Diese Forschung wurde zum Teil durch die großzügige Finanzierung des Knight Campus Undergraduate Scholars-Programms und der Phil and Penny Knight Foundation ermöglicht

Alle hier beschriebenen Methoden wurden in Übereinstimmung mit dem IRB-Protokoll und der Genehmigung (University of Oregon IRB-Protokollnummer 10182017.017) durchgeführt. Von allen Probanden wurde eine Einwilligung nach Aufklärung eingeholt.
1. Greifapparat
<ol><li>Platzieren Sie ein großes Grafiktablett flach auf einem Schreibtisch.</li>
	<li>Verwenden Sie einen verstellbaren 80-20-Aluminiumrahmen, um den Aufgabenmonitor 6-8 Zoll über dem Tablet parallel zu positionieren, wobei der Bildschirm nach oben zeigt (eine Blaupause finden Sie hier: https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS und ergänzende Abbildung 1). HINWEIS: Dieses Setup ermöglicht es den Teilnehmern, über das Tablet zu greifen und Ziele zu erfassen, die auf dem Aufgabenmonitor angezeigt werden, während die Sicht auf ihren ausgestreckten Arm verdeckt wird.</li>
	<li>Verwenden Sie den in Kim et al.3 beschriebenen Aufbau als Referenz.</li>
</ol>2. Maschinenschnittstellen
<ol><li>Verbinden Sie das Tablet über einen USB-Anschluss mit dem Computer. Schließen Sie den Task-Monitor über den HDMI-Anschluss an den Computer an. Schließen Sie den rückseitigen TMS-Anschluss über ein DB-9-Kabel an den Computer an.</li>
	<li>Schließen Sie das EMG-System über eine PCI-6220-Karten-Datenerfassung an den Computer an. Verbinden Sie die Fotodiode über ein BNC-Kabel mit dem EMG-System.</li>
</ol>3. Fotodioden-Sensor
<ol><li>Schließen Sie einen Fotodiodensensor an das BNC-Kabel an. Befestigen Sie den Fotodiodensensor mit Klebeband in der oberen rechten Ecke des Aufgabenmonitors, wobei der Sensor ≤ 1 cm entfernt auf den Bildschirm gerichtet ist. HINWEIS: Dadurch wird das Timing von Stimuli, die auf dem Aufgabenmonitor als analoge Daten in einem unabhängigen Eingangskanal dargestellt werden, aufgezeichnet.</li>
</ol>4. Software
<ol><li>Laden Sie die VETA Toolbox26 (https://github.com/greenhouselab/Veta) für MATLAB 2018 herunter, um eine Schnittstelle zur Hardware für die Datenerfassung herzustellen.</li>
	<li>Laden Sie den Reaching-Task-Code (https://github.com/greenhouselab/Reach_TMS) herunter, der für die Kontrolle der experimentellen Parameter und die Verbindung mit dem Tablet entwickelt wurde.</li>
</ol>5. Teilnehmer-Screening und Einwilligungserklärung
<ol><li>Untersuchen Sie das Subjekt auf Kontraindikationen für TMS. Zu den Ausschlusskriterien gehören eine persönliche oder familiäre Vorgeschichte von Krampfanfällen, Kopfschmerzen, Hirntrauma, Ohnmacht, chronischem Stress oder Angstzuständen, Schlafstörungen und neuroaktiven Medikamenten. Weitere Ausschlusskriterien sind Metallimplantate im Gehirn oder Schädel sowie Drogen- oder Alkoholkonsum in den 24 Stunden vor dem Test. Zu den Einschlusskriterien gehörten Rechtshändigkeit und ein Alter zwischen 18 und 35 Jahren.</li>
	<li>Geben Sie eine schriftliche Erklärung des Verfahrens und der damit verbundenen Risiken ab und klären Sie alle weiteren Fragen, die der Teilnehmer möglicherweise hat.</li>
	<li>Einholung der Einverständniserklärung der Teilnehmer.</li>
</ol>6. Einrichtung des Betreffs
<ol><li>Positionieren Sie das Subjekt in einem bequemen Stuhl, der dem Tablet zugewandt ist. Stellen Sie sicher, dass die Knie um 90° gebeugt sind und die Beine unter dem Schreibtisch liegen.</li>
	<li>Bereiten Sie die Haut vor und platzieren Sie EMG-Elektroden.<ol><li>Verwenden Sie feinkörniges Schleifpapier, um die Haut an der Stelle des rechten ersten dorsalen Interossei (FDI), des Extensor carpi radialis und der vorderen Deltamuskeln sowie der C4-Prominenz an der Basis des Halses sanft abzuschleifen, um elektrische Artefakte zu erkennen, die durch den TMS-Impuls erzeugt werden. HINWEIS: Muskelaufzeichnungsseiten können je nach Benutzerbedürfnissen angepasst werden.</li>
