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

Bedömning av neuromuskulära funktionen Använda perkutan elektrisk nervstimulering

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 nervstimulering används ofta för att bedöma neuromuskulär funktion 1. Grundprincipen består inducera en elektrisk stimulans till en perifer motorisk nerv att framkalla en muskelsammandragning. Mekanisk (momentmätning) och elektrofysiologiska (elektromyografisk aktivitet) svar samtidigt registreras. Vridmoment, inspelad på beaktad leden, bedöms med hjälp av en ergometer. Den elektromyografisk signal (EMG) som spelats in med ytelektroder har visat sig representera aktiviteten hos muskeln 2. Denna icke-invasiv metod är inte smärtsam och lättare implementeras än intramuskulära inspelningar. Både monopolära och bipolära elektroder kan användas. Den monopolära elektrodkonfigurationen har visat sig vara mer känslig för förändringar i muskelaktivitet 3, som kan vara användbart för små muskler. Emellertid har bipolära elektroder visats vara mer effektivt för att förbättra signal-till-brus ra tio 4 och används oftast som en metod för inspelning och kvantifiera motorenhet aktivitet. Den metod som beskrivs nedan kommer att fokusera på bipolära inspelningar. EMG-aktivitet är en indikator på effektiviteten och integriteten hos neuromuskulära systemet. Användningen av perkutan nervstimulering erbjuder ytterligare insikter i neuromuskulär funktion, det vill säga förändringar på muskulös, spinal eller supra-spinal nivå (Figur 1).

Figur 1
Figur 1:. Översikt över neuromuskulära mätningar Stim: nervstimulering. EMG: Elektromyografi. VAL: Frivillig aktiveringsnivå. RMS: Root Mean Square. Mmax: Maximal M-vågsamplitud.

I vila, är föreningen muskeln aktionspotentialen, även kallad M-våg på kort latens respons observerades efter stimulans artefakt, och representerar exciterbar muskelmassa genom direkt activ tion av motoriska axoner som leder till muskel (figur 2, nummer 3). M-vågsamplitud ökar med intensiteten tills den når en platå av dess maximala värde. Detta svar, som kallas M max, representerar den synkrona summering av alla motoriska enheter och / eller muskelfiberverkningspotentialer som registrerats under ytan EMG elektroderna 5. Utvecklingen av topp-till-topp-amplituden eller vågor området används för att identifiera förändringar av neuromuskulär transmission 6. Förändringar i de mekaniska svar i samband med M-vågen, det vill säga maximalt rycka vridmoment / kraft, kan bero på förändringar i muskel retbarhet och / eller inom muskelfibrerna 7. Associationen av M max amplitud och topp rycka vridmoment amplitud (Pt / M-förhållandet) ger ett index på elektromekanisk verkningsgrad muskeln 8, det vill säga mekanisk respons för en given elektrisk motor kommandot.

52974 / 52974fig2.jpg "/>
Figur 2:. Motor och reflexiva vägar aktiveras av nervstimulering Elektrisk stimulering av en blandad (motor / sensoriska) nerv (STIM) inducerar en depolarisation av både motor axon och Ia afferenta bränning. Depolarisering av la afferenter mot ryggmärgen aktiverar en alfa motoneuron, vilket i sin tur framkallar en H-reflexsvar (väg 1 + 2 + 3). Beroende på stimulusintensitet, väcker motor axon depolarisation en direkt muskelsvar: M-våg (väg 3). Vid maximal M-våg intensitet, är en antidromic ström genereras också (3 ') och kolliderar med reflex salva (2). Denna kollision helt eller delvis upphäver H-reflexen svar.

