Waiting
登录处理中...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Vurdering av nevromuskulær funksjon Bruke Percutaneous elektrisk nervestimulering

Published: September 13, 2015 doi: 10.3791/52974
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1INSERM U1093, Faculty of Sport Sciences, Univ. Bourgogne Franche–Comté, 2Neural Control of Movement Laboratory, School of Medicine, Faculty of Science, Medicine and Health, University of Wollongong

Introduction

Perkutan elektrisk nervestimulering er mye brukt til å vurdere neuromuskulær funksjon 1. Grunnprinsippet består av indusere en elektrisk stimulans til en perifer motorisk nerve å fremkalle en muskelkontraksjon. Mekanisk (dreiemoment måling) og elektrofysiologiske (elektromyografi aktivitet) svar er samtidig registrert. Dreiemoment, innspilt på anses felles, er vurdert å bruke en ergometersykkel. Den elektromyografiske (EMG) signal registreres ved hjelp av overflateelektroder har vist seg å representere aktiviteten av muskelen 2. Denne ikke-invasiv metode er ikke smertefullt og lettere implementert enn intramuskulære innspillinger. Både monopolare og bipolare elektroder kan benyttes. De monopolare elektrodeutformingen har vist seg å være mer følsomme overfor forandringer i muskelaktivitet 3, som kan være nyttig for små muskler. Imidlertid har bipolare elektroder er vist å være mer effektive i å forbedre signal-til-støy-rasjo 4 og er mest brukt som en metode for opptak og kvantifisere motorenheten aktivitet. Metodikken beskrevet nedenfor vil fokusere på bipolare innspillinger. EMG-aktivitet er en indikator for effektiviteten og integriteten til det nevromuskulære system. Bruken av perkutan nervestimulering gir ytterligere innsikt i nevromuskulær funksjon, det vil si endringer på muskuløs, spinal eller supra-spinal nivå (figur 1).

Figur 1
Figur 1:. Oversikt over de nevromuskulære målinger STIM: nervestimulering. EMG: Elektromyografi. VAL: Frivillig Aktivering nivå. RMS: Root Mean Square. M max: Maximal M-wave amplitude.

I hvile, er forbindelsen muskel aksjonspotensialet, også kalt M-bølge, på kort ventetid respons observert etter stimulus gjenstand, og representerer nervøs muskelmasse ved den direkte Activ asjon av motor axoner fører til muskel (Figur 2, nummer 3). M-wave amplitude øker med intensiteten til du kommer til et platå av sin maksimale verdi. Dette svaret, som kalles M max, representerer synkron summering av alle motoriske enheter og / eller muskelfiberaksjonspotensialer registrert under overflaten EMG elektroder 5. Utviklingen av topp-til-topp amplitude eller bølge område blir brukt til å identifisere endringer av neuromuskulær transmisjon 6. Endringer i de mekaniske responser forbundet med M-bølgen, dvs. topp rykk moment / kraft, kan skyldes forandringer i muskel eksitabilitet og / eller inne i muskelfibrene 7. Foreningen av M max amplitude og peak rykk dreiemoment amplitude (Pt / M ratio) gir en indeks av elektromekanisk effektiviteten av muskelen 8, dvs. mekanisk respons for en gitt elektrisk motor kommando.

52974 / 52974fig2.jpg "/>
Figur 2:. Motor og refleksive trasé aktiveres av nervestimulering Elektrisk stimulering av en blandet (motor / sensorisk) nerve (STIM) induserer en depolarisering av både motor axon og Ia afferent avfyring. Depolarisering av Ia afferente mot ryggmargen aktiverer en alfa motoneuron, som i sin tur fremkaller et H-refleks respons (bane 1 + 2 + 3). Avhengig av stimulus intensitet, fremkaller motor axon depolarization en direkte muskuløs svar: M-wave (pathway 3). Ved maksimal M-bølge intensitet, er en antidromic gjeldende også generert (3 ') og kolliderer med refleks volley (2). Denne kollisjonen helt eller delvis opphever H-refleks respons.

H-refleks er en elektrofysiologisk respons brukes til å vurdere endringer i Ia-α motoneuron synapse 9. Denne parameteren kan vurderes ved hvile eller under frivillige sammentrekninger. H-refleks representerer en variant av strekningen refleks (figur 2, number 1-3). H-refleks aktiverer motoriske enheter monosynaptically rekruttert av Ia afferente trasé 10,11, og kan bli utsatt for perifere og sentrale påvirkninger 12. Metoden for frembringer et H-refleks er kjent for å ha en høy intraindividuell pålitelighet for å vurdere spinal eksitabilitet i ro 13,14 og under isometriske kontraksjoner 15.

Under en frivillig sammentrekning, kan størrelsen av det frivillige neurale driv vurderes ved hjelp av amplituden av EMG-signalet, vanligvis kvantifisert ved hjelp av Root Mean Square (RMS). RMS EMG brukes ofte et middel for å kvantifisere nivået av magnetisering av motorsystem under frivillig kontraksjon (figur 1). På grunn av den intra- og interindividuell variasjon 16, har RMS EMG å bli normalisert ved hjelp av EMG registrert under en muskel-spesifikk maksimal frivillig kontraksjon (RMS EMGmax). I tillegg, fordi endringer i EMG-signalet kan be på grunn av endringer i perifert nivå, normalisering ved hjelp av en perifer parameter slik som M-bølgen er nødvendig for å vurdere bare den sentrale komponent av EMG-signalet. Dette kan gjøres ved å dividere RMS EMG ved maksimal amplitude eller RMS Mmax av M-bølgen. Normalisering bruker RMS Mmax (dvs. RMS EMG / RMS Mmax) er den foretrukne metoden som det tar hensyn til mulig endring av M-bølgen varighet 17.