		<li>Tupfen Sie jeden abgeschliffenen Bereich einmal pro Elektrodenstelle mit einem Alkoholvorbereitungspad ab, um ihn zu reinigen.</li>
		<li>Platzieren Sie eine EMG-Elektrode an jeder Stelle. Stellen Sie sicher, dass die Elektroden senkrecht zu den Muskelfasern verlaufen. Platzieren Sie die Erdungselektrode auf dem knöchernen Vorsprung des rechten Ellenbogens.</li>
		<li>Sichern Sie jede Elektrode mit medizinischem Klebeband.</li>
	</ol></li>
	<li>Überprüfen Sie die Qualität der EMG-Aufnahme. Verwenden Sie die VETA-Toolbox, um alle EMG-Leiterbahnen zu visualisieren und sicherzustellen, dass sie frei von Artefakten sind. Wenn EMG-Spuren laut sind, stellen Sie sicher, dass der Boden richtig platziert ist und dass alle Elektroden den richtigen Kontakt mit der Haut haben.</li>
</ol>7. Transkranielle Magnetstimulation
<ol><li>Schalten Sie das TMS-Gerät ein.</li>
	<li>Finden Sie den TMS-Hotspot des rechten FDI-Muskels durch Stimulation des linken M1.<ol><li>Platzieren Sie die Spule ~ 5 cm seitlich und 2 cm vor dem Scheitelpunkt des Kopfes, ~ 45 ° von der Mittellinie entfernt.</li>
		<li>TMS-Impulse alle 4 s verabreichen, während die Spule in Schritten von ca. 5 mm in der anterior-posterioren und medial-lateralen Ebene neu positioniert wird.</li>
		<li>Beginnen Sie mit einer maximalen Stimulatorleistung von 30 % und erhöhen Sie die TMS-Intensität schrittweise um 2 %, bis MEPs beobachtet werden.</li>
		<li>Sobald der optimale Ort identifiziert ist, an dem MEPs bei der Mehrheit (~ 75%) der Impulse mit der geringstmöglichen Stimulatorintensität zuverlässig ausgelöst werden können, bestimmen Sie die Ruhemotorschwelle (RMT), indem Sie das Intensitätsniveau ermitteln, das MEPs mit einer Spitze-Spitze-Amplitude von >50 μV bei fünf von 10 Impulsen erzeugt.</li>
		<li>Markieren Sie die Position, indem Sie vorsichtig dünne Streifen reflektierendes Klebeband auf den Kopf des Teilnehmers entlang des Umfangs der Spule legen. Halten Sie die Spulenpositionierung aufrecht, indem Sie die Spule entweder manuell halten oder einen Ständer verwenden, um sie zu stützen.</li>
	</ol></li>
</ol>8. Erreichen des Task-Setups
<ol><li>Legen Sie einen Velcro Handschuh auf die rechte Hand des Teilnehmers, um eine entspannte Power-Grip-Haltung zu ermöglichen.</li>
	<li>Befestigen Sie den Stift am Handschuh und weisen Sie das Subjekt an, die Hand zwischen den Bewegungen entspannt zu halten.</li>
	<li>Kommunizieren Sie die Aufgabenanweisungen, die wie folgt lauten: Führen Sie den Cursor zur Ausgangsposition am unteren Bildschirmrand. Sie sehen einen Hinweis an einem von zwei Zielorten. Wenn sich das Ziel mit Farbe füllt, erreichen Sie das Ziel so schnell und so genau wie möglich. Kehren Sie dann in die Ausgangsposition zurück. Geben Sie die Positionen von Ausgangspositionen, Hinweisen und Zielen an (Abbildung 1A).</li>
	<li>Trainieren Sie den Teilnehmer, Ziele mit dem Stift so schnell und genau wie möglich zu schneiden. Schalten Sie die Lichter im Aufgabenraum aus, um die Sicht des Teilnehmers auf die Armbewegungen zu verdecken und die Sichtbarkeit des Aufgabenmonitors zu verbessern.</li>
</ol>9. Aufgabengestaltung
<ol><li>Steuern Sie die visuelle Stimuluspräsentation mit Psychtoolbox 3.0 in Matlab 2018 (Supplementary Coding File 1).</li>
	<li>Verwenden Sie die folgenden Parameter, um die aktuellen Daten abzugleichen: 20 Praxisversuche; 270 Testversuche; TMS bei 4/5 der Testversuche; TMS fällt entweder mit dem vorbereitenden Cue-Beginn (Baseline-TMS) oder 100 ms vor dem imperativen Cue (Verzögerungs-TMS) mit gleicher Häufigkeit zusammen; 1/10 aller Versuche sind Fangversuche, bei denen der imperative Hinweis nicht erscheint; Die Ausgangsposition ist ein Kreis mit einem Radius von 2 cm, der in der unteren Mitte des Arbeitsbereichs positioniert ist. Zwei kreisförmige Ziele mit einem Radius von 1 cm werden 15 cm von der Ausgangsposition entfernt bei +45° und -45° von der Mittellinie entfernt.</li>
