需要平均133.3±12.6刺激。PMC刺激热点可以确定在所有参与者162.3±20.9刺激(平均位置内侧和18.6毫米16.3毫米±1.65±1.43毫米前M1热点)。意味着1 mv-mt从而刺激强度对虚拟损伤诱导37±5%最大刺激器输出(美索)M1和43美索对PMC和DLPFC±8%,分别。这种差异无统计学意义(p= 0.18)。

没有不同的阈上的特种加工在笔位移的任务

笔的时间位移没有统计不同M1(65.71±40.9女士[女士范围29 - 210])和PMC(64.98±48.3女士(女士范围26 - 280);p= 0.92)。此外,位移的程度也比较之间M1(14.72毫米±22.78(范围1 - 116.2毫米))和PMC(13.19毫米±24.09(范围1 - 193.17);p= 0.69)。没有明显的肌肉颤搐DLPFC引起的刺激。

虚拟病变特种加工对任务绩效的影响

特种加工在不同地区影响不同性能(F₍₂₀₎= 7.79,p= 0.004)。结果进行了总结图2和说明图3。NTMS-induced虚拟PMC的病变影响性能(平均5722.26毫米²±209.17)显著高于DLPFC经颅磁刺激(4778.23毫米²±120.76;p= 0.000)和往往是M1(5287.07毫米以上²±160.72,p= 0.068)。

刺激间隔显著影响任务绩效(F₍₄₀₎= 9.12,p= 0.000),重要的是显示一个交互效应与区域(F₍₈₀₎= 3.25,p= 0.001)。虚拟PMC诱发显著的病变和M1和DLPFC刺激相比更大的错误在120 ms(6563.14毫米²±427.30与M1: 5376.84毫米²±124.13,p= 0.021;DLPFC 5331.46毫米²±139.47,p= 0.016)和140 ms(5698.03毫米²±857.35与M1: 4178.08毫米²±411.50,p= 0.003;和DLPFC 3742.18毫米²±75.12,p= 0.000)。最后,PMC刺激导致更大的错误在60岁女士相比刺激DLPFC(6076.75毫米²±364.35和4958.08毫米²±312.50,p= 0.013)。

既不刺激强度(β=−0.0074,p= 1),也不刺激(即秩序。,如果PMC是第一)影响结果在120 ms (F₍₈₎= 0.11,p= 0.9)或140 ms (F₍₈₎= 0.28,p= 0.76)。

讨论

我们能够复制先前的调查结果,pre-motor皮质脊髓的预测是直接连接到肌肉和手因此可以可靠地识别在人类通过特种加工。我们阐明他们的角色扩展先前发现的人体运动行为。虚拟病变pre-motor皮质脊髓的预测不仅导致性能错误与虚拟病变更密集的M1皮质脊髓的预测,但诱导跟踪错误甚至更高,可以在时空集成相关的错误。这小说提供证据证明pre-motor激活对任务绩效至关重要的早期阶段汽车准备在人类身上,表明一个重要的角色塑造自主运动。结果符合电机控制及其时间模式的层次模型类似于观察灵长类动物。

虚拟设计的有效性调查区域的病变

目前的研究表明,当应用/ PMC侧的手,在线单脉冲经颅磁刺激可以影响所需的校正时间执行电动机运动做准备。相比之后控制站点(DLPFC)观察到的错误PMC和M1刺激明显更大。由于M1是下行的主要来源预测运动神经元(Dum击球,1991),并负责执行电机,测量误差应该发生主要是由于肌肉激活引起的超阈值的刺激。评估twitch-induced位移的笔,然而,清楚地表明,这些都不是不同的M1和PMC。M1的区别和PMC刺激从而表明额外的运动规划过程中断PMC诱导一个虚拟的病变。一些不具体的错误被应用于DLPFC刺激时使用的相同的强度/ PMC。选为控制网站因为不应该参与电机控制在这个任务中,测量误差在刺激DLPFC可以显示一个基本错误水平。

