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Neuroscience

导航经颅磁刺激踝关节脊椎通路的双边评价

doi: 10.3791/58944 Published: February 19, 2019

Summary

本协议描述了使用单脉冲经颅磁刺激和神经导航在休息和补体自愿激活过程中对胫骨前部和单索的皮质细胞反应的同时双边评估系统。

Abstract

远端腿部肌肉通过皮质脊髓道接收来自运动皮质区域的神经输入, 皮质脊髓道是人类运动下降的主要途径之一, 可以使用经颅磁刺激 (tms) 进行评估。考虑到远端腿部肌肉在直立姿势和动态任务 (如行走) 中的作用, 在过去十年中, 人们对相对于这些肌肉的功能的皮质边缘区域的评估和调节产生了越来越大的研究兴趣。然而, 以往工作中使用的方法参数因研究而异, 因此对横断面和纵向研究结果的解释不那么有力。因此, 使用专门用于评估腿部肌肉皮质反应 (cmr) 的标准化 tms 协议, 将可以直接比较不同研究和队列的结果。本文的目的是提出一个协议, 提供了一个灵活的同时评估双侧 cmr 的两个主要踝关节拮抗肌肉, 胫骨前肌和单索, 使用单脉冲 tms 与神经导航系统。本协议适用于被检查的肌肉完全放松或等距收缩在最大等距自愿收缩的规定百分比。使用每个对象的结构 mri 与神经导航系统, 确保准确和准确地定位线圈在腿皮质表示在评估过程中。鉴于 cmr 衍生度量值的不一致, 该协议还描述了使用自动算法对这些度量值进行标准化计算的方法。虽然这种协议不是在直立的姿势或动态任务中进行的, 但它可以用来双边评估任何一对腿部肌肉, 无论是对抗的还是协同的, 在神经完整和受损的对象。

Introduction

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胫骨前部 (ta) 和单侧肌 (sol) 分别位于小腿前、后室。两种肌肉均为单关节, 而 ta 和 sol 的主要功能分别是背侧和扁平关节, 分别1。此外, ta 是更有效的长肌肉出游和不太重要的力量生产, 而 sol 是一个反重力肌肉设计产生高力与肌肉2的小偏移.在直立的姿势和动态任务 (步行)3, 4 时, 两种肌肉尤其重要。关于神经控制, 两个肌肉的摩托车池通过运动下降路径5, 6,以及不同程度的感觉驱动从大脑接受神经驱动。

主要运动下降途径是皮质脊髓道, 它起源于原发、前运动和辅助运动区域, 并在脊髓运动神经元池7,8终止。在人类中, 可以利用经颅磁刺激 (tms) (一种非侵入性脑刺激工具 9,10) 来评估这一通道的功能状态。自 tms 引入以来, 并考虑到其在直立姿势任务和行走过程中的功能意义, 对 ta 和 sol 的 cmr 进行了不同队列和任务111213、14的评估. ,15,16,17,18,19,20,21, 22,23 , 2425262728、2930、31、32.

与上肢肌肉33中 cmr评估不同, 目前还没有建立通用的 tms 协议来评估下肢肌肉中的 cmr。由于缺乏既定的协议和以前研究的方法差异很大 (例如,线圈的类型、神经导航的使用、补体激活水平、测试方面和肌肉、cmr 措施的使用和计算等)。), 对研究和队列中结果的解释可能是繁琐、复杂和不准确的。由于这些措施在功能上与各种运动任务相关, 针对下肢 cmr 评估的既定 tms 协议将使运动神经科学家和康复科学家能够系统地评估这些肌肉中的 cmr。会议和各种队列。

因此, 本协议的目的是描述使用单脉冲 tms 和神经导航系统对 ta 和 sol cmr 的双边评估。与以往的工作不同, 该协议旨在最大限度地提高实验程序、数据采集和数据分析的严谨性, 方法要素优化实验的有效性和持续时间, 并使 cmr 标准化评估这两个下肢肌肉。鉴于肌肉的 cmr 取决于肌肉是否完全放松或部分激活, 该协议描述了如何在休息和补体自愿激活 (tonic) 期间评估 ta 和 sol cmr。以下各节将全面介绍本议定书。最后, 将介绍和讨论具有代表性的数据。这里所描述的议定书来自 charalambous等人的议定书, 2018年32.