	<li>Legen Sie die Ereignisreihenfolge und -dauer wie folgt fest: vorbereitender Hinweis auf 900 ms und imperativer Hinweis auf 900 ms.</li>
</ol>10. TMS-Verwaltung
<ol><li>Die VETA-Toolbox verwaltet gleichzeitig das TMS und zeichnet EMG-https://github.com/greenhouselab/Veta auf.</li>
	<li>Kontrollieren Sie das Timing der TMS-Impulse mit der VETA-Toolbox so, dass sie mit den ausgewählten Verhaltensereignissen übereinstimmen (z. B. dem Beginn des vorbereitenden Hinweises oder 100 ms vor dem Zielbeginn).</li>
	<li>Bereitstellung von TMS mit ausreichender Häufigkeit, um eine ausreichende Anzahl von Abgeordneten für die Analyse zu gewährleisten. HINWEIS: Wie geschrieben, liefert der Aufgabencode einen TMS-Impuls bei 4/5 der gesamten Versuche, entweder zu Beginn des vorbereitenden Hinweises, um Basis-MEPs hervorzurufen, oder 100 ms vor dem imperativen Cue, um verzögerte MEPs hervorzurufen. Parameter können im Code entsprechend den Benutzerbedürfnissen angepasst werden. Studien ohne TMS können verwendet werden, um die Verhaltensleistung ohne TMS zu bewerten. Dies ist nützlich, um einen möglichen Einfluss von TMS auf die Leistung zu ermitteln.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+relations+between+the+direction+of+two-dimensional+arm+movements+and+cell+discharge+in+primate+motor+cortex.">On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex.</a> The Journal of Neuroscience. 2 (11), 1527-1537 (1982).</li><li>Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+population+coding+of+movement+direction.">Neuronal population coding of movement direction.</a> Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).</li><li>Kim, H. E., Morehead, J. R., Parvin, D. E., Moazzezi, R., Ivry, R. 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J., Ivry, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Savings+upon+re-aiming+in+visuomotor+adaptation.">Savings upon re-aiming in visuomotor adaptation.</a> The Journal of Neuroscience. 35 (42), 14386-14396 (2015).</li><li>Taylor, J. A., Krakauer, J. W., Ivry, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Explicit+and+implicit+contributions+to+learning+in+a+sensorimotor+adaptation+task.">Explicit and implicit contributions to learning in a sensorimotor adaptation task.</a> The Journal of Neuroscience. 34 (8), 3023-3032 (2014).</li><li>Tsay, J. S., Kim, H. E., Parvin, D. E., Stover, A. R., Ivry, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Individual+differences+in+proprioception+predict+the+extent+of+implicit+sensorimotor+adaptation.">Individual differences in proprioception predict the extent of implicit sensorimotor adaptation.</a> Journal of Neurophysiology. 125 (4), 1307-1321 (2021).</li><li>Jackson, N., Greenhouse, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=VETA:+An+open-source+matlab-based+toolbox+for+the+collection+and+analysis+of+electromyography+combined+with+transcranial+magnetic+stimulation.">VETA: An open-source matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation.</a> Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).</li><li>Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. 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R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+and+manipulating+functionally+specific+neural+pathways+in+the+human+motor+system+with+transcranial+magnetic+stimulation.">Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation.</a> Journal of Visualized Experiments. (156), e60706 (2020).</li></ol>