先前的研究证明了PMC运动规划的意义选择实验设计基于接触和掌握运动(Davare et al ., 2008;鲍默et al ., 2009;釜山et al ., 2009)。精确把握任务,目前的实验设计都类似的只要组成一个视觉指导的运动规划任务与上肢被执行。因为目前的结果是符合这些先前的发现,他们证实了算法用于PMC考试热点。然而,没有进行有针对性的调查研究皮质脊髓的预测。他们而且不干扰正在进行的任务,我们的研究是第一个调查期间包括纠错功能运动规划。关于纠错,必须适时地指出,跟踪任务是故意的速度高,不可避免地导致跟踪错误需要纠正,甚至在控制条件。因此,调查误差修正能力的内在研究设计,不仅引起位移的笔通过肌肉抽搐,因为更大的错误也看到跟踪控制刺激不引起肌肉扭动(即。DLPFC刺激)。

比较Pre-motor破坏性的虚拟损伤延迟先前的研究

只有在应用程序的虚拟病变之前120 - 140 ms的轨迹运动必须调整,影响任务绩效是明显的。据我们所知,没有其他研究调查pre-motor皮质脊髓的预测期间通过一个虚拟的病变进行电动机的任务。之前的研究使用反应时间的任务,调查更多的全球pre-motor区域的函数。重要的是,PMC的角色在纠正错误之前还没有调查实际和预期的运动(麦金太尔et al ., 2018)。

先前的研究能够延迟反应在反应时间任务通过刺激M1和PMC后提示演讲(Schluter et al ., 1998)。从而cue-stimulus短间隔的性能影响100 - 140 ms应用对PMC和刺激时再cue-stimulus区间300 - 340 ms在M1时应用。Schluter等人来衡量这些发病的时间间隔一个出现在屏幕上的提示。在当前的研究中,没有模拟的性能由于实验设计使得它很难比较这两项研究的结果。因为所有四个转折点可见从一开始的一个试验中,受试者有足够的时间来准备这个任务。结果表明,120 - 140 ms pre-turn PMC似乎在处理阶段执行的任务。这段运动计划可以比得上的间隔100毫秒后提示,确认Schluter的观察等。

鉴于PMC刺激与supra-threshold强度,应用启发式的运动诱发电位(MEP)通过corticocortical和皮质脊髓的途径都是可能的。虽然均为cortico-cortical等人发现机制介导object-driven掌握(均et al ., 2005),Teitti等人,我们组可能引起欧洲议会议员的手直接从NPMAs肌肉(Teitti et al ., 2008;她et al ., 2013)。如前所述,根据M1 Schluter等人行政处理发生几毫秒后比在PMC规划流程。这表明前的信息流(运动)后(初级运动皮层)地区在处理期间。考虑到本研究PMC pre-turn女士被刺激120 - 140,应该有影响误差大小几毫秒后当M1刺激。然而,任务绩效不受损后M1刺激相比,PMC刺激刺激间隔较短。这表明PMC刺激后发生影响不是由于通过M1皮层连接,而是皮层下或直接皮质脊髓的预测。PMC映射期间重点是针对皮质脊髓的亚种群支持这一发现。进一步的实验刺激间隔较短以及扩展需要确认这个想法并确定时间间隔的M1和PMC处理具体的实验设计。

如前所述,釜山等人也干扰实验性能通过应用经颅磁刺激在运动规划的任务。他们发现,在达到任务绩效不延长反应时间但在单脉冲TMS / PMC缩短。这种相反效应观察刺激时应用后但在开始任务之前75%的平均反应时间(大约在150 ms)。通过使用一个低刺激强度为110%,应用刺激更早,这些数据可能不同于目前发现由于pre-activation的区域。

刺激效应和时间的关系是在以前的研究中显示发现facilitatory影响当单脉冲应用(前不久高档的et al ., 1998;Grosbras和加索尔,2003)和破坏性的效果当应用在认知过程(沃尔什和拉什沃斯,1999年)。这些观察结果证实本研究假设的结果是由于一个干扰效应,诱导一个虚拟的病变在PMC性能处理期间,而釜山等人得到相反的早期启动刺激而有益的影响。