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Protocol

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本议定书中提出的所有试验程序都已得到地方机构审查委员会的批准, 并符合《赫尔辛基宣言》。

1. 同意流程和安全问卷

  1. 在任何实验之前, 向每个科目解释研究的目的、主要实验程序以及与参与研究有关的任何潜在风险因素。在回答主体可能有的任何问题或关切后, 要求主体承认同意程序, 并签署知情同意书。
  2. 管理 mri34和 tms35份安全检查问卷, 以确保研究对象的安全和 mri 和 tms 测试的资格。将所有不符合所有安全标准的受试者排除在 mri 和 tms 评估之外。

2. mri 与神经导航系统的制备

  1. 在 tms 评估之前管理 mri 评估32。让被试躺在仰卧的位置, 膝盖下有一个垫子, 以确保舒适的姿势。指示研究对象在扫描仪中保持静止。
    1. 为受试者提供耳罩, 以减轻扫描仪的噪音。由于在神经导航系统中使用双侧超悲剧凹槽进行主题图像登记, 因此优先使用耳塞在耳罩上 (见 5.2)。
    2. 获取高分辨率 t-1 加权解剖大脑图像 (最低要求: 1 毫米切片厚度和全大脑和小脑覆盖), 可以作为 nfti 或 dicom 文件。确保鼻子完全包含在图像中, 因为在神经导航系统中使用主体的鼻尖进行主题图像配准 (见 5.2)。
  2. 将 mri 文件上传到神经导航系统。手动将每个主体的 mri 与前、后腔进行手动注册, 因此可以使用蒙特利尔神经研究所的地图集绘制主体的 mri 图集。
    1. 通过分别调整颅骨和脑组织周围的边界框, 重建皮肤和全曲线大脑模型。使用皮肤模型识别四个解剖地标 (鼻尖、鼻梁、右耳和左耳的超悲剧凹槽) (见图 1a)。
    2. 使用重建的曲线大脑在每个半球的腿部运动皮层区域上放置一个矩形网格 (见图 1 b)。将网格的中心行放置在腿部运动皮质区域的中心和回, 在那里神经运动池的皮质脊髓区域发源 36.将网格的内柱平行且与同侧半球的内壁相邻。
    3. 使用基于 cor一丝的方法, 在这种方法中, 方向错误对刺激站点37的影响可以忽略不计, 而不是使用基于头皮的目标方法, 在这种方法中, 任何方向错误都可以改变刺激站点。使用此网格查找热点。对于电机映射, 请使用较大的网格, 方法是添加更多的点和/或增加点之间的距离 (例如, 10 毫米)。

3. 科目准备和安置

  1. 利用共4个表面 emg 电极, 用单脉冲 tms 测量电生理反应。对于电极的准备和放置, 在主体处于站立位置时, 使用已公布的指南3839和完整的放置。
    1. 准备每个电极通过剃须和使用酒精棉签轻轻去角质任何死皮细胞和油的区域。
      注意: 对于血液稀释剂的受试者 (例如中风后的人), 在皮肤准备过程中要小心, 因为有可能出血。
    2. 在 ta 上双边连接电极。在站立的位置时, 要求受试者将脚趾向上抬起, 然后将电极放在腓骨头和内侧小腿之间线的上三分之一 (即,肌肉腹部立即侧向胫骨顶部)。
    3. 在 sol 上双侧连接电极。在站立的位置, 要求受试进行脚跟隆起, 然后将电极放置在股外侧尖锐湿疣和外侧小腿之间线的下三分之一。
    4. 将地面参考无源电极连接在膝盖骨或侧侧小腿上。根据 emg 采集单元的不同, 通过双边或单边放置接地电极。
  2. 测试电极的位置和信号的质量。
    1. 测试电极的位置 (例如,清晰的视觉检测 emg 爆发), 要求受试者以直立的姿势进行背侧弯曲或植物弯曲, 同时在电脑屏幕上显示所有肌肉的原始 emg 信号。在电极放错位置的情况下, 取出并更换电极, 直到在视觉上可以检测到 emg 突发事件, 背景噪声最小。在检测电机响应 (> 50μv) 时, 适当的信噪比至关重要。
    2. 测试信号的质量 (例如,基线噪声), 在 tms 线圈远离坐姿和肌肉休息时, 多次放电 tms 单元。检查每个 emg 通道的基线信号是否接近零 (即峰值峰值振幅应小于 50μv, 并且没有基线噪声, 如50或 60 hz 电源线嗡嗡声)。如果通道中存在基线噪声, 请取出相应的电极并重复皮肤制备过程。如果噪声仍然存在 (峰值到峰值振幅 > 50μv), 请调整参考电极的位置并更换电解质凝胶。
  3. 使用光泡沫预包装胶带固定所有电极。在整个实验过程中, 定期进行检查, 以确保电极牢固地连接, 并确保信号具有良好的质量。
  4. 把标的放在椅子上。为了确保双脚在实验对象之间的一致放置, 在步行靴 (脚踝足矫形器) 中固定双脚, 使脚踝 rom 被调整到特定位置, 并在 tva 测试期间提供阻力。调整臀部和膝盖的角度, 以避免主题不适。指导实验对象在整个实验过程中保持静止。如果有的话, 在 tms 应用过程中, 使用连接在椅子上的额头休息, 以保持主体静止。