Alle Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen

Die oben skizzierten Methoden bieten einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung der motorischen Vorbereitung im Zusammenhang mit dem Erreichen von Verhaltensweisen. Obwohl das Erreichen eine beliebte Modellaufgabe in der Erforschung der motorischen Kontrolle und des Lernens darstellt, besteht die Notwendigkeit, die CS-Dynamik, die mit dem Reichverhalten verbunden ist, genau zu bewerten. TMS bietet eine nicht-invasive, zeitlich präzise Methode zur Erfassung der CS-Aktivität zu diskreten Zeitpunkten währe...

Zielgerichtetes Erreichen ist ein grundlegendes motorisches Verhalten, das es dem Menschen ermöglicht, mit der äußeren Umgebung zu interagieren und diese zu manipulieren. Das Studium des Erreichens in den Bereichen Motorphysiologie, Psychologie und Neurowissenschaften hat eine reiche und umfangreiche Literatur hervorgebracht, die eine Vielzahl von Methoden umfasst. Frühe Studien zum Erreichen nutzten direkte neuronale Aufzeichnungen bei nicht-menschlichen Primaten, um die neuronale Aktivität auf der Ebene einzelner Neuronenzu untersuchen 1,2. Neuere Studien haben das Erreichen von Verhaltensparadigmen untersucht, die sensomotorische Anpassung einsetzen, um die Natur des motorischen Lernens und der Kontrolle zu erforschen 3,4,5. Solche Verhaltensaufgaben in Kombination mit funktioneller Magnetresonanztomographie und Elektroenzephalographie können die gesamte Gehirnaktivität während des Erreichens beim Menschen messen 6,7. Andere Studien haben Online-TMS verwendet, um verschiedene Merkmale der Reichweitenvorbereitung und -ausführungzu untersuchen 8,9,10,11,12,13,14. Es besteht jedoch weiterhin Bedarf an einem Open-Source- und flexiblen Ansatz, der die Verhaltensbewertung des Erreichens mit TMS kombiniert. Während der Nutzen der Kombination von TMS mit Verhaltensprotokollen sehr gut etabliert ist15, untersuchen wir hier speziell die Anwendung von TMS im Kontext der Verwendung eines Open-Source-Ansatzes. Dies ist insofern neu, als andere Gruppen, die mit dieser Kombination von Methoden publiziert haben, ihre Werkzeuge nicht ohne weiteres zur Verfügung gestellt haben, was eine direkte Replikation verbietet. Dieser Open-Source-Ansatz erleichtert die Replikation, den Datenaustausch und die Möglichkeit von Multi-Site-Studien. Sollten andere neue Forschungsfragen mit ähnlichen Werkzeugen verfolgen wollen, kann der Open-Source-Code als Sprungbrett für Innovationen dienen, da er leicht anpassbar ist.
TMS bietet ein nicht-invasives Mittel zur Sondierung des motorischen Systems zu genau kontrollierten Zeitpunkten16. Wenn TMS über den primären motorischen Kortex (M1) appliziert wird, kann es eine messbare Ablenkung im Elektromyogramm eines Zielmuskels hervorrufen. Die Amplitude dieser Spannungswelle, die als motorisch evoziertes Potential (MEP) bekannt ist, liefert einen Index für den momentanen Erregbarkeitszustand des kortikospinalen (CS) Weges - ein resultierendes Analogon aller erregenden und hemmenden Einflüsse auf den CS-Weg17. Neben einer zuverlässigen Messung der intrinsischen CS-Erregbarkeit innerhalb des Probanden kann TMS mit anderen Verhaltens- oder kinematischen Metriken kombiniert werden, um die Beziehungen zwischen CS-Aktivität und Verhalten zeitlich präzise zu untersuchen. Viele Studien haben eine Kombination aus TMS und Elektromyographie (EMG) verwendet, um eine Vielzahl von Fragen über das motorische System zu beantworten, zumal diese Kombination von Methoden es ermöglicht, MEPs unter einer Vielzahl von Verhaltensbedingungen zu untersuchen15. Ein Bereich, in dem sich dies als besonders nützlich erwiesen hat, ist die Untersuchung der Aktionsvorbereitung, meistens durch die Untersuchung von Einzelgelenkbewegungen18. Allerdings gibt es vergleichsweise weniger TMS-Studien zu naturalistischen Mehrgelenkbewegungen wie z.B. dem Greifen.
Das aktuelle Ziel war es, eine Aufgabe mit verzögerter Reaktion zu entwickeln, die Verhaltenskinematik, Online-Einzelpuls-TMS-Verabreichung und gleichzeitige EMG-Aufzeichnung von mehreren Muskeln umfasst. Die Aufgabe umfasst ein zweidimensionales Punkt-zu-Punkt-Reichweiten-Paradigma mit visuellem Online-Feedback unter Verwendung eines horizontal ausgerichteten Monitors, so dass das visuelle Feedback mit den Reichweitenbahnen übereinstimmt (d.h. eine 1:1-Beziehung während des veridischen Feedbacks und keine Transformation zwischen visuellem Feedback und Bewegung). Das aktuelle Design beinhaltet auch eine Reihe von Versuchen mit einer visuomotorischen Störung. Im angegebenen Beispiel ist dies eine 20°-Drehverschiebung des Cursor-Feedbacks. Frühere Studien haben ein ähnliches Paradigma verwendet, um Fragen zu den Mechanismen und Berechnungen zu beantworten, die mit der sensomotorischen Anpassung verbunden sind 19,20,21,22,23,24,25. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz, die Erregbarkeitsdynamik des motorischen Systems zu bestimmten Zeitpunkten während des motorischen Online-Lernens zu bewerten.
Da sich das Erreichen als fruchtbares Verhalten für die Untersuchung von Lernen / Anpassung erwiesen hat, hat die Bewertung der CS-Erregbarkeit im Kontext dieses Verhaltens ein enormes Potenzial, die neuronalen Substrate zu beleuchten, die an diesen Verhaltensweisen beteiligt sind. Dazu können lokale hemmende Einflüsse, Veränderungen der Tuning-Eigenschaften, das Timing neuronaler Ereignisse usw. gehören, wie sie in der Forschung an nicht-menschlichen Primaten festgestellt wurden. Diese Merkmale waren jedoch bei Menschen und klinischen Populationen schwieriger zu quantifizieren. Die neuronale Dynamik kann auch in Abwesenheit von offener Bewegung beim Menschen mit dem kombinierten TMS- und EMG-Ansatz (d.h. während der Vorbereitung der Bewegung oder in Ruhe) untersucht werden.
Die vorgestellten Tools sind Open-Source, und der Code ist leicht anpassbar. Dieses neuartige Paradigma wird wichtige Erkenntnisse über die Mechanismen liefern, die an der Vorbereitung, Ausführung, Beendigung und Anpassung von Reichweitenbewegungen beteiligt sind. Darüber hinaus hat diese Kombination von Methoden das Potenzial, Zusammenhänge zwischen Elektrophysiologie und Reichweitenverhalten beim Menschen aufzudecken.