Motoriske kommandoer kan også bli vurdert ved å beregne den frivillige aktiveringsnivå (VAL). Denne metoden bruker rykk interpolasjonsteknikk 18 ved over en elektrisk stimulering på M maks intensitet under en maksimal frivillig kontraksjon. Den ekstra dreiemoment fremkalt ved å stimulere nerve blir sammenlignet med en kontroll rykk fremstilt ved identisk nervestimulering i en avslappet forsterkes muskel 19. For å evaluere maksimal VAL, den opprinnelige rykk interposjons teknikk beskrevet av Merton 18 innebærer en enkelt stimulus interpolert over en frivillig kontraksjon. Nylig har anvendelsen av parede stimulering blitt mer populære fordi de fremkalte trinn moment er større, lettere detekteres, og mindre variabel sammenlignet med enkeltstimulerings responser 20. Den VAL gir en indeks av kapasiteten i det sentrale nervesystemet til maksimalt aktivere musklene som arbeider 21. Foreløpig VAL evaluert ved hjelp av trekning interpole teknikken er den mest verdifulle fremgangsmåte for å vurdere nivået av muskelaktivering 22. Videre maksimalt dreiemoment vurderes å bruke en ergometersykkel er det mest riktig studert styrke testing parameter som gjelder for bruk i forskning og kliniske settinger 23.

Elektrisk nervestimulering kan brukes i en rekke muskelgrupper (f.eks albue flexors, håndleddet flexors, kne extensor, plantar flexors). Men gjør nerve tilgjengelighet påTeknikken vanskelig i enkelte muskler grupper. De plantar flexor muskler, spesielt triceps surae (soleus og gastrocnemii) muskler, ofte undersøkt i litteraturen 24. Faktisk er disse musklene involvert i bevegelse, rettferdiggjør deres spesielle interesse. Avstanden mellom stimulering området og opptakselektroder muliggjør identifikasjon av de forskjellige fremkalt av bølger triceps surae de muskler. Den overfladiske del av bakre tibial nerve i popliteal fossa og det store antall spindler gjøre det lettere å ta opp refleks respons sammenlignet med andre muskler 24. Av disse grunner, fokuserer i dag presentert refleks metodikk på triceps surae gruppe av muskler (soleus og gastrocnemius). Målet med denne protokollen er derfor å beskrive perkutan nervestimulering teknikk for å undersøke nevromuskulær funksjon i triceps surae.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De eksperimentelle prosedyrene beskrevet mottatt Institutional etisk godkjenning og er i samsvar med Helsinkideklarasjonen. Data ble samlet inn fra en representant deltaker som var klar over de prosedyrer og ga sin skriftlig informert samtykke.

1. Instrument Forberedelse

  1. Rengjør huden ved elektroden beliggenhet ved barbering, og fjerne smuss med alkohol for å oppnå lav impedans (<5 kohm).
  2. Plassere to AgCl overflateelektroder (innspilling diameter på 10 mm) ved 2/3 av linjen mellom de mediale condylis av femur til den mediale malleolus for soleus muskelen; på den mest fremtredende bule av muskelen for den mediale gastrocnemius; på 1/3 av avstanden langs en linje mellom hodet av fibula og hælen for sideveis gastrocnemius; og ved 1/3 av avstanden langs en linje mellom tuppen av fibula og spissen av den mediale malleolus for tibialis anterior muskel, med en interelectrode avstand (sentrum-til-sentrum) på 2 cm, i henhold til de anbefalinger SENIAM 30.
    Merk: soleusmuskelen elektroder må være plassert under distal innsetting av gastrocnemii muskler til å sikre at de ikke tar opp aktivitet fra lederne for de gastrocnemii muskler (cross-talk).
  3. Plasser en referanseelektrode i en sentral posisjon på samme etappe (mellom stimulering og innspillingssteder).
  4. Juster høyde og dybden av stolen for å oppnå en ankel vinkel på 90 ° (0 ° = fullstendig plantarfleksjon), slik at soleus muskler og gastrocnemii ikke er strukket, og H-refleksen ikke endret 11,12.
    1. Still kneet vinkelen ved 90 ° C (0 ° = fullstendig kne forlengelse) på grunn av arten av de biarticular gastrocnemii muskler. Men den optimale ankelen vinkel for å utføre en maksimal frivillig moment av plantar flexors er 70-80 ° (0 ° = fullt plantar fleksjon) 26. Dermed vil ankel vinkel avhenge av parameter av interesse (elektro versus mekaniske opptak).
      Merk: Uavhengig av valgt innledende vinkel, må den være konstant gjennom hele eksperimentet å standardnevromuskulær eksitabilitet 11,12,27,28.
    2. Vær spesielt oppmerksom når overvåking fagenes holdning under testen for å opprettholde konstant CORTICO-vestibular påvirkninger på oppstemthet av motoren bassenget 29.
  5. Fast stroppen ankelen til en ergometersykkel, med den anatomiske aksen av leddet (ekstern malleolus) i flukt med rotasjonsaksen for den 25 ergometer.
    1. Har faget øve press på en fotplate festet til ergometer å registrere plantar flexor dreiemoment. Holde foten i ro under hele forsøket, slik at små endringer i momentet kan oppdages.
  6. Merk: Under visse omstendigheter kan hælen løfte litt av kraften plate hvis foten og ankelen ikke er sikret, noe som kan lead til en ufullstendig overføring av dreiemomentet mot platen. Figur 3 viser en beskrivelse av det eksperimentelle oppsett.

Figur 3
Figur 3:. Experimental setup Classical eksperimentelt oppsett for å spille inn elektromyografiske (EMG) og dreiemoment signaler.