远程效应的可能性

刺激强度没有显著不同刺激网站和主题,呈现一个系统性误差通过不同刺激强度不太可能。然而,它是可能的,当前利差的PMC pre-motor周围皮质脊髓刺激热点地区,因此PMC的效应是不具体的预测进行调查(施密特et al ., 2015)。虽然这种可能性确实可以不被排除在外,我们相信实验设计应该在一定程度上减少这种错误的概率。重要的是,所有受试者接受虚拟病变吻侧和尾PMC刺激网站因此杂乱无章远程刺激pre-motor地区可能同样可能发生的刺激DLPFC和M1 (她et al ., 2020)。此外,使用特种加工提供一个显示分辨率< 2毫米,不应该引起系统的电场pre-motor相邻地区的传播。最后,使用单相8字形线圈允许更好的方向性的刺激相比,两相的线圈(Ilmoniemi et al ., 1999)。

限制

几项研究证明,重复经颅磁刺激可以改变刺激神经元的兴奋性以及偏远地区(Rizzo et al ., 2004)。在90分钟的实验性能,因为在目前的研究中,这种刺激可能有一个rTMS字符,因此影响了皮质的兴奋性。然而,通过保持几分钟的短暂休息之间的试验和一个相对长interstimulus间隔约100毫秒,刺激没有重复的形式。此外Civardi等人表明,即使单脉冲经颅磁刺激在低强度应用pre-motor区域可以进行corticocortical连接M1 (Civardi et al ., 2001)。然而,调节刺激没有影响反应诱发的活跃,但只有FDI肌肉的放松。因此,潜在的兴奋性变化由于单脉冲经颅磁刺激应该没有任何影响当前的结果。

选择实验设计的另一个缺点是令人费解的刺激DLPFC后高误差水平。正如上面提到的,这个区域显示基线误差,因为它是假定不参与电机性能。因此,测量误差可能是系统性的。跟踪任务的速度的确是集高迫使系统工作在其局限性和产量跟踪错误需要纠正。因此,收益率高的错误控制条件期望的,不应被视为虚拟DLPFC损伤效应的刺激。然而,以往的研究表明皮层DLPFC和主系统和辅助运动区之间的相互作用可以预期(哈桑et al ., 2013)。因为错误DLPFC刺激后最高的早期刺激间隔(即。,30 ms),我们认为远程皮层机制应该在这种情况下可以忽略不计。

是完善pre-activation目标肌肉引起皮层micro-circuitry的变化,包括抑制邻近周围的肌肉,这是影响物理参数或约束,如关节角的刺激。这是在一个理想的控制实验装置。不幸的是,我们无法控制这些协变量,因为这需要高频率的三维跟踪关节参与任务。我们,而认为,由于大量的试验,试验之间的顺序是随机的和相等的条件在所有地区研究了这个错误应该是系统的,不支持任何地区。

结论

Pre-motor皮质脊髓的预测可以可靠地识别和人类运动行为扩展他们的角色在初级运动预测早期参与运动准备和纠错的一个正在进行的运动。支持这个解释观察复杂的运动引起的直接刺激大脑皮层pre-motor地区和高阶电动机赤字pre-motor后病变。这些结果应考虑损伤的康复,包括pre-motor区域当灵巧仍然尽管明显复苏的皮质脊髓的功能受损。另一方面,非侵入性脑刺激研究应探讨pre-motor皮质脊髓的预测作为目标来提高复苏除了简单的皮质脊髓的完整性。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

道德声明

涉及人类受试者的研究回顾和批准Ethikkommission der查利特-柏林夏洛蒂,校园查利特米,Chariteplatz 1, 10117年柏林。患者/参与者提供了他们的书面知情同意参与这项研究。

作者的贡献

射频、PT和合成实验的构思和计划。射频和合成实验和写作手稿。所有作者贡献的解释结果,提供了重要的反馈和帮助形状的研究、分析和手稿。

资金

这项研究得到了德意志Forschungsgemeinschaft (DFG)批准号BR 1691/8-1。我们承认支持这篇文章加工费的脱硫(德国研究基金会,393148499)和开放获取出版基金格赖夫斯瓦尔德大学的。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

我们另外感谢Lena Paschke女士为她贡献数据收集和讨论的结果。

引用