Neuroscience

神经肌肉功能的应用经皮神经电刺激评估

Published: September 13, 2015 doi: 10.3791/52974

Introduction

经皮神经电刺激被广泛用于评估神经肌肉功能^1。其基本原理是感应电刺激到周围运动神经唤起肌肉收缩。机械（扭矩测量）和电生理（肌电活动）响应，同时记录。扭矩，记录在考虑联合，用测力计进行评估。采用表面电极记录的肌电（EMG）信号已被证明代表肌肉²的活性。这种非侵入性方法是不痛，更容易比肌内录音实现。两个单极和双极电极都可以使用。单极电极结构已被证明是变化的肌肉活动^3，其可以为小肌肉是有用的更敏感。然而，双极性电极已被证明是更有效地改善了信号 - 噪音r加信息⁴和是最常用的作为记录和量化运动单位活性的方法。下面描述的方法将集中于双极记录。 EMG活动是神经肌肉系统的有效性和完整性的指标。使用经皮神经电刺激的提供进一步深入了解神经肌肉功能，在肌肉，脊柱，或超脊髓水平（图1），即改变。

图1：神经肌肉测量概述 STIM：神经刺激。肌电图检查：肌电图。 VAL：自愿激活水平。 RMS：均方根。 _m最大：最大M-波幅。

静止时，复合肌肉动作电位，也称为M-波，是刺激假象后观察到的短潜伏期反应，并表示可激发的肌肉质量的直接ACTIV通货膨胀运动轴突导致肌肉（图2，3号）的。 M-波振幅增大与强度，直到达到其最大价值的平台。这种反应，称为M _max时，表示表面肌电^电极 5下记录，所有马达单元和/或肌纤维动作电位的同步求和。的峰-峰幅值或波区域的进化用于识别神经肌肉传导⁶的改动。变化中，与M-波，即峰值抽搐转矩/力，相关联的机械响应可能是由于肌肉兴奋和/或内的肌纤维⁷的改变。 _m最大振幅和峰抽搐扭矩幅值（铂/ M比）的协会提供的肌肉⁸机电效率，即对于给定的电动机命令机械响应的索引。

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图2：电机和神经刺激激活反身途径的混合（电机/感觉）神经（STIM）的电刺激诱导两个运动轴突和Ia传入射击的去极化。 1a的去极化传入朝脊髓激活的α-运动神经元，这反过来又唤起一个H-反射反应（途径1 + 2 + 3）。根据不同的刺激强度，运动轴突去极化唤起了直接的肌肉反应：M波（途径3）。以最大的M-波强度，一个逆向电流也产生（3'）和碰撞与反射凌空（2）。这个碰撞部分或完全取消H反射响应。

该H-反射是用来评估变化IA-α运动神经元突触⁹的电生理学反应。此参数可以在休息或在自主收缩进行评估。 H反射表示牵张反射的变体（ 图2，γMBER 1-3）。该H-反射激活马达单元由IA传入神经通路^10,11 monosynaptically招募，并且可以进行外周和中枢的影响^12。唤起H反射的方法是已知的具有高的被检体内的可靠性在休息^13,14和期间等长收缩^15，以评估脊髓兴奋性。

在一个自主收缩，自愿神经驱动器的大小可以用肌电信号的幅度进行评估，使用均方根通常量化（RMS）。 RMS _肌电图是常用期间自主收缩力（图1）量化电机系统的激励的水平的手段。由于区域内和跨学科的变异^16，RMS _肌电必须使用过程中肌肉特异性最大自主收缩（RMS _EMGmax）录制的肌电图进行归一化。此外，由于改变肌电信号可能bë由于使用外围参数在周边电，正常化的改变如M波是必需的，以评估肌电信号的只有中央部分。这可以通过将RMS _肌电由最大振幅或M波的RMS _M最大来完成。使用RMS _M最大正常化（即 RMS _肌电图 / RMS _M最大）是首选的方法，因为它考虑到了M-波持续时间¹⁷的可能变化。

