Summary

Utnytte Transkraniell magnetisk stimulering for å studere menneskelige nevromuskulære systemet

Published: January 20, 2012
doi:

Summary

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er en non-invasiv verktøy for å få innsikt i fysiologi og funksjon av det menneskelige nervesystemet. Her presenterer vi vår TMS teknikker for å studere cortical excitability av overekstremitet og lumbar muskulaturen.

Abstract

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har vært i bruk i mer enn 20 år 1, og har vokst eksponentielt i popularitet det siste tiåret. Mens bruk av TMS har utvidet til studiet av mange systemer og prosesser i denne perioden, innebærer det opprinnelige programmet, og kanskje en av de vanligste bruksområdene for TMS studere fysiologi, plastisitet og funksjon av det menneskelige nevromuskulære systemet. Enkelt puls TMS brukt til motor cortex excites pyramidale nevroner transsynaptically 2 (figur 1) og resulterer i en målbar elektromyografisk respons som kan brukes til å studere og evaluere integriteten og excitability av corticospinal tarmkanalen hos mennesker 3. I tillegg gir de siste fremskritt innen magnetisk stimulering nå for oppdeling av kortikale versus spinal eksitabilitet 4,5. For eksempel kan parvise puls TMS brukes til å vurdere intracortical facilitatory og hemmende egenskaper ved å kombinere en tilstanding stimulus og en test stimulans på ulike interstimulus intervaller 3,4,6-8. I denne videoen artikkelen vil vi demonstrere metodiske og tekniske aspektene av disse teknikkene. Spesielt vil vi demonstrere single-puls og parvise puls TMS teknikker som brukes til flexor carpi radialis (FCR) muskelen samt erector spinae (ES) muskulatur. Våre laboratoriestudier FCR muskelen som det er av interesse for vår forskning på effekten av håndledd-hand støpt immobilisering om redusert muskel ytelse 6,9, og vi studere ES musklene pga disse musklene klinisk relevans som gjelder ryggsmerter 8. Med dette sagt, bør vi være oppmerksom på at TMS har blitt brukt til å studere mange musklene i hånd, arm og ben, og bør iterate at våre demonstrasjoner i FCR og ES muskelgrupper er bare utvalgte eksempler på TMS brukes til å studere menneskets nevromuskulære system.

Protocol

1. Enkelt og Sammenkoblede-Pulse TMS av FCR og ES Muskler Basic Safety Forholdsregler: Før du utfører TMS på et menneske er det nødvendig å først skjermen dem for grunnleggende sikkerhetsregler som det gjelder å være utsatt for et magnetisk felt. I vårt laboratorium følger vi screening retningslinjer fastsatt av Institute for Magnetic Resonance Safety, Utdannings-og forskningsdepartementet 10. I vårt laboratorium har vi også rutinemessig utelukke individer med en famili…

Discussion

Det overordnede målet med denne artikkelen er å gi forskere og klinikere en visuell beskrivelse av våre laboratorier bruk av transkranial magnetisk stimulering. Men i tillegg til å gi en visualisering av disse eksperimentene, nedenfor diskuterer vi grunnleggende spørsmål å vurdere når du utfører TMS på denne måten, gir en kort oversikt over fysiologi av TMS reaksjoner, og også diskutere vår bruk av TMS med hensyn til bruken av andre.

Generelle problemer å være klar over når Utf?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble finansiert delvis av en bevilgning fra Osteopatisk Heritage Foundations til BC Clark. Vi ønsker å beskrive en spesiell takk til Marissa McGinley for assistanse henne i å skape mange av figuren grafikk.

Materials

Name of the Equipment Company Catalogue number Comments (optional)
Transcranial Magnetic Stimulator 2002
Transcranial Magnetic Stimulator Bi-Stim2
Figure-Eight 70-mm coil
Double Cone Coil
The Magstim Company NA TMS equipment (including coils)
Biodex System 4 Biodex NA Dynamometer
Biopac MP150 Data Acquisition System Biopac MP150WSW A-D converter for EMG and force
AcqKnowledge 4.0 Data acquisition software Biopac ACK100W  
Nikomed Trace 1 ECG electrodes Nikomed 2015 EMG electrodes
Constant Current Stimulator Digitimer DS7A Peripheral nerve stimulator