<table><tbody><tr><td>2-Port Native PCI Express&amp;nbsp;</td><td>StarTech.com</td><td>RS232 Card with 16950 UART&amp;nbsp;</td><td>Must be compatible with desktop computer</td></tr><tr><td>Adjustable 80-20 aluminum frame</td><td>any</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Alcohol prep pads</td><td>any</td><td></td><td>EMG preparation</td></tr><tr><td>Bagnoli Bipolar Electrodes</td><td>Delsys</td><td>DE 2.1</td><td></td></tr><tr><td>Bagnoli Reference Electrode</td><td>Delsys</td><td>USX2000</td><td>2&amp;rdquo; (5cm) Round</td></tr><tr><td>Bagnoli-8 EMG System</td><td>Delsys</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chair</td><td>any</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Computer monitor for EMG/TMS</td><td>n/a</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Desk</td><td>any</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Desktop Computer</td><td>Dell</td><td>xps 8930</td><td>RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>EMG electrodes</td><td>Delsys</td><td>Sensor Adhesive Interface</td><td></td></tr><tr><td>Fine grain sandpaper</td><td>any</td><td></td><td>EMG preparation</td></tr><tr><td>Graphics tablet</td><td>Wacom</td><td>Intuos-4 XL</td><td></td></tr><tr><td>Handle of paint roller</td><td>any</td><td></td><td>to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Medical tape</td><td>any</td><td></td><td>To secure EMG electrodes</td></tr><tr><td>PCI-6220 card DAQ</td><td>National Instruments</td><td></td><td>To interface EMG system</td></tr><tr><td>Photodiode Sensor</td><td>Vishay</td><td>BPW21R</td><td>To record timing of task events into EMG trace.</td></tr><tr><td>Rear TMS port</td><td>Magstim</td><td></td><td>Included with TMS machine</td></tr><tr><td>Right-handed polyethylene glove</td><td>any</td><td></td><td>Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle</td></tr><tr><td>Sensory Adhesive Interface, 2-slot</td><td>Delsys</td><td>SC-F01</td><td></td></tr><tr><td>Stylus</td><td>Wacom</td><td>Intuos-4 grip pen</td><td></td></tr><tr><td>Tablet-to-Computer USB cable&amp;nbsp;</td><td>any</td><td></td><td>Included in Tablet purchase</td></tr><tr><td>Task Monitor</td><td>Asus</td><td>VG248</td><td></td></tr><tr><td>TMS coil</td><td>Magstim</td><td>D70 Remote Coil</td><td>7cm diameter, figure-of-eight coil</td></tr><tr><td>TMS machine</td><td>Magstim</td><td>200-2</td><td></td></tr><tr><td>TMS-to-Computer DB9 cable</td><td>any</td><td></td><td>Connects to PCIe Serial Card</td></tr><tr><td>Velcro</td><td>any</td><td></td><td>To be placed on glove and stylus handle</td></tr></tbody></table>

assessing corticospinal excitability during goal-directed reaching behavior

Reaching ist ein weit verbreitetes Verhalten in der motorischen Physiologie und neurowissenschaftlichen Forschung. Während das Erreichen mit einer Vielzahl von Verhaltensmanipulationen untersucht wurde, gibt es nach wie vor erhebliche Lücken im Verständnis der neuronalen Prozesse, die an der Planung, Ausführung und Kontrolle der Reichweite beteiligt sind. Der hier beschriebene neuartige Ansatz kombiniert eine zweidimensionale Reichweitenaufgabe mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) und gleichzeitiger Elektromyographie-Aufzeichnung (EMG) von mehreren Muskeln. Diese Methode ermöglicht die nichtinvasive Detektion der kortikospinalen Aktivität zu präzisen Zeitpunkten während der Entfaltung von Reichweitenbewegungen. Der Beispiel-Task-Code enthält eine verzögerte Response-Reach-Aufgabe mit zwei möglichen Zielen, die ± 45° von der Mittellinie entfernt angezeigt werden. Einzelpuls-TMS wird bei den meisten Aufgabenversuchen abgegeben, entweder zu Beginn des vorbereitenden Cues (Baseline) oder 100 ms vor dem imperativen Cue (Verzögerung). Dieses Probendesign eignet sich zur Untersuchung von Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit während der Reach-Präparation. Der Beispielcode enthält auch eine visuomotorische Störung (d.h. eine Cursordrehung von ± 20°), um die Auswirkungen der Anpassung auf die kortikospinale Erregbarkeit während der Reach-Vorbereitung zu untersuchen. Die Aufgabenparameter und die TMS-Abgabe können angepasst werden, um spezifische Hypothesen über den Zustand des motorischen Systems während des Reichweitenverhaltens zu berücksichtigen. In der ersten Implementierung wurden bei 83 % der TMS-Studien motorisch evozierte Potenziale (MEPs) erfolgreich ermittelt, und bei allen Studien wurden Reichweitenverläufe aufgezeichnet.

Die erfolgreiche Durchführung der beschriebenen Methoden umfasst die Aufzeichnung von Tablettendaten, EMG-Spuren und die zuverlässige Erhebung von MEPs. Es wurde ein Experiment durchgeführt, das 270 Testversuche mit TMS umfasste, die in 4/5 der Studien (216 Studien) durchgeführt wurden.
Die Daten wurden von 16 Teilnehmern (acht Frauen, acht Männer) im Alter von 25 ± 10 Jahren erhoben, die sich alle als Rechtshänder bezeichneten. Wir bewerteten die Wirksamkeit der visuellen Störung auf ...