  1. Koble elektrodene til forsterkeren med kabler.
  2. Sett samplingsfrekvens for dreiemoment og EMG målingene 2-5 kHz. Spill EMG-signalet ved hjelp av en analog-til-digital (AD) konvertering system. Signalet blir vist på en monitor med et datainnsamlingssystem, noe som umiddelbart gir verdier av flere parametre (f.eks maksimalverdi, topp-til-topp amplitude, varighet). Spekteret av EMG-signalet kan variere mellom 5 Hz og 2 kHz, men er i hovedsak inneholdt mellom 10 Hz og en 31 kHz. Dermed må samplingfrekvens være høy nok til å bevare spektrum during EMG opptak. Forsterke og filtrere EMG-signaler (gain = 500-100) med en frekvens båndbredde mellom 10 Hz og 1 kHz 8,21,32.
  3. Plasser anode for elektrisk stimulering over patellarsenen.
  4. Bestemme den beste stimulering stedet for det bakre tibial nerve å få et optimalt soleus H refleks for en gitt intensitet, ved hjelp av en håndholdt katode ball elektrode i popliteal fossa. Teste flere stimulerings nettsteder med katoden ball elektroden til en maksimal verdi av H refleks er nådd.
    1. Record tibialis anterior EMG-aktivitet for å sikre at den felles peroneal nerve ikke er aktivert for å unngå påvirkning fra antagonist Ia afferenter 12. Still pulsbredde på 1 msek for å gi en optimal aktivering av nervefibre, særlig afferente fibre 10.
  5. Plasser en selvklebende AgCl katode på plasseringen av stimulering området for å sikre konstant stimulans tilstand (f.eks trykk, orientasjon).
    Merk: Alle disse parametrene (subjektposisjon, elektrode plassering og stimulering språk) ikke endrer for vurderingen av de ulike elektrofysiologiske målinger. Bare intensiteten av stimuleringen og tilstanden (resten versus sammentrekning) varierer.

2. Testing Prosedyrer på Rest

  1. Instruere lagt forbli avslappet og holde hans / hennes musklene i ro.
  2. Juster stimulering intensitet for å oppnå maksimal soleus H-refleks amplitude (H max; vanlige utvalget: 20-50 mA). En M-bølgen av soleus muskelen kan observeres på H max intensitet.
    Merk: For gjentatte målinger (f.eks før og etter en strabasiøs protokoll), til den optimale intensiteten få en H maks respons kan variere i løpet av økten. Som å holde en konstant intensitet kan føre til en undervurdering av H max amplitude, anbefales det at eksperimentator regelmessig evaluerer H maxintensitet 33.
  3. Spill et minimum av tre soleus H-refleks svar på denne intensitet med et minimumsintervall på 3 sek for å unngå post-aktivering depresjon 34.
    Merk: Selv om opptak av flere reaksjoner er mer egnet på grunn av den spesielle følsomheten til H-refleksen kan en enkel stimulering være tilstrekkelig under visse omstendigheter, for eksempel når man prøver å unngå effekten av rask bedring (for eksempel i løpet av en slitsom protokoll).
  4. Øke stimulering intensitet for å oppnå maksimal soleus M-bølgeamplituden (M maks, vanlig Område: 40-100 mA). Vanligvis angir økningen i stimulering intensitet på 2-4 mA, med et intervall på 8-10 sek mellom to stimuli 12,35. Den ønskede intensitet er nådd når M max, og det oppnås ikke noe H-refleks reaksjon kan observeres.
  5. Angi den endelige intensiteten til 120-150% av M maks stimulus intensitet for å sikre at M-bølgen oppnår et platå av sin maksimale verdi. Dette intensity kalles supramaksimalt intensitet i instruksjonene nedenfor.
  6. Hold konstant stimulering intensitet for soleus M-bølge opptak gjennom hele økten.
  7. Rekord 3 soleus M-bølger og 3 forbundet rykk momentene ved denne intensiteten.

3. Testing prosedyrer under frivillig sammentrekning

  1. Som en varm opp, spør om å utføre 10 korte og ikke-strabasiøs submaksimale sammentrekninger av plantar flexor muskler, med noen få sekunder hvile mellom hver av sammentrekninger. På slutten av det varme opp, ta minimum 1 min hvile for å unngå eventuelle utmattende effekter 11.
  2. Kontinuerlig rekord triceps surae EMG aktivitet. Opptak soleus og gastrocnemii muskler tillater analyse av atferden til ulike muskel typologier for en enkelt stimulering side 24.
  3. Instruere lagt utføre en isometrisk maksimal frivillig kontraksjon (MVC) av plantar flexors. Faget har å presse så hardt som imidlegelig mot ergometer ved kontrahering hans plantar flexor muskler. Gi visuell tilbakemelding til emnet under innsatsen, og standardisert verbal oppmuntring 19. MVC er nådd når et platå er observert.
  4. Levere en sammenkoblet stimulering (100 Hz frekvens) ved supramaksimal intensitet i løpet av platået av MVC (lagret dublett), og en annen sammenkoblet stimulering når muskelen er fullstendig avslappet umiddelbart etter kontraksjon (forsterkes dublett) for å evaluere den frivillige aktiveringsnivå. Levere dette paret stimulering gjennom en bestemt enhet (f.eks Digi D185 MultiPulse Stimulator) eller gjennom en stimulering program knyttet til en enkelt puls stimulator.
  5. Instruere underlagt utføre en andre MVC av plantar flexor med minst 1 min pause mellom hvert forsøk 11. Hvis det maksimale dreiemomentet fra det andre forsøket ikke er innenfor 5% av den første, må ytterligere studier utføres 36. Den største dreiemoment oppnås vedfaget er tatt som MVC dreiemoment.

4. Data Analysis

  1. Data Analysis på Rest
    1. Velg et tidsvindu inkludert EMG responsen forbundet med rykk i ro (H-bølge eller M-wave).
    2. Måle topp-til-topp amplitude, peak-to-peak varighet, og / eller i området av bølgene (figur 4A). Dersom amplituden ikke er direkte gitt av programvaren, trekke fra minimum til maksimumsverdiene.
      1. For varigheten, måle tidsrommet fra den maksimale topp og slutter til det minimale topp. For området beregne integralet av EMG-signal som starter fra begynnelsen av bølgen og slutter til enden av bølgen.
        Merk: topp-til-topp amplitude kan reflektere: 1) nevromuskulær overføring, 2) motoraggregatet aksjonspotensial amplitude og / eller 3) tidsmessige fordeling av motorenhetens aksjonspotensial 37. M-bølgen varighet reflekterer nevromuskulær forplantning 37.
      2. For flere prøvelser, beregne gjennomsnittet av bølgene. Hvis den gjennomsnittlige ikke direkte kan gis av programvare, bruk regneark programvare (f.eks formelen funksjon i et regnearkprogram) for å beregne denne verdien fra flere studier (minst 3).
      3. Velg hviler rykk.
      4. Mål maksimalt dreiemoment forbundet med hvile rykk (4B).
      5. For flere prøvelser, beregne gjennomsnittlig maksimalt dreiemoment på de hviler rykninger. Hvis den gjennomsnittlige ikke direkte kan gis av programvare, bruk regneark programvare (f.eks formelen funksjon i et regnearkprogram) for å beregne denne verdien fra flere studier (minst 3).
      6. Gjenta disse prosedyrene som er beskrevet i punkt 4.1.2 for de andre ønskede parametere (sammentrekning tid eller halv avslapning tid). Analysen av rykk parametere gir indikasjoner på eksitasjon-kontraksjon kopling effektivitet 17. Spesielt kontraktion tid gir en indeks for sammentrekning kinetikk 8, som kan være avhengig av de valgte muskelgruppe 38.
      7. Beregne forholdet mellom toppmoment og summen av m-bølger ved hjelp av regnearkprogram (for eksempel Excel), for å kvantifisere elektromekanisk effektivitet (P t / M). Den mekaniske responser fremkalt av bakre tibial nervestimulering tilsvarer aktiveringen av triceps surae som en helhet, må amplitudene til soleus og gastrocnemii M-bølger summeres 39.