马达命令也可以通过计算自愿激活电平（VAL）来评价。该方法通过在一个最大随意收缩叠加在_m最大强度的电刺激使用抽搐插值技术^18。额外的扭矩诱发刺激神经相比，由相同的神经刺激，在轻松增效肌肉¹⁹产生的控制抽搐。为了评估最大VAL，原来抽搐interpo由默顿¹⁸描述LATION技术涉及到一个单一的刺激插在一个自主收缩。近来，采用成对的刺激已经变得越来越流行，因为相比于单一刺激反应²⁰诱发扭矩增量更大，更容易检测出来，变化较少。 VAL子提供对中枢神经系统，以最大程度地激活工作肌肉^21的容量的指标。目前，VAL评价使用抽搐插技术是评估肌肉激活^22的水平的最有价值的方法。此外，使用一个测力计评估峰值扭矩是适用于研究和临床设置²³使用的最适当的研究强度测试参数。

神经电刺激可以以各种肌肉群（如肘屈肌，腕屈肌，膝伸肌，跖屈肌）的使用。然而，神经访问使技术很难在某些肌肉群。跖屈肌肉，尤其小腿三头（比目鱼肌和gastrocnemii）肌肉，经常研究在文献^24。的确，这些肌肉都参与运动，证明他们的特别的兴趣。刺激位置和记录电极间的距离允许小腿三头肌的不同引起波的识别。胫后神经的腘窝浅部和大量纱锭使得相对于其他的肌肉²⁴更容易来记录反射响应。由于这些原因，在目前提出的反射方法侧重于小腿三头肌肉群（比目鱼肌和腓肠肌）。因此，该协议的目的是描述的经皮神经刺激技术研究的小腿三头肌神经肌肉功能。

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Protocol

实验过程概述获得机构伦理委员会批准，并符合赫尔辛基宣言。数据来自一个代表性的参与者谁知道的程序，并给他的书面知情同意书收集。

1.仪器准备

清洁皮肤在由剃须电极的位置，并用酒精，得到低阻抗（<5千欧）的污垢。
放置两个氯化银表面电极（10毫米直径的记录）在股骨内踝的比目鱼肌的内侧condylis之间的线路的2/3;对肌肉的内侧腓肠肌的最突出的隆起;在沿着腓骨和足跟的腓肠肌外侧的头部之间的线的距离的三分之一;并且在1/3沿着腓骨的前端与内踝对于胫骨前肌的尖端之间的线的距离，与interelectro德距离（中心到中心）的2厘米，按SENIAM建议^30。
注意：比目鱼肌电极具有gastrocnemii肌肉的前端插入下被定位，以确保它们不会从gastrocnemii肌肉（串扰）的磁头记录活性。
放置一个参考电极在上（刺激和记录点之间）相同的腿的中心位置。
调整高度和椅子的深度，以获得90°（0°=满跖屈）脚踝角度，使比目鱼和gastrocnemii肌肉不拉伸，H反射不改变^11,12。
1. 设定为90°（0°=完全伸膝）的膝盖夹角由于gastrocnemii肌肉的biarticular性质。但是，最佳的踝关节角度进行跖屈肌群的最大自主扭矩为70-80°（0°=全跖屈^）26。因此，踝关节角度将取决于对位计利息（电与机械录音）。
  注意：无论选择的初始角度，它必须保持不变整个实验过程中，以规范神经肌肉兴奋性^{11,12,27,28。}
2. 在测试过程中监测受试者的姿态，以保持对车辆调配场²⁹的兴奋性不断皮质前庭的影响时，要特别注意。
牢牢表带脚踝到一个测力计，以与测力计^25的旋转轴线对齐的接头（外踝）的解剖学轴线。
1. 对附着在测力计脚板主体施加压力，记录跖屈扭矩。保持脚部动整个实验，以便可以检测到在扭矩小的变化。
注意：在某些情况下，脚跟可以略微抬离力板，如果足踝不固定，其可以乐广告到一个不完整的传输克服板的转矩。图3给出了实验装置的说明。