4. tva 测试

  1. 双侧确定每个肌肉的最大自愿等距收缩 (mvic)。对于每个动作 (背屈和足肌), 指示受试者在被试坐姿坐姿时, 最大限度地收缩对侧检查肌肉 (例如,右 ta) 4次 (约5次收缩, 休息 60秒)上述。
  2. 计算过去三项试验中每个 mvic 期间的最大肌肉活动值 (即围绕最大校正和平滑 emg 中心的 100 ms 窗口内的平均值)、三个值的平均值和每个肌肉平均值的15±5%mvic。
    注意: 可以使用更大的 mvic, 但在临床队列中可能不可行 (例如,中风后的人)。

5. 在神经导航系统中注册

  1. 将主体跟踪器 (头带或眼镜) 放置在被刺激半球的另一侧的主体头部, 使跟踪器在刺激每个网格点时不会阻塞线圈的定位。
    注意: 在使用头带的情况下, 请确保头带在主体的头部上舒适, 但不要过度紧, 因为长时间后可能会引起头痛。
  2. 通过将拍摄对象跟踪器、指针和线圈跟踪器放置在其捕获音量空间中, 验证运动捕捉相机的正确位置。通过将指针的尖端放在4个解剖土地上执行主题图像注册 (参见图 1a)。
  3. 对所有解剖地标进行采样后, 通过将指针尖端放在主体头骨上方的几个点 (验证阶段) 上, 验证是否准确地进行了注册。如果从指针尖端到重建皮肤的距离小于3毫米, 请进行 tms 实验;否则, 重复主题图像配准, 直到获得所需的错误值。在实验过程中, 如果主题跟踪器意外移动, 则重复注册。

6. tms

  1. 在休息和 tva 期间使用相同的方法参数。
    1. 在被检查肌肉的最佳部位 (热点; 有关更多详细信息, 请参阅下一段) 上应用单脉冲刺激。每5-10 随机应用每个刺激, 以避免刺激预期, 并最大限度地减少以前的脉冲对随后的一个40的结转影响。
    2. 如果同时使用两个 tms 单元, 请将这些单元设置为标准或同步模式41。标准模式比单个单元应用较弱的脉冲, 而同时模式应用比单个单元更强的脉冲。这两种方法的使用都可以基于协议的需要和刺激的总数。
    3. 使用双锥线圈诱导后前颅电流。如有必要, 使用神经导航系统手动控制线圈, 并在每次刺激前纠正其相对于所需的受激点的位置。
    4. 在不同的会话和主题中, 随机随机选择被检查的肌肉和半球的顺序。在休息状态后, 请务必管理 tva 条件, 以避免在休息时进行测试时出现任何干扰 (例如,由于 tva 测试导致下降路径疲劳)。
  2. 双边确定两个肌肉的热点。
    1. 通过在半球裂隙旁边的中心点上应用单个刺激, 找出将在热点狩猎时使用的超临界强度 (参见图 1 b中的蓝色和红色方块)。使用这个点, 因为它位于腿部运动区36,42的位置。
    2. 在低强度下启动 (例如,最大30% 的刺激器输出;mso), 并逐渐增加 tms 强度5% 的增量, 直到达到的强度, 引发电机诱发电位 (mep) 的峰值振幅大于50μv 的所有对侧检查肌肉连续3次刺激。
    3. 在每次刺激后立即确定是否根据所有被检查的肌肉的原始波形和峰值到峰值振幅 (搜索窗口: tms 发病后20-60 毫秒) 获得了 mep。
    4. 在网格的每个点上应用一个 tms 脉冲 (共36个刺激)。热点协议完成后, 将电子表格中所有对侧肌肉的每个点的振幅和延迟值进行传输, 并将振幅从高到低、延迟从低到高进行排序。确定对侧 ta 和 sol 的热点为网格中振幅最大、延迟最短43的位置.
      注意: 如果最大振幅和最短延迟不在同一位置, 请使用最大振幅定义热点。
  3. 双侧确定每个肌肉的静息运动阈值 (rmt)。
    1. 在神经导航系统中选择与被检查的肌肉热点相对应的网格点。
    2. 采用自适应阈值搜索方法对被检查的肌肉44进行 rmt 测定。将初始强度和步长分别设置为45和 6% mso 32.运行 rmt 狩猎两次为每个肌肉, 并使用平均值进行后续的 cmr 评估。
  4. 在休息期间评估双边 ta 和 sol cmr。
    1. 在神经导航系统中选择与被检查的肌肉热点相对应的网格点。在被检查的肌肉 1.2 rmt 下应用10个单 tms 脉冲。
    2. 在每次刺激之前, 指示受试保持静止, 并双边放松检查的肌肉, 并使用显示在计算机屏幕上的实时视觉反馈来监测所有肌肉的活动。如果 tms 之前或之后任何肌肉处于活动状态, 请放弃该试验, 并应用额外的单个脉冲。重复, 直到10个波形的每个对侧检查肌肉在休息已收集。
  5. 在 tva 期间对 ta 和 sol cmr 进行双边评估。
    1. 在神经导航系统中选择与被检查的肌肉热点相对应的网格点。
    2. 要求受试者将被检查的肌肉收缩在15±5% 的 mvic, 并在 1.2 rmt 应用10个单一的 tms 脉冲。指示受试者将被检查肌肉 (ta 或 sol) 的平滑移动线 (根平均平方振幅为 0.165秒) 保持在两个水平光标 (mvic 范围: 15±5%) 内并将这种收缩维持在这一水平几秒钟。
    3. 当 ta 是被检查的肌肉时, 要求受试者稍微向上拉对侧腿上的战利品 (即,腿与被检查的肌肉对侧刺激半球)。当 sol 是被检查的肌肉时, 要求受试者对侧腿上的靴子稍微向下推。
    4. 使用电脑屏幕上的实时视觉反馈显示, 监测活动肌肉和剩余静息肌肉的肌肉活动。放弃刺激, 再次应用额外的单一脉冲, 以防被检查的肌肉活动低于或高于预定的范围或任何其他肌肉被激活。收集10项试验, 而检查的肌肉被激活在预定的范围。