    Figur 4
    Figur 4: Forklaring av elektrofysiologiske og mekaniske responser (A) måling av topp-til-topp amplitude (mV), latens (ms) og området (mV.ms) av en typisk M-bølge.. (B) Måling av peak napp dreiemoment (Nm), sammentrekning tid (ms) og halv avslapping tid (ms) av et rykk.

    1. Dataanalyse i sammentrekning
      1. Velger en 500 ms tidsvinduet for soleus EMG-aktivitet under platået MVC dreiemoment, inkludert maksimalt dreiemoment, men unntatt tiden mellom stimulering gjenstanden og enden av den stille perioden EMG. Den stille perioden svarer til undertrykkelse av den pågående frivillig EMG-aktivitet etter stimulering.
      2. Hvis root mean square (RMS) er ikke direkte gitt av programvare, beregne RMS å kvantifisere EMG aktivitet ved hjelp av følgende formel 40: RMS EMG
        Ligning 1
      3. Måle eller beregne RMS M max i ro over varigheten av bølgen.
      4. Beregne RMS EMG / RMS Mmax ratio bruker regnearkprogrammer.RMS EMG verdi og RMS Mmax verdi må velges fra den samme muskelen.
      5. Måle den maksimale dreiemoment på MVC fra grunnlinjen av dreiemomentet i ro til den maksimale verdi av MVC med unntak av den overlagret momentet indusert ved stimulering dublett (figur 5).
      6. Mål lagret momentet indusert av dublett stimulering i løpet av MVC, fra den frivillige dreiemomentverdi ved starten av stimuleringen til toppen av fremkalt respons (figur 5).
      7. Velg forsterkes dublett.
      8. Mål maksimalt dreiemoment tilknyttet forsterkes dublett.
      9. Beregn frivillig aktiveringsnivå (VAL) med følgende formel 40:
        Ligning 1

    Figur 5
    Figur 5: Måling av lagret ogforsterkes dublett på mekanisk signal. For å ta opp lagret maksimalt dreiemoment (PTS), er stimulering dublett fremkalt under platået isometrisk maksimal frivillig kontraksjon (MVC). For å ta opp forsterkes maksimalt dreiemoment (Pt P), er stimulering dublett fremkalt ved hvile etter forskyvningen av MVC.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Økende stimulus intensiteten fører til en annen utvikling av respons amplituder mellom H- og M-bølger. I hvile, når H-refleksen en maksimal verdi før de blir fullstendig fraværende fra EMG-signal, mens M bølge øker progressivt inntil nå et platå ved maksimal intensitet (se figur 4 for en grafisk fremstilling av M-bølgen og figur 6 for utviklingen av M-bølger og H-refleks med intensitet). For soleus muskelen, er det ventetid mellom stimulus utbruddet og M-bølge ca. 10 msek (figur 4A), og vanligvis mellom 25 og 40 ms for H-bølge. Imidlertid vil det ventetid variere mellom muskelgrupper og individets lem lengde eller total høyde, på grunn av avstanden mellom området stimulering og muskelen. Når stimulerende på M-max intensitet, vil en maksimal peak rykk dreiemoment også observert (Figur 4B). M-bølger, H-reflekser og topp rykk dreiemomenter vil variere avhengig betingelse. For eksempel, disse parameterne har en tendens til å øke i løpet av frivillig sammentrekning, og reduksjon i nærvær av 17 tretthet.

Figur 6
Figur 6: Typiske rekrutteringskurver ved hvile Amplituder av refleks svar (H-refleks, hvit rund) og direkte muskel svar (M-wave, svart runde) med økende stimulus intensitet.. Bunnplater presentere typiske spor på fire gradvis økt intensitet (fra A til B). (A) svak intensitet, fremkaller bare en H-refleks respons. (B) Intensitet tilveiebringe den maksimale H-bølgeamplituden (H max). (C) Ved intensitet utover H max, kollisjonen mellom antidromic og refleks salver induserer en reduksjon i H-respons amplitude. (D) At M maks intensitet, er H-refleks helt kansellert og M-bølge når et platå.iles / ftp_upload / 52974 / 52974fig6highres.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Maksimal VAL evalueres i løpet av en MVC. Figur 5 viser en lagret dreiemoment indusert av elektrisk stimulering under MVC. Effekten indusert ved stimulering skyldes en ufullstendig rekruttering av motorenhetene og / eller en submaksimal utladningsfrekvens av motorenhetene, og dermed et underskudd på frivillig aktivering (se effekten av stimuleringen i midten av figur 5). Som tidligere parametere varierer maksimal VAL avhengig av tilstanden (for eksempel graden av sammentrekning, tretthet) 21.

Disse forskjellige teknikker har tidligere blitt validert. Faktisk, nyere studier vist en god pålitelighet for M bølge og tilhørende topp rykk dreiemoment 22, H-refleks 14 og maksimal VAL 41.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Perkutan nervestimulering muliggjør kvantifisering av mange karakteristika for det nevromuskulære system ikke bare å forstå den grunnleggende styring av neuromotor funksjon i friske mennesker, men også for å være i stand til å analysere akutte eller kroniske tilpasninger gjennom tretthet eller opplæring 17. Dette er meget fordelaktig spesielt for utmattende protokoller, hvor målinger skal utføres så snart som mulig etter trening slutt for å unngå virkningene av hurtig gjenvinning 42.