图3：实验装置经典实验装置来记录肌电（EMG）和扭矩信号。

电极连接的电缆放大器。
采样率的扭矩和肌电图的测量设置为2-5千赫。记录使用模拟 - 数字（AD）转换系统的肌电信号。所述信号将显示用数据采集系统，其中瞬时给出几个参数值在监视器上（例如最大值，峰 - 峰幅度，持续时间）。肌电信号的频谱范围5 Hz和2 kHz的频率之间可以的，但主要是含10 Hz和1 kHz的³¹间。因此，采样频率必须足够高，以保持信号的形状，杜尔荷兰国际集团肌电图记录。放大和过滤使用的10赫兹和1千赫^8,21,32带宽频率肌电信号（增益= 500-100）。
放置阳极的电刺激在髌腱。
确定胫后神经的最佳刺激位置，以获得最佳的比目鱼H反射一个给定的强度，在腘窝使用手持球阴极电极。测试多个刺激部位与阴极球电极，直到H反射的极大值为止。
1. 记录胫骨前EMG活动，以确保腓总神经没有被激活，以避免影响来自拮抗剂IA传入^12。在1毫秒设置脉冲宽度，以提供神经纤维，特别是传入纤维^10的最佳活化。
放置一个自粘氯化银阴极的刺激位置的位置，以确保恒定的刺激条件（例如压力，东方通货膨胀）。
注：所有这些参数（主体地位，电极位置和刺激部位）不为不同的电生理测量的评估不变。刺激的唯一的强度和条件（其余与收缩）而有所不同。

2.测试程序在休息

指示主体保持放松，保持他/她的肌肉处于静止状态。
调整刺激强度，以获得最大的比目鱼肌H反射幅度（H _最大 ;正常范围：20-50毫安）。的M波比目鱼肌的可为H _最大强度来观察。
注意：对于重复测量（如前和疲劳协议后），最佳的强度，以获得_h最大响应在会议期间可能会有所不同。作为保持恒定强度可导致至H _的最大振幅的低估，则建议实验者定期重新评估_h最大强度^33。
记录至少3比目鱼H反射响应在该强度与3秒的最小间隔，以避免二次活化抑郁^34。
注意：虽然在记录多个反应是更适合，因为的H反射的特定灵敏度，单个刺激可能试图避免（一个疲劳协议期间例如）快速恢复的影响时会在某些情况下不够，例如。
增加刺激强度，以获得最大的比目鱼M-波幅（M _最大 ;正常范围：40-100毫安）。一般，设置增量在刺激强度在2-4毫安，以8-10秒两个刺激^器12,35之间的间隔。 _m最大时获得所希望的强度达到，而没有H反射响应可以观察到。
设置最终强度为M _的最大刺激强度的120-150％，以确保对M-波达到其最大值的一个平台期。这的IntensiTY被称为在下面的说明超最大强度。
保持恒定的刺激强度的比目鱼肌M-波记录整个会话。
记录3比目鱼肌M-浪和3个相关的抽搐扭矩在这个强度。

3.测试程序在随意收缩

作为热身，让拍摄对象进行足底屈肌的10简短，不疲劳亚极量收缩，有几秒钟的休息每个宫缩之间。在热身结束后，至少要花1分钟休息，以避免疲劳影响^11。
连续记录小腿三头肌的活动。录音比目鱼肌和gastrocnemii肌肉使不同的肌肉类型学为一个单一的刺激部位²⁴的行为进行分析。
指示被摄体进行跖屈肌的等距最大自主收缩（MVC）。主题有硬推的possi通过收缩他的足底屈肌竹叶提取对测力计。提供视觉反馈在努力的主体，规范的口头鼓励^19。当高原观察到的MVC为止。
在MVC（叠加的双峰），而另一个配对刺激的高原期间提供一个配对的刺激（100赫兹频率）在超最大强度时，肌肉完全松弛收缩（增效双峰）后立即评估自愿激活水平。通过特定设备（例如Digitimer D185多脉冲刺激）或通过与单个脉冲刺激器相关联的刺激程序提供这种成对刺激。
指示受每次试验^11之间至少有1分钟休息进行跖屈的第二个MVC。如果从第二个试验的峰值扭矩不是在第一的5％，额外的试验，必须执行^36。所取得的最大扭矩受试者被取为MVC的转矩。