7. 数据分析

  1. 对于除 rmt 以外的所有 cmr 度量值, 计算所有肌肉的每个 mep 扫描的每个度量值 (总持续时间应至少为500毫秒, 刺激前至少100毫秒), 然后将这10个值平均以获得一个值 (即,,意思)32。振幅和皮质静默期 (csp) 是 cmr 的代用可激发性度量, 而延迟是 cmr 的代理连接度量。对于休息和 tva, 相对于每个主体的身高, 使延迟正常化, 因为潜伏期受距离的影响, 到被检查的肌肉45
  2. 计算休息期间的 mep 振幅和延迟。
    1. 计算来自原始 emg 的振幅 (μv) 作为 mep 正负峰 (峰值到峰值) 之间的最大差异。对于这两个特殊的肌肉, 在 tms 发病后20-60 毫秒的时间范围内寻找峰值到峰值。
      注意: 尽管20-60 毫秒的 mep 搜索窗口可能适用于神经完整的主体和中风后的人, 但其他神经人群 (多发性硬化症) 可能需要更宽的 mep 搜索窗口 (例如 20-60毫秒)。
    2. 计算从整流 emg 的延迟 (ms) 作为 tms 开始和 mep 开始之间的时间 (, 当校正后的 emg 跟踪首次越过预定的阈值的时间-平均加上三个标准偏差的100毫秒刺激 emg)32,46岁
  3. 计算 tva 期间的 mep 振幅、延迟和 csp。
    1. 计算来自原始 emg 的振幅 (μv) 作为 mep 正负峰 (峰值到峰值) 之间的最大差异。对于这两个特殊的肌肉, 在 tms 发病后20-60 毫秒的时间范围内寻找峰值到峰值。
    2. 计算整流 emg 的潜伏期 (ms) 为 tms 开始和 mep 开始之间的时间。
      1. 计算 tva 中的 mep 发病量与在静止中不同。通过查找校正后的 emg 跟踪超过预定阈值设置到100毫秒前刺激平均 emg 水平的两个时间点来计算 mep 的起始和偏移量。然后, 找到至少大于刺激前 emg 加三个标准偏差的平均值的峰值, 以及这两个时间点之间的峰值。然后, 在该峰值之前的第一个峰值到50个数据点 (采样率为 5000 hz), 该峰值的校正后的 emg 跟踪首次越过平均刺激前 emg 的阈值。将该时间定义为 mep 开始32
    3. 计算来自整流 emg 的 csp (ms) 作为 mep 偏移量和 emg 恢复之间的时间 (绝对 csp: 排除 mep 持续时间)47。在该峰值后, 从最后一个峰值搜索到200个数据点 (采样率为 5000 hz), 该时间校正后, 整流的 emg 跟踪最后一次越过平均刺激前 emg 的阈值;将该时间定义为 mep 偏移量。然后, 计算基线 emg 的恢复, 即校正后的 emg 跟踪最后一次跨越平均刺激前 emg 32 的25% 的时间.