Selv om mange studier har fokusert på triceps surae muskler 24, kan perkutan nervestimulering brukes i andre lavere lem (f.eks tibialis anterior 43,44, quadriceps muskler 45,46) og øvre lem muskler (for eksempel biceps brachii 32, radialis flexor carpi 47 , fingermusklene 48). Imidlertid presenterer nervestimulering potensielle metodiske begrensninger for noen muscles. For eksempel kan oppnå en H-refleks fra biceps brachii muskelen være vanskelig å få tak i ro 49. Videre stimulere musculocutaneous nerve over plexus brachialis fører til sammentrekning av både agonist og antagonist muskler 32, indusere feilaktig evaluering av den frivillige aktiveringsnivå. Opptak av nærliggende muskelaktivitet tillater experimenter for å sikre at bare den aktuelle muskelen er aktivert, eller i det minste å begrense aktivering av disse nærliggende muskler. For å overvinne disse begrensninger har noen forfattere antydet at stimulering over muskelen magen med større elektroder kan være en pålitelig metode for å fremkalle M-bølge og rykninger 32,50. Imidlertid kan den romlige organiseringen av aksonale terminal grener innenfor muskel varierer mellom muskler. Dermed vil motoriske enheter aktivering variere mellom nerve og muskelstimulering 51. Nervestimulering aktiverer motoriske enheter i henhold til størrelsen prinsippet, mens rekrutteringen orden During direkte muskelstimulering er mer avhengig av romlige organiseringen av muskelfibre under stimulerende elektrodene 50.

Monosynaptisk sider av H-refleksen tillate pålitelig vurdering av spinal eksitabilitet med nervestimulering. Det må imidlertid bemerkes at Ia-alfa motoneurons synapse kan være gjenstand for en rekke cortical påvirkninger, for eksempel emne oppmerksomhet 52, visuelle miljøet 53, hodebevegelser 54 eller kjeve knuger 55. Perifere faktorer kan også påvirke respons amplitude, som afferent tilbakemeldinger fra muskel strekk 56. Den holdning av faget har også være nøye kontrollert for under forsøkene og gjennom eksperimentelle økter for å minimere CORTICO-spinal påvirkninger 29. Videre kan familiarise økter redusere intersession variasjon, spesielt for nybegynnere fag 57.

Foruten disse physiologiCal bekymringer, stimuleringsegenskaper (f.eks intensitet, plassering) kan mye påvirke resultatene. Selv m Maks svar nå et platå nær maksimal intensitet, er H max oppnås for en bestemt intensitet. Derfor, for å oppnå stimulering av intensiteten H max er mer utsatt for variasjoner med betingelser. For å sikre god pålitelighet under ulike forhold (for eksempel fersk eller utmattet muskel), bør stimulus intensitet settes til H maks intensitet eller under, når refleks svar ligger i den stigende del av rekrutteringskurve 58. Faktisk kan H-refleksen amplitude endres for intensiteter oven H max intensitet på grunn av kollisjon mellom refleks og antidromic salver (Figur 2, nummer 3 'og nummer to). Det anbefales også at H-refleks amplitude normaliseres til M maks respons (H / M max ratio). Det har blitt vist at denne metoden gir pålitelig intER- og intra-individuelle sammenligninger 59.

Når det gjelder å utlede innholdet av motoren kommandoen, selv om VAL teknikken har vist seg å være en pålitelig teknikk for å vurdere synkende kommandoer 40 og sentral tretthet 19,60 Denne fremgangsmåte byr på visse begrensninger. Faktisk noen forfattere antydet at VAL overvurderer maksimal muskelaktivering 61-63. Det kan ikke være følsom nok til å detektere variasjoner i aktiveringsnivåer under sammentrekningene over 90% MVC 62. Videre, bruk av parede stimulering evaluere VAL kan øke ubehag for emner 64. Til tross for evaluering av maksimal frivillig aktivisering, ikke denne metoden ikke gir informasjon om Cortiço-spinal oppstemthet. Transkraniell magnetisk stimulering kan brukes til å vurdere endringer på dette nivået 65 - 67.

Bruken av RMS EMG / RMS EMG / M maks forholdet forblir konstant, mens den trekning interpolasjonsteknikk fremhever en betydelig reduksjon i muskelaktivering 68. Imidlertid tillater RMS EMG / RMS Mmax forholdet experimenter å evaluere aktivering av de forskjellige enkelte musklene i samme muskelgruppe (f.eks soleus, mediale og laterale gastrocnemius gastrocnemius for triceps surae) 17.

Spesiell oppmerksomhet bør tas med perkutan nervestimulering om stimulering protokollen og dataanalyse for å unngå feiltolkning og å tillate en sammenligning mellom ulike studier. Mange forfattere har tidligere etablert metodiske anbefalinger å registrere og analysere data fra perkutan elektrisk stimulering 20,29,34,59.Spesielt plantar bøyemuskler synes å være en vanskelig muskelgruppe å trekke seg sammen maksimalt 69-71. Praksis er nødvendig for å sikre at deltakerne, spesielt i populasjoner med nedsatt nevromuskulær funksjon, er i stand til høye nivåer av frivillig aktivering før eksperimentell testing 72,73. Dermed vil MVC-avhengige tiltak som frivillig aktivering representerer feilaktige verdier som trolig gjenspeiler en mangel på praksis eller et tilstrekkelig antall isometriske MVC forsøk snarere enn en svekkelse eller begrensning av nevromuskulær funksjon. En tilvennings økten skal utføres før alle studier med perkutan nervestimulering og / eller maksimal innsats.