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Assessing Corticospinal Excitability During Goal-Directed Reaching Behavior

Erreichen ist eine grundlegende Fähigkeit, die es dem Menschen ermöglicht, mit der Umwelt zu interagieren. Mehrere Studien haben darauf abgezielt, das Erreichen des Verhaltens mit einer Vielzahl von Methoden zu charakterisieren. Dieser Artikel bietet eine Open-Source-Anwendung der transkraniellen Magnetstimulation zur Beurteilung des Zustands der kortikospinalen Erregbarkeit beim Menschen während des Erreichens der Aufgabenleistung.

Beurteilung der kortikospinalen Erregbarkeit während des zielgerichteten Reichweitenverhaltens

Reaching is a widely studied behavior in motor physiology and neuroscience research. While reaching has been examined using a variety of behavioral ...

assessing-corticospinal-excitability-during-goal-directed-reaching

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Neuroscience

1.6K Aufrufe.  University of Oregon. Erreichen ist eine grundlegende Fähigkeit, die es dem Menschen ermöglicht, mit der Umwelt zu interagieren. Mehrere Studien haben darauf abgezielt, das Erreichen des Verhaltens mit einer Vielzahl von Methoden zu charakterisieren. Dieser Artikel bietet eine Open-Source-Anwendung der transkraniellen Magnetstimulation zur Beurteilung des Zustands der kortikospinalen Erregbarkeit beim Menschen während des Erreichens der Aufgabenleistung.

Serie: Assessing Corticospinal Excitability During Goal-Directed Reaching Behavior

Assessing Forelimb Function after Unilateral Cervical SCI using Novel Tasks: Limb Step-alternation, Postural Instability and Pasta Handling

Cervical spinal cord injury (cSCI) can cause devastating neurological deficits, including impairment or loss of upper limb and hand function. A majority of the spinal cord injuries in humans occur at the cervical levels. Therefore, developing cervical injury models and developing relevant and sensitive behavioral tests is of great importance. Here we describe the use of a newly developed forelimb step-alternation test after cervical spinal cord injury in rats. In addition, we describe two behavioral tests that have not been used after spinal cord injury: a postural instability test (PIT), and a pasta-handling test. All three behavioral tests are highly sensitive to injury and are easy to use. Therefore, we feel that these behavioral tests can be instrumental in investigating therapeutic strategies after cSCI.

Three new behavioral tests (forelimb step-alternation, postural instability test, pasta handling test) for evaluating forelimb function after cervical spinal cord injury in rodents are described.

Bewertung der Vordergliedmaße Funktion nach Einseitige Cervical SCI mit Novel Aufgaben: Gliedmaßen Step-Wechsel, Haltungsinstabilität und Pasta Handhabung

Cervical spinal cord injury (cSCI) can cause devastating neurological deficits, including impairment or loss of upper limb and hand function. A majority ...

Forschung

Verhalten

Corticospinal Excitability Modulation During Action Observation

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone else's action becomes anticipatory simulation of a complementary act. TMS was delivered to the left primary motor cortex corresponding to the hand to induce the highest level of MEP activity from the abductor digiti minimi (ADM; the muscle serving little finger abduction) as well as the first dorsal interosseus (FDI; the muscle serving index finger flexion/extension) muscles. A neuronavigation system was used to maintain the position of the TMS coil, and electromyographic (EMG) activity was recorded from the right ADM and FDI muscles. Producing original data with regard to motor resonance, the combined TMS/MEP technique has taken research on the perception-action coupling mechanism a step further. Specifically, it has answered the questions of how and when observing another person's actions produces motor facilitation in an onlooker's corresponding muscles and in what way corticospinal excitability is modulated in social contexts.

Single-pulse transcranial magnetic stimulation over the primary motor cortex, neuronavigation, and registration of electromyographic activity of hand muscles were used in this study to explore corticospinal excitability while participants were observing action sequences.

Corticospinal ErregbarkeitModulation während der Aktion Beobachtung

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone ...

Methods to Explore the Influence of Top-down Visual Processes on Motor Behavior

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are deliberately planned, while others spontaneously occur below conscious awareness. The deliberate component of this dichotomy has been studied extensively in several contexts, while the spontaneous component remains largely under-explored. Moreover, how perceptual processes modulate these movement classes is still unclear. In particular, a currently debated issue is whether the visuomotor system is governed by the spatial percept produced by a visual illusion or whether it is not affected by the illusion and is governed instead by the veridical percept. Bistable percepts such as 3D depth inversion illusions (DIIs) provide an excellent context to study such interactions and balance, particularly when used in combination with reach-to-grasp movements. In this study, a methodology is developed that uses a DII to clarify the role of top-down processes on motor action, particularly exploring how reaches toward a target on a DII are affected in both deliberate and spontaneous movement domains.