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Representative Results

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图 2-4显示了一位具有代表性的神经完整的31岁男性的数据, 身高和体重分别为178厘米和83公斤。

图 2显示了每个踝关节肌肉的双侧热点和 rmt。利用位于每个半球腿部区域中心的位置 (参见图 1 b 中的正方形), 45% mso 的强度被双边用于热点狩猎。每个肌肉的热点位置在半球之间不同, 但不出所料, 这四个热点都位于腿部运动皮质区域。这一发现表明, ta 和 sol 可能不共享相同的热点;因此, 每个肌肉的 cmr 应该评估使用每个肌肉的热点, 而不是使用相同的热点为两个肌肉。采用自适应阈值搜索方法, 确定了每块肌肉的双侧 rmt。用于 rmt 测定的刺激量从6到22刺激不等。每个肌肉的两个 rmt 值之间的差异从1% 到 3% mso 不等。综合这些结果表明, 采用自适应阈值搜索方法是确定低变异性踝关节肌肉 rmt 的有效方法。此外, 所有 rmt 都低于用于热点搜索的强度 (图 2中的虚线)。这一发现表明, 使用位于腿运动区域的点 (见图 1b中的正方形) 来确定 "真正的" 超应力强度是可行的。

图 3显示了当每个肌肉的热点在休息时受到刺激时, ta 和 sol 的双边反应。对于所有双侧刺激热点, 在 ta 和 sol 中都产生了对侧 mep。然而, 无论哪种肌肉的热点受到刺激, ta 中的反应和延迟总是分别比 sol 中的响应和延迟更大、更短。侧向反应主要存在于 ta 中, 当受激热点接近半球裂隙时 (参见: 2a–ta热点, 22b -两个肌肉热点)。相反, 当受激侧从半球裂隙 (和 gt;10 毫米) 进一步向外侧时, 两种肌肉中都没有同侧反应 (参见图 2a–sol热点)。

图 4显示了 tva 期间每个肌肉的热点受到刺激时 ta 和 sol 的双边反应。与静止一样, 在15±5% 的 mvic 期间, 所有双侧受激位点的 ta 和 sol 均产生了对侧 mep。仅被审查的肌肉被激活;因此, 剩下的三块肌肉都休息了。csp 仅存在于被检查的激活的肌肉, ta 和 sol。与休息时一样, 右 ta 和左sol 热点的 tms 也引起了同侧反应;这些反应仅存在于同侧 ta 中 (参见图 4a,d)。相反, tms 在右边的 sol 和左 ta 热点只引发对侧 mep。有趣的是, 只有在 ta 被激活的情况下, 对侧 sol 的后期反应才会出现;这些响应是双边的, 发生在 tms 后的80-100 毫秒之间, 振幅大于经济伙伴 (见图 4A,C) 。这些在 tms 后范围为70-100 毫秒的后期反应此前只在 sol 中流行, 只有 ta tva (0-40% mvic)48,49

静息条件和 tva 条件相似, 在某些热点受到刺激时, 会引起同侧反应。同侧反应的存在可能是低突触通路 (皮质网状脊椎道) 刺激或脉搏电流扩散的结果。区分两个可能的原因的方法是计算对侧和同侧反应之间的延迟差异。先前的 tms 研究推测, 相对于对侧反应的 > 3 毫秒延迟的同侧反应是同侧 mep (imep), 潜在的途径可能是皮质网状脊髓道 (寡突路))5051525354。相反, 延迟较短的任何同侧响应可能是脉冲电流的结果;因此, 这样的响应可能不是 imep。在休息期间, 同侧反应的延迟与对侧反应相似 (见图 3a、c 和 d)。因此, 这些反应很可能不是 iMEPs, 但很可能是由于在半球间裂隙附近应用的脉冲电流的扩散而引起的。当在 tva 期间激活右 ta 和左 sol 时, 只有在 ta 中获得同侧反应, 与对侧反应相比, 它们的延迟延迟为 > 3 毫秒 (见图 4a. d)。这些反应可能是 iMEPs, 这可能表明刺激的皮质网状脊椎。总之, 当腿部运动面积受到刺激55时, 同侧反应很常见;因此, 在将这些答复解释为经济、社会和环境方案时, 应谨慎行事。