H-reflexen är en elektrofysiologisk reaktion som används för att bedöma förändringar i Ia-α motoneuron synaps 9. Denna parameter kan bedömas i vila eller under frivilliga sammandragningar. H-reflexen representerar en variant av stretchreflexen (figur 2, number 1-3). H-reflexen aktiverar motoriska enheter monosynaptically rekryterats av la afferenta vägar 10,11, och kan utsättas för perifera och centrala influenser 12. Metoden att framkalla en H-reflexen är känd för att ha en hög intraindividuella tillförlitlighet att bedöma spinal retbarhet i vila 13,14 och under isometriska kontraktioner 15.

Under en frivillig kontraktion, kan bedömas omfattningen av den frivilliga neurala disken med amplituden för EMG signalen generellt kvantifieras med användning av Root Mean Square (RMS). RMS-EMG används vanligtvis ett medel för att kvantifiera nivån av excitering av motorsystemet under frivillig kontraktion (Figur 1). På grund av den intra- och inter-individuell variabilitet 16, har RMS EMG att normaliseras med hjälp av EMG registreras under en muskelspecifikt maximal frivillig kontraktion (RMS EMGmax). Dessutom, eftersom förändringar i EMG-signalen kan be på grund av förändringar på perifer nivå, normalisering med hjälp av en perifer parameter såsom M-våg skyldig att bedöma bara den centrala delen av EMG-signal. Detta kan göras genom att dela RMS EMG av den maximala amplituden eller RMS Mmax av M-vågen. Normalisering använder RMS Mmax (dvs. RMS EMG / RMS Mmax) är att föredra eftersom det tar hänsyn till eventuella ändringar av M-våg längd 17.

Motor kommandon kan också utvärderas genom att beräkna aktiveringsnivå frivilligt (VAL). Denna metod använder rycka interpolationsteknik 18 genom att lägga en elektrisk stimulering vid M max intensitet under en maximal frivillig kontraktion. Den extra vridmoment som induceras genom att stimulera nerven jämförs med en kontrollmuskeln som produceras av samma nervstimulering i en avslappnad potentierad muskel 19. För att utvärdera maximal VAL, den ursprungliga rycka interpoförordning teknik som beskrivs av Merton 18 innebär en enda stimulus interpoleras över en frivillig kontraktion. På senare tid har användningen av parade stimulering blivit mer populärt eftersom steg framkallade vridmoment är större, lättare upptäcks, och mindre rörliga än enstaka stimuleringssvar 20. VAL ger ett index på kapaciteten hos det centrala nervsystemet till maximalt aktivera musklerna 21. För närvarande utvärderas VAL använda rycka interpolationsteknik är den mest värdefulla metoden för att bedöma graden av muskelaktivering 22. Dessutom maximala vridmomentet utvärderas med hjälp av en ergometer är den mest korrekt studerade hållfasthetsprovning parameter som gäller för användning inom forskning och kliniska miljöer 23.

Elektrisk nervstimulering kan användas i en mängd olika muskelgrupper (t.ex. armbåge flexors, handled flexors, knäextensorerna, plantar flexors). Men gör nerv tillgänglighet förteknik svårt i vissa muskler grupper. De plantar flexor muskler, särskilt triceps surae (soleus och gastrocnemii) muskler, ofta undersökts i litteraturen 24. I själva verket är dessa muskler involverade i förflyttning, motiverar sitt särskilt intresse. Avståndet mellan stimulerings webbplats och inspelning elektroder möjliggör identifiering av de olika framkallade vågor av triceps surae muskler. Den ytliga delen av den bakre tibialnerven i Poplietallymfknutor fossa och det stora antalet spindlar gör det enklare att spela in reflexsvar jämfört med andra muskler 24. Av dessa skäl fokuseras för närvarande presenteras reflex metodik på triceps surae grupp av muskler (soleus och gastrocnemius). Syftet med detta protokoll är därför att beskriva perkutan nervstimulering teknik för att undersöka neuromuskulär funktion i triceps surae.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De experimentella förfaranden som beskrivs fått Institutionella etiskt godkännande och i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Data samlades in från ett representativt deltagare som var medveten om de förfaranden och gav sitt skriftliga informerade samtycke.