References

  1. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1, 1106-1107 (1985).
  2. Werhahn, K. J., et al. The effect of magnetic coil orientation on the latency of surface EMG and single motor unit responses in the first dorsal interosseous muscle. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 93, 138-146 (1994).
  3. Kobayashi, M., Pascual-Leone, A. Transcranial magnetic stimulation in neurology. Lancet. Neurol. 2, 145-156 (2003).
  4. Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. J. Physiol. 586, 325-351 (2008).
  5. Taylor, J. L. Stimulation at the cervicomedullary junction in human subjects. Journal of Electromyography and Kinesiology: Official Journal of the International Society of Electrophysiological Kinesiology. 16, 215-223 (2006).
  6. Clark, B. C., Taylor, J. L., Hoffman, R. L., Dearth, D. J., Thomas, J. S. Cast immobilization increases long-interval intracortical inhibition. Muscle & Nerve. 42, 363-372 (2010).
  7. McGinley, M., Hoffman, R. L., Russ, D. W., Thomas, J. S., Clark, B. C. Older adults exhibit more intracortical inhibition and less intracortical facilitation than young adults. Exp. Gerontol. 45, 671-678 (2010).
  8. Goss, D. A., Thomas, J. S., Clark, B. C. Novel methods for quantifying neurophysiologic properties of the human lumbar paraspinal muscles. Journal of Neuroscience Methods. 194, 329-335 (2011).
  9. Clark, B., Issac, L. C., Lane, J. L., Damron, L. A., Hoffman, R. L. Neuromuscular plasticity during and following 3-weeks of human forearm cast immobilization. J. Appl. Physiol. 105, 868-878 (2008).
  10. Clark, B. C., Issac, L. C., Lane, J. L., Damron, L. A., Hoffman, R. L. Neuromuscular plasticity during and following 3 wk of human forearm cast immobilization. J. Appl. Physiol. 105, 868-878 (2008).
  11. Brasil-Neto, J. P., et al. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J. Clin. Neurophysiol. 9, 132-136 (1992).
  12. Damron, L. A., Dearth, D. J., Hoffman, R. L., Clark, B. C. Quantification of the corticospinal silent period evoked via transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 173, 121-128 (2008).
  13. McGinley, M. P., Clark, B. C. Transcranial magnetic stimulation and the human neuromuscular system. Horizons in Neuroscience Research. , (2012).
  14. Damron, L. A., Hoffman, R. L., Dearth, D. J., Clark, B. C. Quantification of the corticospinal silent period evoked via transcranial magnetic brain stimulation. J. Neurosci. Methods. 173, 121-128 (2008).
  15. Clark, B. C., Quick, A. Exploring the pathophysiology of Mal de Debarquement. J. Neurol. 258, 1166-1168 (2011).
  16. Ortu, E., Deriu, F., Suppa, A., Tolu, E., Rothwell, J. C. Effects of volitional contraction on intracortical inhibition and facilitation in the human motor cortex. J. Physiol. 586, 5147-5159 (2008).
  17. Dishman, J. D., Greco, D. S., Burke, J. R. Motor-evoked potentials recorded from lumbar erector spinae muscles: a study of corticospinal excitability changes associated with spinal manipulation. J. Manipulative. Physiol. Ther. 31, 258-270 (2008).
  18. Kuppuswamy, A. Cortical control of erector spinae muscles during arm abduction in humans. Gait. Posture. 27, 478-484 (2008).
  19. Strutton, P. H., Theodorou, S., Catley, M., McGregor, A. H., Davey, N. J. Corticospinal excitability in patients with chronic low back pain. J. Spinal. Disord. Tech. 18, 420-424 (2005).
  20. Taniguchi, S., Tani, T. Motor-evoked potentials elicited from human erector spinae muscles by transcranial magnetic stimulation. Spine (Philadelphia. 24, 154-157 (1999).
  21. Taniguchi, S., Tani, T., Ushida, T., Yamamoto, H. Motor evoked potentials elicited from erector spinae muscles in patients with thoracic myelopathy. Spinal. Cord. 40, 567-573 (2002).
  22. O’Connell, N. E., Maskill, D. W., Cossar, J., Nowicky, A. V. Mapping the cortical representation of the lumbar paravertebral muscles. Clin. Neurophysiol. 118, 2451-2455 (2007).
  23. Maeda, F., Pascual-Leone, A. Transcranial magnetic stimulation: studying motor neurophysiology of psychiatric disorders. Psychopharmacology (Berl). 168, 359-376 (2003).
  24. Ziemann, U. TMS and drugs. Clin. Neurophysiol. 115, 1717-1729 (2004).
  25. Tergau, F., et al. Complete suppression of voluntary motor drive during the silent period after transcranial magnetic stimulation. Exp. Brain. Res. 124, 447-454 (1999).