Figure 1
图 1: 重建皮肤和曲线大脑模型。(a)在评估期间, 通过将指针的尖端放置在每个地标上, 使用具有四个解剖地标 (鼻尖、鼻尖和右耳和左耳超重要凹槽) 的皮肤模型来计算主题图像配准。(b)一个 4 x 9 矩形网格, 双侧放置 在腿电机皮质区域上。正方形表示用于确定用于热点狩猎的超应称量强度的斑点。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 双边 ta 和 sol 热点和 rmt.在这两个半球, 星形符号表示每个肌肉的热点。条形图表示每个肌肉的两个评估 (开放白色圆圈) 的平均 rmt, 而每个圆下面的值表示使用自适应阈值搜索方法用于确定 rmt 的刺激数。虚线表示用于热点狩猎的强度 (45% mso)。(a)在左半球应用 tms 时, 右-对侧 ta 和 sol 的热点和 rmt。ta 热点位于腿部运动区域和半球裂隙近端, 而 sol 热点向 ta 热点侧向10毫米。用于测定 ta 和 sol rmt 的刺激量分别为6-21 和9-11。(b)在右半球应用 tms 时, 左侧/对侧 ta 和 sol 的热点和 rmt。与左半球一样, ta 热点位于腿部运动区域和半球裂隙的近端。sol 热点为7.1 毫米后侧向 ta 热点。用于确定 ta 和 sol rmt 的刺激量分别在10-22 和10-22 范围内。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 双边 ta 和 sol cmr 评估-休息.为了刺激每个热点, 收集了双侧静息 ta 和 sol 的肌电图, 同时给出了每个肌肉的平均波形 (总持续时间500毫秒; 100 毫秒前 tms)。√和 x 符号表示 mep 分别存在 (& gt;50 μv) 或不存在 (≤50μv)。在 mep 存在的情况下, 给出了峰值到峰值振幅 (μv) 和延迟 (ms) 的值。(a)刺激左半球的对侧 ta 热点。在右-对侧踝关节肌肉中均有你们的中间体, 右 ta 的振幅较大, 潜伏期较短。鉴于受激热点位于半球间裂隙和左半球腿运动区域的近端, 也在左/同侧踝关节肌肉上的 mep 被诱导 (只有 ta)。(b)刺激左半球的对侧 sol 热点。只在右侧/对侧踝关节肌肉上提取了 mep;但 ta 的 mep 振幅较大, 潜伏期较 sol. ( c)刺激左/对侧 ta 在右半球的热点。在左/对侧和右侧/同侧踝关节肌肉中都发现了你们的 mep, 两者的 mep 振幅都比两个 sol 都大, 潜伏期也更短。这种双边 mep 的激发主要是由于受激热点的位置和超应激强度造成的。(d)刺激右半球的左/对侧 sol 热点。在左/对侧踝关节肌肉和右侧/同侧 ta 中提取了 mep。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 双边 ta 和 sol cmr 评估-tva.为了刺激每个热点, 收集了双侧 ta 和 sol 的肌电图, 而检查的对侧肌在 15±5% mvic 被激活。给出了每个肌肉的平均波形 (总持续时间500毫秒; 100 毫秒前 tms)。√和 x 符号表示 mep 分别存在 (& gt;50 μv) 或不存在 (≤50μv)。在 mep 存在的情况下, 给出了峰值到峰值振幅 (μv)、延迟 (ms) 和 csp (ms) 的值。(a)刺激左半球的对侧 ta 热点。正确的 ta mep 紧随其后的是 csp。在相反的 sol 中, 也获得了延迟响应 (·) (振幅: 563μv; 延迟: 82.8 ms)。在左/同侧 ta 中也会产生 mep, 与对侧 ta 的潜伏期相比, 其潜伏期延迟5.2 毫秒。(b)刺激左半球的对侧 sol 热点。其次是对侧 sol mep, 并在对侧向 ta 中提取了 mep。未发现左侧/同侧 mep。(c)刺激右半球的左侧/对侧 ta 热点。左 ta mep 紧随其后的是 csp。在左/对侧 sol 中提取了 mep, 其中也产生了迟发反应 (振幅: 465μv; 潜伏期: 96.3 毫秒)。右侧/同侧肌肉中没有发现 mep。(d)刺激右半球的左/对侧 sol 热点。左 sol mep 紧随其后的是 csp。在左/对侧 sol 和对侧/同侧 ta 中提取了 mep, 与左/对侧 ta 的潜伏期相比, 这些均向蛋白糖的潜伏期被延迟了4.7 毫秒。在右侧/同侧 sol 中没有发现 mep. 请点击这里查看这个数字的更大版本.