1. Instrument Framställning

  1. Rengör huden vid elektroden plats genom rakning, och ta bort smuts med alkohol för att erhålla låg impedans (<5 kQ).
  2. Placera två AgCl ytelektroder (inspelning diameter på 10 mm) vid 2/3 av linjen mellan de mediala condylis av lårbenet till den mediala fotknölen för soleusmuskel; på den mest framträdande utbuktning av muskeln för den mediala gastrocnemius; vid 1/3 av avståndet längs en linje mellan chefen för vadben och hälen för den laterala gastrocnemius; och vid 1/3 av avståndet utmed en linje mellan toppen på vadbenet och spetsen på den mediala fotknölen för tibialis anterior, med en interelectrode avstånd (centrum till centrum) 2 cm, enligt SENIAM rekommendationerna 30.
    Obs: soleusmuskeln elektroder måste placeras under den distala införing av gastrocnemii muskler att säkerställa att de inte spelar in aktivitet från huvuden gastrocnemii musklerna (överhörning).
  3. Placera en referenselektrod i ett centralt läge på samma ben (mellan stimulans och inspelning platser).
  4. Justera höjden och djupet av stolen för att få en fotled vinkel på 90 ° (0 ° = full plantarflexion), så att soleus och gastrocnemii musklerna inte är sträckta och H-reflexen inte ändras 11,12.
    1. Ställ in knävinkel vid 90 ° (0 ° = fullständig knästräckning) på grund av den biarticular naturen hos gastrocnemii muskler. Men den optimala ankeln vinkel för att utföra en maximal frivillig vridmoment av plantar flexors är 70-80 ° (0 ° = full plantarflexion) 26. Således kommer ankelvinkeln beror på parameter av intresse (elektro kontra mekaniska inspelningar).
      Obs: Oavsett den valda initiala vinkel, måste det förbli konstant under hela experimentet att standardisera neuromuskulär retbarhet 11,12,27,28.
    2. Var särskilt uppmärksam vid övervakning av försökspersonernas kroppshållning under testet för att upprätthålla konstanta Cortico-vestibulära influenser på retbarhet av motorn pool 29.
  5. Fast rem ankeln till en ergometer, med den anatomiska axeln för leden (extern fotknölen) inriktad med rotationsaxeln hos ergometern 25.
    1. Har ämnet utöva påtryckningar på en fotplatta fäst ergometern att spela plantar flexor vridmoment. Att foten skall orörlig under hela experimentet, så att små förändringar i vridmoment kan detekteras.
  6. Obs: Under vissa omständigheter kan hälen lyft något av kraften plattan om foten och fotleden inte är säkrade, vilket kan leannons till en ofullständig överföring av vridmomentet mot plattan, fig. 3 presenterar en beskrivning av experimentuppställningen.

Figur 3
Figur 3:. Försöksuppställning Klassisk experimentuppställning för att spela in elektromyografi (EMG) och momentsignalerna.