4.数据分析

数据分析在休息
1. 选择一个时间窗口，包括与抽搐在休息（H波或M波）相关的肌电图响应。
2. 测定峰-峰振幅，峰-峰持续时间和/或波浪的区域（图4A）。如果振幅不直接由软件提供，减去最小值到最大值。
  1. 对于持续时间，测定从最大峰的开始和结束的最小峰值的时间范围。对于面积，计算出肌电信号的由波的起点开始和结束的波结束的积分。
    注意：峰-峰幅度可以反映：1）神经肌肉传递，2）电机单元动作电位幅度和/或运动单位动作电位³⁷ 3）颞分散体。 M-波时间反映神经肌肉的传播^37。
  2. 对于多个试验，计算出波的平均水平。如果平均不能直接由软件，使用电子表格软件提供（例如，在电子表格程序通式函数）来计算从几个试验（至少3个）该值。
  3. 选择休息抽搐。
  4. 测量与所述静止抽搐（图4B）相关的峰值扭矩。
  5. 对于多个试验，计算出休息抽搐的平均峰值扭矩。如果平均不能直接由软件，使用电子表格软件提供（例如，在电子表格程序通式函数）来计算从几个试验（至少3个）该值。
  6. 重复点4.1.2其他所需的参数（收缩时间和半弛豫时间）描述了这些程序。的抽搐参数的分析提供了适应症的兴奋收缩耦联效率^17。特别是，合同离子时提供收缩动力学^8，其可取决于所选择的肌肉群³⁸的索引。
  7. 计算峰值转矩，并使用电子表格软件（ 例如Excel）M-1波的总和之间的比率，以量化所述机电效率（P _吨 / M）。如通过胫后神经刺激引起的力学响应对应于小腿三头作为一个整体，比目鱼肌和gastrocnemii M-波的幅度必须被求和^39的活化。
图4：电和机械响应解释峰-峰幅度（毫伏）一个典型的M-波，延迟（ms）和区域（mV.ms）的（A）的测量。（B）中测量的峰值抽搐矩（Nm）的，收缩时间（ms）和抽搐半松弛时间（毫秒）。
1. 在收缩数据分析
  1. MVC转矩的高原包括峰值转矩，但不包括刺激伪影和EMG的静音周期的结束之间的时间期间选择比目鱼EMG活动的一个500毫秒的时间窗口。沉默的周期对应于正在进行的自愿肌电活动的刺激后抑制。
  2. 如果均方根（RMS）的不直接由软件提供，计算出的RMS使用下面的公式⁴⁰来量化EMG活动：RMS _肌电
  3. 测量或计算_m最大的RMS在休息了波的持续时间。
  4. 计算使用电子表格软件的RMS _肌电图 / RMS _M最大比例。RMS _肌电值和RMS _M最大值必须从同一肌肉选中。
  5. 从扭矩中的其余的MVC的最大值基线不含诱导双峰刺激（ 图5）的叠加转矩测量了MVC的最大峰值扭矩。
  6. 测量叠加转矩了MVC中诱导双峰刺激，从自愿转矩值在发作的刺激，以诱发响应的峰值（图5）。
  7. 选择增效双峰。
  8. 测量与增效双重关联的峰值扭矩。
  9. 计算使用下面的公式^40中的自愿激活电平（VAL）：
图5：叠加测量和增效双重机械信号录制叠加的峰值扭矩（PTS），刺激双峰是等距最大随意收缩（MVC）的高原时诱发。要录制增效的峰值扭矩（PT _P），刺激双峰是MVC的抵销后诱发休息。