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Discussion

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鉴于人们对运动皮层如何在不同队列的动态任务中对腿部肌肉的运动控制产生了兴趣, 因此需要一个标准化的 tms 协议来描述对这些肌肉的彻底评估。因此, 本协议首次提供了标准化的方法程序, 用于在两个肌肉状态 (休息和 tva) 中使用带有神经导航的单脉冲 tms 对两个踝关节对抗肌肉 (sol 和 ta) 进行双边评估。

代表性成果部分所述的调查结果指出了应考虑的几个关键步骤。首先, cmr 评估这些肌肉, 以及其他腿部肌肉, 应使用神经导航系统, 其中每个对象的 mri 应使用, 并应确定每个肌肉的热点应确定。神经导航可以引导目标运动区域上精确的 tms 刺激, 当使用受试者的 mri 时, 目标运动区域可以准确地刺激 56,57。先前的研究研究了使用神经导航在上肢肌肉的 tms 评估 58,59,60的影响;这些研究的结果有好有坏。然而, 没有研究对下肢肌肉的这种影响进行研究。鉴于 ta 和 sol 的运动皮层区域的位置 (即,与半球间裂隙相邻, 在头皮表面以下约3-4 厘米) 36,42,61, 寻找"真正的" 热点每个肌肉的斑点使用网格放置在每个主体的解剖增加了可能获得 mep 的概率, 在任何一个肌肉, 特别是在 sol. 使用相同的协议, 这里介绍, 我们最近已经表明, mep 成功地获得了在两个 ta和 sol 在几乎所有的主题 (n = 21)32。第二个关键步骤是对每一块肌肉进行双边评估。与上肢运动区不同的是, 两个腿运动区域彼此相邻, 当脉冲施加在一个区域时, 相反的区域可能会因为电流扩散而受到刺激。因此, 任何一种肌肉中的同侧反应都可能表明存在 imep (皮质网状脊椎通路的潜在替代品)50或仅仅是对相反腿运动区的直接刺激。过去, 有同侧 ta 反应的报道, 但受激部位是基于解剖地标 (10 和15毫米后侧到顶点)62。使用该协议, 可以单独确定每个肌肉的热点, 并根据热点的位置, 可以得到对侧或双侧响应 (见图 3图 4)。双侧反应是多种下降途径的结果, 还是仅仅刺激单一路径, 还需要进一步研究。

本协议可根据研究设计进行修改。虽然在本协议中使用单脉冲 tms, 配对脉冲 (测试脉冲之前有调理脉冲)63,64也可以用来评估这两个踝关节肌肉的颅内网络。同样, 在每个肌肉的热点和 rmt 测定后, 可以获得每个肌肉的双侧输入输出曲线, 以评估 tms 强度 (输入) 和 mep 振幅 (输出) 之间的关系。为了评估每个肌肉的 cmr, 在休息和 tva 期间, 每个热点都应用了10刺激, 但最近的报告表明, 应使用10以上的刺激来可靠地评估肌肉的 cmr 65,66。同样, 在热点狩猎期间 (例如, 2-5 刺激点), 与本协议中使用的每个点的单个刺激相比, 每个点可以应用一个以上的刺激。通过每个点应用一个以上的刺激, 每个肌肉的热点可能会更可靠地确定。最近的研究表明, 每个点只要两种刺激就足以确定热点 67.此外, 与最广泛使用的阈值搜索方法68相比, 基于 Rossini-Rothwell 标准69,70 的相对频率法在当前协议。尽管自适应阈值搜索方法比相对频率方法更有效 (确定 rmt 所需的刺激更少), 但两种方法的精度相似71。重要的是要记住, 所有上述修改增加了所应用的刺激的总数。最后, 目前的协议使用小于50μv 峰值到峰值振幅的标准来评估基线噪声和 "真正" 静止状态。丢弃任何大于 10μv (根平均值平方计算超过100毫秒) 的 emg 信号是另一种方法。

该议定书在方法上几乎没有考虑因素。首先, 对这两个肌肉的评估处于坐姿, 无论是在休息期间还是 tva。如前所述, ta 和 sol 在直立的姿势任务和行走过程中都是非常重要的。虽然以前的研究已经检查了 ta 和 sol cmr 在直立姿势任务 14,72,73,74,75, 76 和步行20 ,22,77,78,79, 评估只是单方面的, tms 没有以神经导航为指导。因此, 即使在这些任务中没有使用当前的协议, 它仍然可以提供一个关于这两个踝关节肌肉的皮质驱动的非侵入性窗口。其次, 没有确定主动电机阈值, 因为没有制定既定的方法来衡量这一措施。由于 amt 与 rmt (~ 82%) 80 相关且低于 rmt,即使在使用 rmt 的超应力强度时, 也可以在 tva 过程中提取 mep。第三, 由于获得 mri 和神经导航系统的成本很高, 在所有环境中使用每个有神经导航系统的对象的结构 mri 可能并不可行。然而, 某些神经导航系统, 包括本协议中使用的系统, 可以在没有主体 mri 的情况下使用;但使用的是平均核磁共振成像在这种情况下, 线圈仍然可以精确地放置在受刺激的位置上。