  1. Anslut elektroderna till förstärkaren med kablar.
  2. Ställ in samplingsfrekvens för vridmoment och EMG mätningar 2-5 kHz. Anteckna EMG-signalen med användning av en analog-till-digital (AD) omvandlingssystemet. Signalen visas på en bildskärm med ett datainsamlingssystem, vilket omedelbart ger värden på flera parametrar (t.ex. maximalt värde, topp-till-topp-amplitud, varaktighet). Spektrumet av EMG-signalen kan variera mellan 5 Hz och 2 frekvenser kHz, men är huvudsakligen innesluten mellan 10 Hz och 1 kHz 31. Således måste samplingsfrekvensen vara tillräckligt hög för att bevara signalens form during EMG inspelning. Förstärk och filtrera EMG signaler (gain = 500-100) med en frekvens bandbredd mellan 10 Hz och 1 kHz 8,21,32.
  3. Placera anoden för elektrisk stimulering över knäskålssenan.
  4. Bestämma den bästa stimulerings platsen av den bakre tibialnerven att uppnå en optimal soleus H reflex för en given intensitet, med hjälp av en handhållen katod boll elektrod i Poplietallymfknutor fossa. Testa flera stimulans platser med katod bollen elektroden tills ett maximalt värde av H reflex nås.
    1. Spela tibialis anterior EMG verksamheten för att säkerställa att den gemensamma peronealnerven inte aktiveras för att undvika påverkan från antagonisten Ia afferenter 12. Ställ in pulsbredden på 1 ms för att ge en optimal aktivering av de nervfibrer, speciellt afferenta fibrerna 10.
  5. Placera en självhäftande AgCl katod på platsen för stimulerings plats för att säkerställa konstant stimulans tillstånd (t ex tryck, orientation).
    Obs: Alla dessa parametrar (subjektsposition, elektrod plats och stimulans språk) ändrar inte vid bedömningen av de olika elektrofysiologiska mätningar. Endast intensiteten av stimulans och villkoret (resten kontra kontraktion) varierar.

2. testförfaranden på Rest

  1. Instruera förutsättning att förbli avslappnad och hålla hans / hennes muskler i vila.
  2. Justera stimuleringsintensiteten för att erhålla maximal soleus H-reflex amplitud (H max, vanliga utbudet: 20-50 mA). En M-vågen av soleusmuskeln kan observeras på H max intensitet.
    Obs: För upprepade mätningar (t.ex. före och efter en tröttande protokoll), den optimala intensiteten få en H max svar kan variera under sessionen. Som att hålla en konstant intensitet kan leda till en underskattning av H max amplitud, rekommenderas att försöks omvärderar regelbundet H maxintensitet 33.
  3. Spela in ett minimum av 3 soleus H-reflex svar på denna intensitet med en minsta intervall på 3 sekunder för att undvika postaktiverings fördjupning 34.
    Notera: Även om du spelar in flera svar är mer lämplig på grund av den särskilt känslig för H-reflex, kan en enda stimulering vara tillräckligt under vissa omständigheter, till exempel när man försöker undvika effekterna av snabb återhämtning (t.ex. under en trött protokoll).
  4. Öka stimuleringsintensiteten för att erhålla maximal soleus M-vågsamplitud (M max, vanliga utbudet: 40-100 mA). Vanligtvis ställer ökningen i stimuleringsintensitet på 2-4 mA, med ett intervall på 8-10 sekunder mellan två stimuli 12,35. Den önskade intensiteten uppnås när M max erhålls, och kan observeras ingen H-reflex svar.
  5. Ställ den slutliga intensiteten till 120-150% av Mmax stimulusintensitet att säkerställa att M-vågen uppnår en platå av dess maximala värde. Denna intensity kallas supramaximal intensitet i instruktionerna nedan.
  6. Håll ständig stimulans intensitet för soleus M-våg inspelningar hela sessionen.
  7. Spela 3 soleus M-vågor och 3 associerade rycka vridmoment på denna intensitet.