It is unclear how top-down signals from the ventral visual stream affect movement. We developed a paradigm to test motor behavior towards a target on a 3D depth inversion illusion. Significant differences are reported in both deliberate, goal-directed movements and automatic actions under illusory and veridical viewing conditions.

Methoden, um den Einfluss von Top-down-Prozesse auf Visuelle Motor Verhalten erkunden

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are ...

Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be time-intensive and ambiguous to quantify beyond simple success rates. Here, we describe the training procedure for reach-and-pull tasks with ETH Pattus, a robotic platform for automated forelimb reaching training that records pulling and hand rotation movements in rats. Kinematic quantification of the performed pulling attempts reveals the presence of distinct temporal profiles of movement parameters such as pulling velocity, spatial variability of the pulling trajectory, deviation from midline, as well as pulling success. We show how minor adjustments in the training paradigm result in alterations in these parameters, revealing their relation to task difficulty, general motor function or skilled task execution. Combined with electrophysiological, pharmacological and optogenetic techniques, this paradigm can be used to explore the mechanisms underlying motor learning and memory formation, as well as loss and recovery of function (e.g. after stroke).

A paradigm is presented for training and analysis of an automated skilled reaching task in rats. Analysis of pulling attempts reveals distinct subprocesses of motor learning.

Untersuchung Motorfaehigkeiten Lernprozesse mit einem Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity largely use video analysis of reaching or food manipulation. While these tasks are easy to implement and are robust across disease models, they are subjective and laborious for the experimenter. Automating traditional tasks or creating new automated tasks can make the tasks more efficient, objective, and quantitative. Since rats are less dexterous than primates, central nervous system (CNS) injury produces more subtle deficits in dexterity, however, supination is highly affected in rodents and crucial to hand function in primates. Therefore, we designed a semi-automated task that measures forelimb supination in rats. Rats are trained to reach and grasp a knob-shaped manipulandum and turn the manipulandum in supination to receive a reward. Rats can acquire the skill within 20 &plusmn; 5 days. While the early part of training is highly supervised, much of the training is done without direct supervision. The task reliably and reproducibly captures subtle deficits after injury and shows functional recovery that accurately reflects clinical recovery curves. Analysis of data is performed by specialized software through a graphical user interface that is designed to be intuitive. We also give solutions to common problems encountered during training, and show that minor corrections to behavior early in training produce reliable acquisition of supination. Thus, the knob supination task provides efficient and quantitative evaluation of a critical movement for dexterity in rats.

This manuscript describes a semi-automated task that quantifies supination in rats. Rats reach, grasp, and supinate a spherical manipulandum. The rat is rewarded with a pellet if the turn angle exceeds a criterion set by the user. This task increases throughput, sensitivity to injury, and objectivity compared to traditional tasks.

Drehknopf Supination Aufgabe: Eine halbautomatische Methode für die Beurteilung der Funktion der Vordergliedmaße bei Ratten

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity ...

A Modified Lean and Release Technique to Emphasize Response Inhibition and Action Selection in Reactive Balance

Assessment of reactive balance traditionally imposes some type of perturbation to upright stance or gait followed by measurement of the resultant corrective behavior. These measures include muscle responses, limb movements, ground reaction forces, and even direct neurophysiological measures such as electroencephalography. Using this approach, researchers and clinicians can infer some basic principles regarding how the nervous system controls balance to avoid a fall. One limitation with the way in which these assessments are currently used is that they heavily emphasize reflexive actions without any need to revise automatic postural reactions. Such an exclusive focus on these highly stereotypical reactions would fail to adequately address how we can modify these reactions should the need arise (e.g., avoiding an obstacle with a recovery step). This would appear to be a glaring omission when one considers the enormous complexity of the environments we face daily. Overall, the status quo when evaluating the neural control of balance fails to truly expose how higher brain resources contribute to preventing falls in complex settings. The present protocol offers a way to require suppression of automatic, but inappropriate corrective balance reactions, and force a selection among alternative action choices to successfully recover balance following postural perturbation.

Here we offer a protocol that allows the user to selectively change affordances and/or constraints on movements that are relevant for recovering balance after postural perturbation.

Eine modifizierte Lean- und Release-Technik zur Betonung der Reaktionshemmung und Aktionsauswahl in reaktivem Gleichgewicht

Assessment of reactive balance traditionally imposes some type of perturbation to upright stance or gait followed by measurement of the resultant ...

Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation

Distal leg muscles receive neural input from motor cortical areas via the corticospinal tract, which is one of the main motor descending pathway in humans and can be assessed using transcranial magnetic stimulation (TMS). Given the role of distal leg muscles in upright postural and dynamic tasks, such as walking, a growing research interest in the assessment and modulation of the corticospinal tracts relative to the function of these muscles has emerged in the last decade. However, methodological parameters used in previous work have varied across studies making the interpretation of results from cross-sectional and longitudinal studies less robust. Therefore, use of a standardized TMS protocol specific to the assessment of leg muscles&#39; corticomotor response (CMR) will allow for direct comparison of results across studies and cohorts. The objective of this paper is to present a protocol that provides the flexibility to simultaneously assess the bilateral CMR of two main ankle antagonistic muscles, the tibialis anterior and soleus, using single pulse TMS with a neuronavigation system. The present protocol is applicable while the examined muscle is either fully relaxed or isometrically contracted at a defined percentage of maximum isometric voluntary contraction. Using each subject&#39;s structural MRI with the neuronavigation system ensures accurate and precise positioning of the coil over the leg cortical representations during assessment. Given the inconsistency in CMR derived measures, this protocol also describes a standardized calculation of these measures using automated algorithms. Though this protocol is not conducted during upright postural or dynamic tasks, it&#160;can be used to assess bilaterally any pair of leg muscles, either antagonistic or synergistic, in both neurologically intact and impaired subjects.