虽然以前的工作已经检查了 ta 和 sol cmr 在不同队列中的各种任务, 没有研究使用一个标准化的协议, 双边检查这两个肌肉使用神经导航与每个科目的 mri。使用每个对象的结构 mri 结合神经导航系统, 提高了刺激两个肌肉的运动皮质表示的准确性和精确性。这对腿部运动皮质区域至关重要。此外, 考虑到肌肉的 cmr 取决于肌肉是否完全放松或部分激活, 该协议描述了如何在休息和 tva 期间评估 ta 和 sol cmr。此外, 每个半球受到刺激, 而双侧 cmr 的每个肌肉同时评估。此外, 不是使用相同的热点来评估单个肌肉的 cmr, 每个肌肉的热点是使用一个标准化的网格确定的, 该网格被放置在腿部皮质表示上, 并被定义为振幅最大的点,最短延迟43。虽然相对频率法被广泛用于测量肌肉68的运动阈值, 但该协议采用自适应阈值搜索方法减少每个会话44应用的实验持续时间和刺激总数。最后, 为了缩短数据分析的持续时间, 规范 cmr 措施的计算, 采用了自动数据分析方法。

今后的研究可以利用该方案进一步阐明在神经完整和受损队列中对 ta 和 sol 的皮质控制。目前协议的一个这样的应用是绘制这两个肌肉的地图。虽然很少有研究检查了 ta81,82,83,84,84的运动皮质面积, 只有一项研究报告的 sol 的运动皮质面积从一个单一的病人与重点皮质发育不良85。所有这些研究都有一个共同的特点是使用相同的神经导航 tms 系统, 这与本协议中使用的系统不同。然而, 这个系统极其昂贵, 通常在医院等临床环境中发现。通过修改现有的协议, 未来的研究可以系统地调查和建立在神经完整的成年人的 ta 和 sol 皮质映射措施的规范数据。这些发现将确定哪些运动映射措施应用于具体量化每个肌肉的运动表现。本协议的另一个潜在应用是在手术或干预前后评估这两个肌肉 (例如, 行为: 运动; 神经生理学: 重复 tms, 经颅直流电刺激-tdcs) 和在运动或临床队列的恢复期。这将使康复科学家能够确定手术或干预如何改变这两个肌肉的皮层驱动。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者感谢 jesse c. dean 博士帮助方法的发展, 并提供了对手稿草稿的反馈。这项工作得到了 va 职业发展奖-2 rr & d n077-w (mgb) 的支持, 该奖项是国家卫生研究院国家普通医学研究所的机构发展奖, 赠款号为 p20-gm1090 (sak) 和 P2CHD086844 (sak)。内容并不代表退伍军人事务部或美国政府的意见。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2 Magstim stimulators (Bistim module) The Magstim Company Limited; Whitland, UK Used to elicit bilateral motor evoked potentials in tibialis anterior and soleus muscles.
Adaptive parameter estimation by sequential testing (PEST) for TMS http://www.clinicalresearcher.org/software.htm Used to determine motor thresholds.
Amplifier Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA MA-300 Used to amplify EMG data.
Data Aqcuisition Unit Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA Micro 1401 Used to aqcuire EMG data.
Double cone coil The Magstim Company Limited; Whitland, UK PN: 9902AP Used to elicit bilateral motor evoked potentials in tibialis anterior and soleus muscles.
Polaris Northen Digital Inc.; Waterloo, Ontario, Canada Used to track the reflectiive markers located on subject tracker and coil tracker.
Signal Cambridge Electronics Design Limited; Cambridge, UK version 6 Used to collect motor evoked potentials during rest and TVA.
Single double differential surface EMG electrodes Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA MA-411 Used to record EMG signals.
TMS Frameless Stereotaxy Neuronavigation Sytem Brainsight 3, Rouge Research,
Montreal, Canada
Used to navigate coil position during TMS assessment.
Walker boot Mountainside Medical Equipment, Marcy, NY Used to stabilize ankle joint.

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导航经颅磁刺激踝关节脊椎通路的双边评价
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Charalambous, C. C., Liang, J. N., Kautz, S. A., George, M. S., Bowden, M. G. Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (144), e58944, doi:10.3791/58944 (2019).More

Charalambous, C. C., Liang, J. N., Kautz, S. A., George, M. S., Bowden, M. G. Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (144), e58944, doi:10.3791/58944 (2019).

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