3. testprocedurer Under Frivillig kontraktion

  1. Som en uppvärmning, be motivet att utföra 10 korta och icke-trött submaximala sammandragningar av plantar flexor musklerna, med ett par sekunder vila mellan varje sammandragningar. Vid slutet av uppvärmningen, ta minst 1 min vila för att undvika eventuella trött effekter 11.
  2. Kontinuerligt rekord triceps surae EMG-aktivitet. Inspelning soleus och gastrocnemii muskler kan analys av hur olika muskel typologier för en enda stimulerings plats 24.
  3. Instruera förutsättning att utföra en isometrisk maximal frivillig kontraktion (MVC) av plantar flexors. Ämnet måste driva så hårt som möjble mot ergometern av upphandlande sina plantar flexor musklerna. Ge visuell feedback till ämnet under ansträngning och standardiserad verbal uppmuntran 19. MVC uppnås när en platå observeras.
  4. Leverera en parade stimulering (100 Hz) vid supramaximal intensitet under platån av MVC (lagrade dublett), och en annan parade stimulering när muskeln är helt avslappnad omedelbart efter kontraktion (potentierad dublett) för att utvärdera aktiveringsnivå frivilligt. Leverera denna parade stimulering genom en specifik enhet (t.ex. Digitimer D185 multipuls Stimulator) eller via en stimuleringsprogram i samband med en enda puls stimulator.
  5. Instruera motivet att utföra en andra MVC av plantar flexor med minst en min vila mellan varje försök 11. Om toppvridmomentet från det andra försöket inte är inom 5% av den första, måste ytterligare prover utföras 36. Den största vridmoment uppnås genomämnet tas som MVC vridmoment.

4. Dataanalys

  1. Data Analysis på Rest
    1. Välj ett tidsfönster inklusive EMG svar i samband med rycka i vila (H-våg eller M-våg).
    2. Mät topp-till-topp-amplitud, topp-till-topp-varaktighet och / eller området av vågorna (Figur 4A). Om amplituden inte tillhandahålls direkt av programvaran, subtrahera minsta till de högsta värdena.
      1. Under den tid, mäta tidsramen utgående från den maximala topp och slutar med den minimala topp. För området, beräkna integralen av EMG-signalen från början av vågen och slutar i slutet av vågen.
        Obs: Topp-till-topp-amplitud kan reflektera: 1) neuromuskulär transmission, 2) motorenhet aktionspotentialens amplitud och / eller 3) temporal dispersion av motorenheten aktionspotential 37. M-våg längd speglar neuromuskulära förökning 37.
      2. För multipla försök, beräkna medelvärdet av vågorna. Om den genomsnittliga inte kan tillhandahållas direkt av programvaran, använda kalkylprogram (t.ex. formel funktion i ett kalkylprogram) för att beräkna detta värde från flera studier (minst 3).
      3. Välj vilande rycka.
      4. Mät maximalt vridmoment i samband med den vilande rycka (Figur 4B).
      5. För flera prövningar, beräkna den genomsnittliga maximalt vridmoment på de vilande ryckningar. Om den genomsnittliga inte kan tillhandahållas direkt av programvaran, använda kalkylprogram (t.ex. formel funktion i ett kalkylprogram) för att beräkna detta värde från flera försök (minst 3).
      6. Upprepa dessa förfaranden som beskrivs i punkt 4.1.2 för andra önskade parametrar (kontraktion tid eller halv avkoppling tid). Analysen av rycka parametrar ger indikationer på excitation-kontraktion kopplingseffektiviteten 17. I synnerhet kontraktion tid ger ett index på sammandragning kinetik 8, vilket kan bero på den valda muskelgrupp 38.
      7. Beräkna förhållandet mellan toppvridmomentet och summan av M-vågor med användning av kalkylprogram (t ex Excel), för att kvantifiera den elektromekaniska verkningsgraden (Pt / M). Eftersom de mekaniska svar framkallas av posterior tibia nervstimulering motsvarar aktiveringen av triceps surae som helhet, måste amplituder soleus och gastrocnemii M-vågor summeras 39.

    Figur 4
    Figur 4: Förklaring av elektrofysiologiska och mekaniska svar (A) Mätning av topp-till-topp-amplitud (mV), latens (ms) och i området (mV.ms) av en typisk M-vågen.. (B) Mätning av topp rycka moment (Nm), kontraktion tid (ms) och halv-relaxationstiden (ms) för en ryckning.