The present protocol describes the simultaneous, bilateral assessment of the corticomotor response of the tibialis anterior and soleus during rest and tonic voluntary activation using a single pulse transcranial magnetic stimulation and neuronavigation system.

Bilateralen Bewertung der kortikospinalen Bahnen der Knöchel Muskeln mit navigierte transkranielle Magnetstimulation

Distal leg muscles receive neural input from motor cortical areas via the corticospinal tract, which is one of the main motor descending pathway in humans ...

Neurowissenschaften

An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles

To reach towards a seen object, visual information has to be transformed into motor commands. Visual information such as the object&#8217;s color, shape, and size are processed and integrated within numerous brain areas, then ultimately relayed to the motor periphery. In some instances, a reaction is needed as fast as possible. These fast visuomotor transformations, and their underlying neurological substrates, are poorly understood in humans as they have lacked a reliable biomarker. Stimulus-locked responses (SLRs) are short latency (&#60;100 ms) bursts of electromyographic (EMG) activity representing the first wave of muscle recruitment influenced by visual stimulus presentation. SLRs provide a quantifiable output of rapid visuomotor transformations, but SLRs have not been consistently observed in all subjects in past studies. Here we describe a new, behavioral paradigm featuring the sudden emergence of a moving target below an obstacle that consistently evokes robust SLRs. Human participants generated visually guided reaches toward or away from the emerging target using a robotic manipulandum while surface electrodes recorded EMG activity from the pectoralis major muscle. In comparison to previous studies that investigated SLRs using static stimuli, the SLRs evoked with this emerging target paradigm were larger, evolved earlier, and were present in all participants. Reach reaction times (RTs) were also expedited in the emerging target paradigm. This paradigm affords numerous opportunities for modification that could permit systematic study of the impact of various sensory, cognitive, and motor manipulations on fast visuomotor responses. Overall, our results demonstrate that an emerging target paradigm is capable of consistently and robustly evoking activity within a fast visuomotor system.

Presented here is a behavioral paradigm that elicits robust fast visuomotor responses on human upper limb muscles during visually guided reaches.

Ein aufstrebendes Zielparadigma, um schnelle Visuomotor-Antworten auf menschliche Oberkörpermuskeln zu evozieren

To reach towards a seen object, visual information has to be transformed into motor commands. Visual information such as the object&#8217;s color, shape, ...

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these tasks require sensory-motor integration and involve precise control of bilateral brain circuits. Implementing unimanual behavioral paradigms in animal models will improve the understanding of the contribution of brain structures, like the striatum, to complex motor behavior as it allows manipulation and recording of neural activity of specific nuclei in control conditions and disease during the performance of the task. 
Since its creation, optogenetics has been a dominant tool for interrogating the brain by enabling selective and targeted activation or inhibition of neuronal populations. The combination of optogenetics with behavioral assays sheds light on the underlying mechanisms of specific brain functions. Wireless head-mounted systems with miniaturized light-emitting diodes (LEDs) allow remote optogenetic control in an entirely free-moving animal. This avoids the limitations of a wired system being less restrictive for animals' behavior without compromising light emission efficiency. The current protocol combines a wireless optogenetics approach with high-speed videography in a unimanual dexterity task to dissect the contribution of specific neuronal populations to fine motor behavior.

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

The present protocol describes how to use wireless optogenetics combined with high-speed videography in a single pellet reach-to-grasp task to characterize the neural circuits involved in the performance of skilled motor behavior in freely moving mice.

Im lebenden Organismus Drahtlose optogenetische Steuerung des motorischen Verhaltens

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these ...

Assessing Dexterity with Reaching Tasks

Reaching tasks are employed in behavioral neuroscience to investigate motor learning and forelimb dexterity. Much like human hands, rodents have dexterous forepaws, which are necessary for executing coordinated and precise motor movements. Experimenters may utilize food rewards to train rodents to reach and for testing their reaching abilities. These tasks help behavioral neuroscientist in understanding how CNS injuries, such as a stroke, may impair reaching ability and dexterity in humans.
This video begins by discussing the principles and neurobiology of forelimb use in rodents, and then explains a protocol on how to conduct reaching experiments using different types of food rewards. Applications section reviews studies that involve reaching and food handling in animal models of CNS injury.

Reaching Tasks: Accessing Motor Learning and Dexterity

Beurteilung der Geschicklichkeit durch Experimente

Reaching tasks are employed in behavioral neuroscience to investigate motor learning and forelimb dexterity. Much like human hands, rodents have dexterous ...