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Representative Results

增加刺激强度导致H和M-波之间的反应振幅不同的进化。休息时，H反射达到最大值是由肌电信号完全不存在之前，而X波逐渐增加，直到达到高原最大强度（参见图4为 M-波的图示，图6的演变的M-波和H反射与强度）。为比目鱼肌，刺激发病和M-波之间的延迟为大约10毫秒（图4A）和一般在25和40毫秒为H-波。然而，将延迟的肌肉群和被检者的肢体长度或总高度，由于刺激部位和肌肉之间的距离之间变化。当在M-最大强度刺激，一个最大峰值抽动扭矩也将观察到（图4B）。 M-波，H-反射和峰抽动转矩将随变化状态。例如，这些参数往往在自主收缩增加，并减少疲劳¹⁷的存在。

图6：典型的招聘曲线在休息的反射性反应（H反射，白色圆形）和直接肌肉反应（M-波，黑色圆）随刺激强度振幅。底部面板目前在四个逐渐增加强度（从A到B）典型的痕迹。（一）强度弱，唤起只有H反射反应。（二）强度提供了最大的H-波幅度（H _{最大值）。} （C）当超出_h最大，逆向和反射截击之间的碰撞强度诱导H中响应振幅的降低。（四）在m _的最大强度，H反射完全取消，M-波到达平台期。尔斯/ ftp_upload / 52974 / 52974fig6highres.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

期间的MVC极大VAL进行评价。图5示出了MVC中电刺激诱发一个叠加转矩。刺激所诱导的效果反映一个不完整的招募马达单元和/或电机单元的次最大放电频率，并因此在自愿活化的赤字（见刺激在图5中的中间的效果）。作为前述参数，最大VAL取决于条件（收缩如水平，疲劳^）21。

这些不同的技术先前已验证。事实上，最近的研究表明并购浪潮良好的可靠性和相关的峰值扭矩抽动^22，H反射^14，最大VAL ^41。

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Discussion

经皮神经刺激使的神经肌肉系统不仅要了解神经运动功能的健康人的基本控制，而且还能够通过疲劳或训练¹⁷来分析急性或慢性改编许多特征的量化。这是非常有益的特别是对疲劳的协议，其中，测量必须尽快进行锻炼结束后，以避免快速恢复⁴²的影响。

虽然许多研究都集中在小腿三头肌^24，经皮神经刺激可以在其它下肢施加（例如胫前^43,44，股四头肌^45,46）和上肢肌肉（例如肱二头肌^32，桡侧腕屈肌⁴⁷ ，手指肌肉^48）。然而，神经刺激为一些MUSCL潜在方法的局限性上课。例如，从肱二头肌获得H反射可能很难获得在休息^49。此外，刺激肌皮神经在臂丛神经导致双方激动剂和拮抗剂肌肉³²的收缩，诱发自愿激活水平的错误评估。记录附近肌肉活动允许实验者以确保只有在目标肌肉被激活，或至少限制激活这些附近的肌肉的。为了克服这些限制，一些学者认为，通过刺激肌腹较大的电极可以是一个可靠的方法，以唤起M-波和抽搐^32,50。然而，肌肉内的轴突终末支的空间组织可以肌肉之间的差异。因此，马达单元的激活会刺激神经和肌肉⁵¹之间变化。神经刺激激活运动单位根据大小原则，而招募令durin摹直接肌肉刺激更多的是依赖肌纤维的刺激电极⁵⁰下的空间组织时。

在H反射的突触方面允许脊髓兴奋性神经刺激可靠的评估。然而，必须指出的是，IA-α运动神经元的突触会受到众多皮质的影响，如受瞩目^52，视觉环境^53，头部运动⁵⁴或甚至下巴紧握^55。外围因素也可以影响响应振幅，诸如从肌肉拉伸⁵⁶传入的反馈。被检体的姿势也可以仔细控制对于在实验过程中，并通过实验会议，以尽量减少皮质脊髓的影响^29。此外，熟悉会话可以减少闭会期间的变化，尤其是对新手科目^57。