Perkutan elektrisk nervestimulering kan brukes til å evaluere nevromuskulær plastisitet etter akutt (fatigue) eller kronisk (opplæring / nedtrening) øvelser. For eksempel, Lepers et al. 74 observert en reduksjon i CENtral aktivering (frivillig aktiveringsnivå) og muskuløse parametre (peak rykk, M-wave) av quadriceps muskel etter en langvarig sykling øvelse. Etter kronisk trening, Duchateau og Hainaut 75 observert ulike effekter av isometrisk og dynamisk treninger på topp rykk momentegenskaper, noe som tyder på at skjelettmuskulatur tilpasser seg ulikt på hva slags treningsprogrammer. Elektrisk nervestimulering er også nyttig for å evaluere elektroniske tilpasninger av den nevromuskulære system under forskjellige forhold, slik som stilling 27 eller en samtidig mental oppgave 21. Denne metoden kan brukes ikke bare i grunnleggende forskning, men også i den kliniske 76 domenet. Faktisk har elektrisk nervestimulering blitt brukt til å undersøke sentral stasjon hos eldre 77 og forskjellige sykdommer, slik som slag 78 eller Parkinsons sykdom 79. Nevromuskulær plastisitet kan også vurderes i patologiske populasjoner under behandlingen / Retraining program 80.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Desmedt, J. E., Hainaut, K. Kinetics of myofilament activation in potentiated contraction staircase phenomenon in human skeletal muscle. Nature. 217 (5128), 529-532 (1968).
  2. Bouisset, S., Maton, B. Quantitative relationship between surface EMG and intramuscular electromyographic activity in voluntary movement. American Journal of Physical Medicine. 51 (6), 285-295 (1972).
  3. Gabriel, D. A. Effects of monopolar and bipolar electrode configurations on surface EMG spike analysis. Medical Engineering and Physics. 33 (9), 1079-1085 (2011).
  4. Merletti, R., Rainoldi, A., Farina, D. Surface electromyography for noninvasive characterization of muscle. Exercise and Sport Sciences Reviews. 29 (1), 20-25 (2001).
  5. Lepers, R. Aetiology and time course of neuromuscular fatigue during prolonged cycling exercises. Science, & Motricité. 52, 83-107 (2004).
  6. Baudry, S., Klass, M., Pasquet, B., Duchateau, J. Age related fatigability of the ankle dorsiflexor muscles during concentric and eccentric contractions. European Journal of Applied Physiology. 100 (5), 515-525 (2007).
  7. Place, N., Yamada, T., Bruton, J. D., Westerblad, H. Muscle fatigue From observations in humans to underlying mechanisms studied in intact single muscle fibres. European Journal of Applied Physiology. 110 (1), 1-15 (2010).
  8. Scaglioni, G., Narici, M. V., Maffiuletti, N. A., Pensini, M., Martin, A. Effect of ageing on the electrical and mechanical properties of human soleus motor units activated by the H reflex and M wave. The Journal of Physiology. 548 (Pt. 2), 649-661 (2003).
  9. Schieppati, M. The Hoffmann reflex a means of assessing spinal reflex excitability and its descending control in man. Progress in Neurobiology. 28 (4), 345-376 (1987).
  10. Pierrot Deseilligny, E., Burke, D. The circuitry of the human spinal cord: its role in motor control and movement disorders. , Cambridge University Press. (2005).
  11. Duclay, J., Pasquet, B., Martin, A., Duchateau, J. Specific modulation of corticospinal and spinal excitabilities during maximal voluntary isometric shortening and lengthening contractions in synergist muscles. The Journal of Physiology. 589 (Pt. 11), 2901-2916 (2011).
  12. Grosprêtre, S., Papaxanthis, C., Martin, A. Modulation of spinal excitability by a sub threshold stimulation of M1 area during muscle lengthening. Neuroscience. 263, 60-71 (2014).
  13. Mynark, R. G. Reliability of the soleus H reflex from supine to standing in young and elderly. Clinical Neurophysiology. 116 (6), 1400-1404 (2005).
  14. Palmieri, R. M., Hoffman, M. A., Ingersoll, C. D. Intersession reliability for H reflex measurements arising from the soleus peroneal and tibialis anterior musculature. The International Journal of Neuroscience. 112 (7), 841-850 (2002).
  15. Chen, Y. S., Zhou, S., Cartwright, C., Crowley, Z., Baglin, R., Wang, F. Test retest reliability of the soleus H reflex is affected by joint positions and muscle force levels. Journal of Electromyography and Kinesiology. 20 (5), 987-987 (2010).
  16. Lehman, G. J., McGill, S. M. The importance of normalization in the interpretation of surface electromyography A proof of principle. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics. 22 (7), 444-446 (1999).
  17. Lepers, R. Interest and limits of percutaneous nerve electrical stimulation in the evaluation of muscle fatigue. Science, & Motricité. 70 (70), 31-37 (2010).
  18. Merton, P. A. Voluntary strength and fatigue. The Journal of Physiology. 123, 553-564 (1954).
  19. Gandevia, S. C. Spinal and supraspinal factors in human muscle fatigue. Physiological Reviews. 81 (4), 1725-1789 (2001).
  20. Shield, A., Zhou, S. Assessing voluntary muscle activation with the twitch interpolation technique. Sports Medicine. 34 (4), 253-267 (2004).
  21. Rozand, V., Pageaux, B., Marcora, S. M., Papaxanthis, C., Lepers, R. Does mental exertion alter maximal muscle activation. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 755 (2014).
  22. Place, N., Maffiuletti, N. A., Martin, A., Lepers, R. Assessment of the reliability of central and peripheral fatigue after sustained maximal voluntary contraction of the quadriceps muscle. Muscle and Nerve. 35 (4), 486-495 (2007).
  23. Kannus, P. Isokinetic evaluation of muscular performance: implications for muscle testing and rehabilitation. International Journal of Sports Medicine. 15, Suppl 1. S11-S18 (1994).
  24. Tucker, K. J., Tuncer, M., Türker, K. S. A review of the H reflex and M wave in the human triceps surae. Human Movement Science. 24 (5-6), 667-688 (2005).