  26. Di Lazzaro, V., et al. The physiological basis of transcranial motor cortex stimulation in conscious humans. Clin. Neurophysiol. 115, 255-266 (2004).
  27. Iles, J. F., Pisini, J. V. Cortical modulation of transmission in spinal reflex pathways of man. J. Physiol. 455, 425-446 (1992).
  28. Gandevia, S. C., Petersen, N., Butler, J. E., Taylor, J. L. Impaired response of human motoneurones to corticospinal stimulation after voluntary exercise. J. Physiol. 521 (Pt. 3), 749-759 (1999).
  29. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55, 187-199 (2007).
  30. Damron, L. A., Dearth, D. J., Hoffman, R. L., Clark, B. C. Quantification of the corticospinal silent period evoked via transcranial magnetic stimulation. J. Neurosci. Methods. 173, 121-128 (2008).
  31. Cantello, R. Applications of transcranial magnetic stimulation in movement disorders. J. Clin. Neurophysiol. 19, 272-293 (2002).
  32. Chen, R. The clinical diagnostic utility of transcranial magnetic stimulation: report of an IFCN committee. Clin. Neurophysiol. 119, 504-532 (2008).
  33. Edwards, M. J., Talelli, P., Rothwell, J. C. Clinical applications of transcranial magnetic stimulation in patients with movement disorders. Lancet. Neurol. 7, 827-840 (2008).
  34. Terao, Y., Ugawa, Y. Basic mechanisms of TMS. J. Clin. Neurophysiol. 19, 322-343 (2002).
  35. McDonnell, M. N., Orekhov, Y., Ziemann, U. The role of GABA(B) receptors in intracortical inhibition in the human motor cortex. Exp. Brain. Res. 173, 86-93 (2006).
  36. Perez-de-Sa, V., et al. High brain tissue oxygen tension during ventilation with 100% oxygen after fetal asphyxia in newborn sheep. Pediatr. Res. 65, 57-61 (2009).
  37. Anand, S., Hotson, J. Transcranial magnetic stimulation: neurophysiological applications and safety. Brain. Cogn. 50, 366-386 (2002).
  38. Chen, R. Depression of motor cortex excitability by low-frequency transcranial magnetic stimulation. Neurology. 48, 1398-1403 (1997).
  39. Tokay, T., Holl, N., Kirschstein, T., Zschorlich, V., Kohling, R. High-frequency magnetic stimulation induces long-term potentiation in rat hippocampal slices. Neurosci. Lett. 461, 150-154 (2009).
  40. Taylor, J. L., Gandevia, S. C. Noninvasive stimulation of the human corticospinal tract. J. Appl. Physiol. 96, 1496-1503 (2004).
  41. Martin, P. G., Hudson, A. L., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Reproducible measurement of human motoneuron excitability with magnetic stimulation of the corticospinal tract. J. Neurophysiol. 102, 606-613 (2009).
  42. Cohen, L. G., Bandinelli, S., Findley, T. W., Hallett, M. Motor reorganization after upper limb amputation in man. A study with focal magnetic stimulation. Brain. 114 (Pt. 114 1B), 615-627 (1991).
  43. Penfield, W., Boldrey, E. Somatic motor and sensory representation in cerebral cortex of man as studied by electrical stimulation. Brain. 60, 389-443 (1937).
  44. Sohn, Y. H., Hallett, M. Motor evoked potentials. Phys. Med. Rehabil. Clin. N. Am. 15, 117-131 (2004).
  45. Thickbroom, G. W., Mastagliam, F. L., Pascual-Leone, A. . Handbook of Transcranial Magnetic Stimulation. , (2002).
  46. Wolf, S. L., Butler, A. J., Alberts, J. L., Kim, M. W. Contemporary linkages between EMG, kinetics and stroke rehabilitation. J. Electromyogr. Kinesiol. 15, 229-239 (2005).
  47. Butler, A. J., Wolf, S. L. Putting the brain on the map: use of transcranial magnetic stimulation to assess and induce cortical plasticity of upper-extremity movement. Phys. Ther. 87, 719-736 (2007).
  48. Curra, A. Transcranial magnetic stimulation techniques in clinical investigation. Neurology. 59, 1851-1859 (2002).
  49. Nudo, R. J. Plasticity. NeuroRx. 3, 420-427 (2006).
  50. Rossini, P. M., Dal Forno, G. Integrated technology for evaluation of brain function and neural plasticity. Phys. Med. Rehabil. Clin. N. Am. 15, 263-306 (2004).
  51. Lefaucheur, J. P. Methods of therapeutic cortical stimulation. Neurophysiol. Clin. 39, 1-14 (2009).
  52. Tyvaert, L., et al. The effect of repetitive transcranial magnetic stimulation on dystonia: a clinical and pathophysiological approach. Neurophysiol. Clin. 36, 135-143 (2006).
  53. Webster, B. R., Celnik, P. A., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation in stroke rehabilitation. NeuroRx. 3, 474-481 (2006).

Play Video

Cite This Article
Goss, D. A., Hoffman, R. L., Clark, B. C. Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System. J. Vis. Exp. (59), e3387, doi:10.3791/3387 (2012).

View Video