除了这些physiologiCal的担忧，刺激的特点（如强度，位置）可以广泛影响的结果。虽然_m最大响应达到接近最大强度的高原，H _最多获得一个特定的强度。因此，刺激的强度来获得_h最大是更容易变异性的条件。为了确保不同条件下的良好的可靠性（例如新鲜或疲劳的肌肉），刺激的强度应被设置为_h最大强度或以下，当反射反应出在加入曲线⁵⁸的上升部分。的确，H反射振幅可以被改变为强度以上_h最大强度由于反射和逆向截击（图2，编号3'和编号2）之间的碰撞。此外，还建议了H反射振幅被归一化到M _最大响应（H / M _max比）。已经表明，该方法允许可靠INTER-和个体内的比较^59。

在推断电动机指令的性质，虽然VAL技术已被证明是一种可靠的技术来评估下行而言命令⁴⁰和中央疲劳^19,60，这种方法存在一定的局限性。事实上，一些作者认为VAL高估最大肌肉激活^{61 - 63。}它可能是不够敏感期间收缩90％以上的MVC ⁶²检测的变化激活水平。此外，使用成对刺激来评价VAL可以增加不适感的受试者^64。尽管最大自主活化的评价，这种方法不提供有关皮质脊髓兴奋性信息。经颅磁刺激可用于在这个水平上⁶⁵来评估的变化^{- 67。}

使用RMS _肌电图 / RMS 肌电图 / M _最大比例可以保持不变，而抽搐插值技术凸显了肌肉激活⁶⁸显著下降。然而，在RMS _肌电 /有效值_M最大比允许实验者来评估同一肌肉群的不同个体的肌肉的活化（例如比目鱼肌，腓肠肌内侧和外侧腓肠肌为小腿三头^）17。

应特别注意采取经皮神经刺激就刺激方案和数据分析，以避免误解，并允许不同的研究之间的比较。许多作者先前建立的方法建议，记录和经皮电刺激^20,29,34,59分析数据。特别是，跖屈肌肌肉似乎是一个困难的肌肉群收缩最大^{69 - 71。}需要实践，以确保参与者，尤其是在人口受损神经肌肉功能，能够高水平自愿活化之前实验测试^72,73。因此，MVC相关的措施，比如自愿激活将代表错误的值可能反映了一个缺乏实践或等距MVC的尝试，而不是神经肌肉功能的缺陷或限制数量不足。一个熟悉会话应该使用经皮神经刺激和/或最大努力，所有的研究之前进行。

经皮神经电刺激可用于评估神经肌肉可塑性以下急性（疲劳）或慢性（训练/下火车）练习。例如，麻风病人等人观察到⁷⁴的减少岑二尖瓣激活（自愿激活水平）和四头肌的下一个长时间骑自行车运动肌肉参数（峰值抽搐，M-波）。继长期运动，Duchateau和埃诺⁷⁵等距观察和动态培训不同的效果峰值扭矩抽搐性，这表明骨骼肌适应不同的种类的培训计划。电神经刺激也是在各种条件下，如姿态^27或并发脑力任务²¹以评价神经肌肉系统的在线适应有用。这种方法可用于不仅在基础研究，而且在临床领域^76。实际上，神经电刺激已经被用于研究在老年人^77和不同的疾病，如中风⁷⁸或帕金森氏病⁷⁹中央驱动。神经肌肉可塑性也可以在病理种群中治疗/ retra评估进不去项目^80。

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Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Biodex dynamometer	Biodex Medical System Inc., New York, USA		www.biodex.com
MP150 Data Acquisition System	Biopac Systems Inc., Goleta, USA
Acknowledge 4.1.0 software	Biopac Systems Inc., Goleta, USA		www.biopac.com
DS7A constant current high voltage stimulator	Digitimer, Hertfordshire, UK		www.digitimer.com
Silver chloride surface electrodes	Control Graphique Medical, Brie-Comte-Robert, France
Computer
1 Cable for connecting the Biodex to the MP150
1 Cable for connecting the Digitimer to the MP150
1 Cable for connecting the MP150 to the computer