  25. Taylor, N. A., Sanders, R. H., Howick, E. I., Stanley, S. N. Static and dynamic assessment of the Biodex dynamometer. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 62 (3), 180-188 (1991).
  26. Sale, D., Quinlan, J., Marsh, E., McComas, A. J., Belanger, A. Y. Influence of joint position on ankle plantarflexion in humans. Journal of Applied Physiology. 52 (6), 1636-1642 (1982).
  27. Cattagni, T., Martin, A., Scaglioni, G. Is spinal excitability of the triceps surae mainly affected by muscle activity or body position. Journal of Neurophysiology. 111 (12), 2525-2532 (2014).
  28. Gerilovsky, L., Tsvetinov, P., Trenkova, G. Peripheral effects on the amplitude of monopolar and bipolar H-reflex potentials from the soleus muscle. Experimental Brain Research. 76 (1), 173-181 (1989).
  29. Schieppati, M. The Hoffmann reflex a means of assessing spinal reflex excitability and its descending control in man. Progress in Neurobiology. 28 (4), 345-376 (1987).
  30. Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. Journal of Electromyography and Kinesiology. 10 (5), 361-374 (2000).
  31. Kamen, G., Sison, S. V., Du, C. C., Patten, C. Motor unit discharge behavior in older adults during maximal effort contractions. Journal of Applied Physiology. 79 (6), 1908-1913 (1995).
  32. Neyroud, D., Rüttimann, J., et al. Comparison of neuromuscular adjustments associated with sustained isometric contractions of four different muscle groups. Journal of Applied Physiology. 114, 1426-1434 (2013).
  33. Rupp, T., Girard, O., Perrey, S. Redetermination of the optimal stimulation intensity modifies resting H-reflex recovery after a sustained moderate-intensity muscle contraction. Muscle and Nerve. 41 (May), 642-650 (2010).
  34. Zehr, E. P. Considerations for use of the Hoffmann reflex in exercise studies. European Journal of Applied Physiology. 86 (6), 455-468 (2002).
  35. Gondin, J., Duclay, J., Martin, A. Soleus and gastrocnemii evoked V wave responses increase after neuromuscular electrical stimulation training. Journal of Neurophysiology. 95 (6), 3328-3335 (2006).
  36. Rochette, L., Hunter, S. K., Place, N., Lepers, R. Activation varies among the knee extensor muscles during a submaximal fatiguing contraction in the seated and supine postures. Journal of Applied Physiology. 95 (4), 1515-1522 (2003).
  37. Fuglevand, A. J., Zackowski, K. M., Huey, K. A., Enoka, R. M. Impairment of neuromuscular propagation during human fatiguing contractions at submaximal forces. The Journal of Physiology. 460, 549-572 (1993).
  38. Vandervoort, A. A., McComas, A. J. Contractile changes in opposing muscles of the human ankle joint with aging. Journal of Applied Physiology. 61 (1), 361-367 (1986).
  39. Grosprêtre, S., Martin, A. Conditioning effect of transcranial magnetic stimulation evoking motor evoked potential on V wave response. Physiological Reports. 2 (11), e12191 (2014).
  40. Allen, G. M., Gandevia, S. C., McKenzie, D. K. Reliability of measurements of muscle strength and voluntary activation using twitch interpolation. Muscle and Nerve. 18 (6), 593-600 (1995).
  41. Cooper, M. A., Herda, T. J., Walter Herda, A. A., Costa, P. B., Ryan, E. D., Cramer, J. T. The reliability of the interpolated twitch technique during submaximal and maximal isometric muscle actions. Journal of Strength and Conditioning Research. 27 (10), 2909-2913 (2013).
  42. Froyd, C., Millet, G. Y., Noakes, T. D. The development of peripheral fatigue and short term recovery during self paced high intensity exercise. The Journal of Physiology. 591 (Pt 5), 1339-1346 (2013).
  43. Pierrot Deseilligny, E., Morin, C., Bergego, C., Tankov, N. Pattern of group I fibre projections from ankle flexor and extensor muscles in man. Experimental Brain Research. 42 (3-4), 337-350 (1981).
  44. Brooke, J. D., McIlroy, W. E., et al. Modulation of H reflexes in human tibialis anterior muscle with passive movement. Brain Research. 766 (1-2), 236-239 (1997).
  45. Hultborn, H., Meunier, S., Morin, C., Pierrot Deseilligny, E. Assessing changes in presynaptic inhibition of I a fibres a study in man and the cat. The Journal of Physiology. 389, 729-756 (1987).
  46. Meunier, S., Pierrot Deseilligny, E. Cortical control of presynaptic inhibition of Ia afferents in humans. Experimental Brain Research. 119 (4), 415-426 (1998).
  47. Aymard, C., Baret, M., Katz, R., Lafitte, C., Pénicaud, A., Raoul, S. Modulation of presynaptic inhibition of la afferents during voluntary wrist flexion and extension in man. Experimental Brain Research. 137 (1), 127-131 (2001).
  48. Abbruzzese, G., Trompetto, C., Schieppati, M. The excitability of the human motor cortex increases during execution and mental imagination of sequential but not repetitive finger movements. Experimental Brain Research. 111 (3), 465-472 (1996).
  49. Garland, S. J., Klass, M., Duchateau, J. Cortical and spinal modulation of antagonist coactivation during a submaximal fatiguing contraction in humans. Journal of Neurophysiology. 99, 554-563 (2008).
  50. Rodriguez Falces, J., Place, N. Recruitment order of quadriceps motor units Femoral nerve vs direct quadriceps stimulation. European Journal of Applied Physiology. 113, 3069-3077 (2013).
  51. Rodriguez Falces, J., Maffiuletti, N. A., Place, N. Spatial distribution of motor units recruited during electrical stimulation of the quadriceps muscle versus the femoral nerve. Muscle and Nerve. 48 (November), 752-761 (2013).
  52. Bathien, N., Morin, C. Comparing variations of spinal reflexes during intensive and selective attention (author’s transl). Physiology, & Behavior. 9 (4), 533-538 (1972).
  53. Earles, D. R., Koceja, D. M., Shively, C. W. Environmental changes in soleus H reflex excitability in young and elderly subjects. The International Journal of Neuroscience. 105 (1-4), 1-13 (2000).