    1. Dataanalys i kontraktion
      1. Välj en 500 ms tidsfönster på soleus EMG-aktivitet under platån av MVC vridmoment inklusive toppvridmomentet, men exklusive den tid mellan stimulerings artefakt och slutet av den tysta perioden i EMG. Den tysta perioden motsvarar undertryckandet av den pågående frivilliga EMG-aktivitet efter stimulering.
      2. Om root mean square (RMS) inte lämnas direkt av programvaran, beräkna RMS för att kvantifiera EMG-aktivitet med hjälp av följande formel 40: RMS EMG
        Ekvation 1
      3. Mäta eller beräkna RMS för M max vid vila över varaktigheten av vågen.
      4. Beräkna RMS EMG / RMS Mmax förhållande med hjälp av kalkylprogram.RMS-EMG värde och RMS Mmax värde måste väljas från samma muskel.
      5. Mät den maximala maximalt vridmoment på MVC från baslinjen vridmoment vid vila till det maximala värdet av MVC exklusive överlagrade vridmoment som induceras av dubb stimulering (Figur 5).
      6. Mät överlagrade vridmoment som induceras av dubb stimulering under MVC, från den frivilliga värdet vridmomentet vid starten av stimuleringen till toppen av det stimulerade svaret (Figur 5).
      7. Välj förstärkas dubb.
      8. Mät maximalt vridmoment i samband med förstärkas dubb.
      9. Beräkna aktiveringsnivå frivilliga (VAL) med användning av följande formel 40:
        Ekvation 1

    Figur 5
    Figur 5: Mätning av överlagrad ochförstärkas dubb på mekanisk signal. Om du vill spela den överlagrade maximalt vridmoment (PTS), stimulering dubbkallat under platån av isometrisk maximal frivillig kontraktion (MVC). Om du vill spela förstärkas maximalt vridmoment (Pt P), är stimuleringsdubb framkallade i vila efter förskjutningen av MVC.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ökande stimulusintensitet leder till en annan utveckling av respons amplituder mellan H- och M-vågor. I vila, H-reflexen når ett maximalt värde innan de helt frånvarande från EMG-signal, medan M våg ökar progressivt tills den når en platå vid maximal intensitet (se figur 4 för en grafisk bild av M-vågen och figur 6 för utvecklingen av M-vågor och H-reflexen med intensitet). För soleusmuskeln, är latensen mellan stimulans debut och M-våg ca 10 ms (figur 4A) och i allmänhet mellan 25 och 40 msek för H-våg. Emellertid kommer latensen variera mellan muskelgrupperna och patientens lem längd eller totalhöjd, på grund av avståndet mellan stimuleringsstället och muskeln. När stimulerande på M-max intensitet, kommer en maximal topp rycka vridmoment också observeras (Figur 4B). M-vågor, H-reflexer och topp rycka vridmoment kommer att variera beroende på den tillstånd. Till exempel, dessa parametrar tenderar att öka under frivillig kontraktion och minska i närvaro av trötthet 17.

Figur 6
Bild 6: Typiska rekryteringskurvor i vila Amplituder av reflex svar (H-reflex, vita runda) och direkta muskelsvar (M-våg, svart rund) med ökande stimulusintensitet.. Bottenpanelema presentera typiska spår på fyra progressivt ökade intensiteter (från A till B). (A) svag intensitet, frammana endast en H-reflex svar. (B) Intensitet tillhandahåller den maximala H-vågsamplitud (H max). (C) vid intensitet bortom H max, kollisionen mellan antidromic och reflex salvor inducerar en minskning i H-svars amplitud. (D) åtmin Mmax intensitet, är H-reflexen helt annulleras och M-våg når en platå.iles / ftp_upload / 52974 / 52974fig6highres.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Maximal VAL utvärderas under en MVC. Figur 5 visar en överlagrad vridmoment som induceras av elektrisk stimulering under MVC. Effekten inducerad genom stimulering återspeglar en ofullständig rekrytering av motoriska enheter och / eller en submaximal urladdning frekvens av motoriska enheter, och därmed ett underskott i frivillig aktivering (se effekten av stimulering i mitten av figur 5). Som tidigare parametrar varierar maximal VAL beroende på tillståndet (t.ex. nivå kontraktion, trötthet) 21.

Dessa olika tekniker har tidigare godkänts. Faktum är att nya studier visat en god tillförlitlighet för M våg och tillhörande topp rycka vridmoment 22, H-reflex 14 och maximal VAL 41.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Perkutan nervstimulering möjliggör kvantifieringen av talrika egenskaper hos det neuromuskulära systemet, inte bara för att förstå den grundläggande kontroll av neuromotorisk funktion hos friska människor, men också för att kunna analysera akuta eller kroniska anpassningar genom utmattning eller utbildning 17. Detta är mycket fördelaktigt, särskilt för tröttande protokoll, där mätningar måste utföras så snart som möjligt efter träning slut för att undvika effekterna av snabb återhämtning 42.

Trots att många studier har fokuserat på triceps surae muskler 24, kan perkutan nervstimulering tillämpas i andra nedre extremiteterna (t.ex. tibialis anterior 43,44, quadriceps muskler 45,46) och övre extremiteterna muskler (t.ex. biceps brachii 32, radialis flexor carpi 47 , finger muskler 48). Men presenterar nervstimulering potentiella metodologiska begränsningar för vissa muscles. Till exempel kan erhålla en H-reflexen från biceps brachii muskeln vara svårt att få i vila 49. Dessutom stimulerar nervus musculocutaneus över brachial plexus leder till sammandragning av både agonist och antagonistmuskler 32, förmå den felaktiga bedömningen av aktiveringsnivå frivilligt. Inspelning närliggande muskelaktivitet medger att försöksledaren att säkerställa att endast den utvalda muskeln aktiveras, eller åtminstone begränsa aktivering av dessa närliggande muskler. För att övervinna dessa begränsningar har vissa författare föreslagit att stimulering över muskeln magen med större elektroder kan vara en tillförlitlig metod att framkalla M-vågen och ryckningar 32,50. Däremot kan den rumsliga organisationen av axonal terminal filialer inom muskeln skilja mellan musklerna. Således skulle motoriska enheter aktivering varierar mellan nerv och muskelstimulering 51. Nervstimulering aktiverar motoriska enheter enligt principen om storlek, medan rekryterings ordning During direkt muskelstimulering är mer beroende av den rumsliga organisationen av muskelfibrer under stimulerande elektroderna 50.

Monosynaptic aspekter av H-reflexen tillåta tillförlitlig bedömning av spinal retbarhet med nervstimulering. Det måste dock påpekas att Ia-alfa motoneurons synaps kan bli föremål för ett stort antal kortikala influenser, såsom ämne uppmärksamhet 52, visuell miljö 53, huvudrörelser 54 eller ens biter ihop käkarna 55. Perifera faktorer kan också påverka responsamplitud, såsom afferenta feedback från muskler stretch 56. Hållningen i ämnet har också kontrolleras noggrant för under experimenten och genom experimentella sessioner för att minimera Cortico-spinal influenser 29. Vidare kan bli förtrogen sessioner minska intersession variabilitet, i synnerhet för nybörjare ämnen 57.

Förutom dessa physiologiCal oro, stimulering egenskaper (t.ex. intensitet, plats) kan i stor utsträckning påverka resultatet. Även M max svar når en platå nästan maximal intensitet, är H max erhålls för en viss intensitet. Således, intensitet av stimulering få H max är mer mottagliga för variation med villkor. För att säkerställa god tillförlitlighet under olika förhållanden (t.ex. färska eller trött muskel), bör stimulusintensitet sättas till H max intensitet eller lägre, då reflex svaret ligger i uppstigande del av rekryterings kurvan 58. I själva verket kan H-reflexen amplitud ändras för intensiteter över H max intensitet på grund av kollisionen mellan reflexen och antidromic salvor (Figur 2, nummer 3 'och nummer 2). Det rekommenderas också att H-reflex amplitud normaliseras mot M max respons (H / M max ratio). Det har visat sig att denna metod medger en tillförlitlig intER- och intraindividuella jämförelser 59.

I termer av inferring arten av kommandomotorn, även om VAL teknik har visat sig vara en pålitlig teknik för att bedöma nedåtkommandon 40 och centrala trötthet 19,60, denna metod presenteras vissa begränsningar. En del författare föreslog att VAL skattar maximal muskelaktivering 61-63. Det kanske inte är tillräckligt känslig för att detektera variationer i aktiveringsnivåer under värkarna över 90% MVC 62. Dessutom, för att användningen av parade stimulering utvärdera VAL kan öka obehag för försökspersoner 64. Trots utvärderingen av maximal frivillig aktivering, inte denna metod inte ge information om kortiko-spinal retbarhet. Transkraniell magnetisk stimulering skulle kunna användas för att bedöma förändringar på denna nivå 65 - 67.

Användningen av RMS EMG / RMS EMG / Mmax förhållandet förbli konstant, medan rycka interpolationsteknik belyser en signifikant minskning av muskelaktivering 68. Men tillåter RMS EMG / RMS Mmax förhållande försöks att utvärdera aktivering av olika individuella musklerna i samma muskelgrupp (t.ex. soleus, medial gastrocnemius och laterala gastrocnemius för triceps surae) 17.

Särskild uppmärksamhet bör tas med perkutan nervstimulering om stimulering protokoll och dataanalys för att undvika missförstånd och för att möjliggöra en jämförelse mellan olika studier. Många författare har tidigare etablerat metodologiska rekommendationer för att registrera och analysera data från perkutan elektrisk stimulering 20,29,34,59.Särskilt plantar flexor musklerna verkar vara en svår muskelgrupp att dra ihop sig maximalt 69 - 71. Praxis krävs för att säkerställa att deltagarna, i synnerhet i populationer med nedsatt neuromuskulär funktion, är i stånd att höga nivåer av frivillig aktivering före experimentell testning 72,73. Således kommer MVC-beroende åtgärder såsom frivillig aktivering representera felaktiga värden som sannolikt återspeglar bristen på praktik eller ett otillräckligt antal isometriska MVC försök snarare än en nedskrivning eller begränsning av neuromuskulär funktion. Orientering sessionen ska utföras före alla studier med perkutan nervstimulering och / eller maximala insatser.

Perkutan elektrisk nervstimulering kan användas för att utvärdera neuromuskulär plasticitet efter akut (trötthet) eller kroniska (träning / avstigning) övningar. Exempelvis spetälska et al., 74 observerades en minskning i central aktivering (frivillig aktiveringsnivå) och muskel parametrar (topp rycka, M-våg) av quadricepsmuskeln efter en långvarig cykel övning. Efter kronisk motion, Duchateau och Hainaut 75 observerade olika effekter av isometriska och dynamiska utbildningar på topp rycka vridmoment egenskaper, vilket tyder på att skelettmuskel anpassar annorlunda typ av utbildningsprogram. Elektrisk nervstimulering är också bra att utvärdera online-anpassningar av den neuromuskulära systemet under olika förhållanden, såsom kroppshållning 27 eller en samtidig mental uppgift 21. Denna metod kan användas inte bara i grundforskning, men också i den kliniska domänen 76. I själva verket har elektrisk nervstimulering använts för att undersöka centrala enheten i de äldre 77 och olika sjukdomar såsom stroke 78 eller Parkinsons sjukdom 79. Neuromuskulär plasticitet kan också bedömas i patologiska populationer 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

Neurovetenskap Elektrisk stimulering elektromyografi M våg H reflex Triceps surae muskler Maximal muskelaktivering Frivillig aktiveringsnivå kommando Motor
Bedömning av neuromuskulära funktionen Använda perkutan elektrisk nervstimulering
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