  54. Paquet, N., Hui Chan, C. W. Human soleus H reflex excitability is decreased by dynamic head and body tilts. Journal of Vestibular Research Equilibrium, & Orientation. 9 (5), 379-383 (1999).
  55. Miyahara, T., Hagiya, N., Ohyama, T., Nakamura, Y. Modulation of human soleus H reflex in association with voluntary clenching of the teeth. Journal of Neurophysiology. 76 (3), 2033-2041 (1996).
  56. Pinniger, G. J., Nordlund, M. M., Steele, J. R., Cresswell, a GH reflex modulation during passive lengthening and shortening of the human triceps surae. Journal of Physiology. 534 (Pt 3), 913-923 (2001).
  57. Tallent, J., Goodall, S., Hortobágyi, T., St Clair Gibson, A., French, D. N., Howatson, G. Repeatability of corticospinal and spinal measures during lengthening and shortening contractions in the human tibialis anterior muscle). PLoS ONE. 7 (4), e35930 (2012).
  58. Grospretre, S., Martin, A. H. reflex and spinal excitability methodological considerations. Journal of Neurophysiology. 107 (6), 1649-1654 (2012).
  59. Hugon, M. Methodology of the Hoffmann reflex in man. New Developments in Electromyography and Chemical Neurophysiology. 3m, 277-293 (1973).
  60. Bigland Ritchie, B., Zijdewind, I., Thomas, C. K. Muscle fatigue induced by stimulation with and without doublets. Muscle and Nerve. 23 (9), 1348-1355 (2000).
  61. Kent Braun, J. A., Le Blanc, R. Quantitation of central activation failure during maximal voluntary contractions in humans. Muscle and Nerve. 19 (7), 861-869 (1996).
  62. Herbert, R. D., Gandevia, S. C. Twitch interpolation in human muscles mechanisms and implications for measurement of voluntary activation. Journal of Neurophysiology. 82, 2271-2283 (1999).
  63. Miller, M., Downham, D., Lexell, J. Superimposed single impulse and pulse train electrical stimulation A quantitative assessment during submaximal isometric knee extension in young healthy men. Muscle and Nerve. 22 (8), 1038-1046 (1999).
  64. Button, D. C., Behm, D. G. The effect of stimulus anticipation on the interpolated twitch technique. Journal of Sports Science and Medicine. 7 (4), 520-524 (2008).
  65. Goss, D. a, Hoffman, R. L., Clark, B. C. Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System. Journal of Visualized Experiments. (59), e3387 (2012).
  66. Sartori, L., Betti, S., Castiello, U. Corticospinal excitability modulation during action observation. Journal Of Visualized Experiments: Jove. (82), 51001 (2013).
  67. Rozand, V., Lebon, F., Papaxanthis, C., Lepers, R. Does a mental training session induce neuromuscular fatigue. Medicine and Science in Sports and Exercise. 46 (10), 1981-1989 (2014).
  68. Rozand, V., Cattagni, T., Theurel, J., Martin, A., Lepers, R. Neuromuscular fatigue following isometric contractions with similar torque time integral. International Journal of Sports Medicine. 36, 35-40 (2015).
  69. Belanger, A. Y., McComas, A. J. Extent of motor unit activation during effort. Journal of Applied Physiology. 51 (5), 1131-1135 (1981).
  70. Morse, C. I., Thom, J. M., Davis, M. G., Fox, K. R., Birch, K. M., Narici, M. V. Reduced plantarflexor specific torque in the elderly is associated with a lower activation capacity. European Journal of Applied Physiology. 92 (1-2), 219-226 (2004).
  71. Dalton, B. H., McNeil, C. J., Doherty, T. J., Rice, C. L. Age related reductions in the estimated numbers of motor units are minimal in the human soleus. Muscle and Nerve. 38 (3), 1108-1115 (2008).
  72. Hunter, S. K., Todd, G., Butler, J. E., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Recovery from supraspinal fatigue is slowed in old adults after fatiguing maximal isometric contractions. Journal of Applied Physiology. 105 (4), 1199-1209 (2008).
  73. Jakobi, J. M., Rice, C. L. Voluntary muscle activation varies with age and muscle group. Journal of Applied Physiology. 93 (2), 457-462 (2002).
  74. Lepers, R., Millet, G. Y., Maffiuletti, N. a Effect of cycling cadence on contractile and neural properties of knee extensors. Medicine and Science in Sports and Exercise. 33 (11), 1882-1888 (2001).
  75. Duchateau, J., Hainaut, K. Isometric or dynamic training differential effects on mechanical properties of a human muscle. Journal of Applied Physiology. 56 (2), 296-301 (1984).
  76. Millet, G. Y., Martin, V., Martin, A., Vergès, S. Electrical stimulation for testing neuromuscular function From sport to pathology. European Journal of Applied Physiology. 111, 2489-2500 (2011).
  77. Cattagni, T., Scaglioni, G., Laroche, D., Van Hoecke, J., Gremeaux, V., Martin, A. Ankle muscle strength discriminates fallers from non fallers. Frontiers in Aging Neuroscience. 6, 336 (2014).
  78. Horstman, A. M., Beltman, M. J., et al. Intrinsic muscle strength and voluntary activation of both lower limbs and functional performance after stroke. Clinical Physiology and Functional Imaging. 28 (4), 251-261 (2008).
  79. Sica, R. E., Herskovits, E., Aguilera, N., Poch, G. An electrophysiological investigation of skeletal muscle in Parkinson’s disease. Journal of the Neurological Sciences. 18 (4), 411-420 (1973).
  80. Knikou, M., Mummidisetty, C. K. Locomotor Training Improves Premotoneuronal Control after Chronic Spinal Cord Injury. Journal of Neurophysiology. 111 (11), 2264-2275 (2014).

Tags

Neuroscience Elektrisk stimulering Elektromyografi M bølge H refleks Triceps surae muskler maksimal muskelaktivering Frivillig aktiveringsnivå Motor kommando
Vurdering av nevromuskulær funksjon Bruke Percutaneous elektrisk nervestimulering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rozand, V., Grosprêtre, S.,… More

Rozand, V., Grosprêtre, S., Stapley, P. J., Lepers, R. Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation. J. Vis. Exp. (103), e52974, doi:10.3791/52974 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter