Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Bilaterale beoordelingvan de Corticospinal trajecten van de spieren van de enkel met behulp van genavigeerd Transcraniële magnetische stimulatie

Published: February 19, 2019 doi: 10.3791/58944
Automatic Translation
1,2, 3,4, 2,5, 5,6, 2,5,7
1Department of Neurology, New York University School of Medicine, 2Department of Health Sciences and Research, Medical University of South Carolina, 3Department of Physical Therapy, University of Nevada Las Vegas, 4Department of Health Professions, Medical University of South Carolina, 5Ralph H. Johnson VA Medical Center, 6Department of Psychiatry, Medical University of South Carolina, 7Division of Physical Therapy, Medical University of South Carolina

Summary

Dit protocol beschrijft de beoordeling van de gelijktijdige, bilaterale van de reactie van de corticomotor van de tibialis anterior en de soleus tijdens rust en tonic vrijwillige activeren met behulp van een enkele puls Transcraniële magnetische stimulatie en neuronavigation systeem.

Abstract

Distale beenspieren neurale input ontvangen motor corticale gebieden via het corticospinal-darmkanaal, die tot de belangrijkste motor aflopende traject bij de mens behoort en kunnen worden beoordeeld met behulp van Transcraniële magnetische stimulatie (TMS). Gezien de rol van de distale beenspieren in rechtop posturale en dynamische taken, zoals wandelen, is een groeiende belangstelling van het onderzoek in de evaluatie en de modulatie van de corticospinal traktaten ten opzichte van de functie van deze spieren in de afgelopen tien jaar ontstaan. Methodologische parameters gebruikt in vorige werk hebben echter gevarieerd over studies maken de interpretatie van resultaten uit transversale en longitudinale studies minder robuust. Daarom zal gebruik van een gestandaardiseerde TMS protocol die specifiek zijn voor de beoordeling van de beenspieren corticomotor reactie (CMR) zorgen voor directe vergelijking van de resultaten over studies en cohorten. Het doel van deze paper is te presenteren van een protocol dat de flexibiliteit om te beoordelen gelijktijdig de bilaterale CMR-stoffen van de twee belangrijkste enkel antagonistische spieren, de tibialis anterior en de soleus biedt, één puls TMS met een neuronavigation systeem. Dit protocol is van toepassing, terwijl de behandelde spier is of volledig ontspannen en isometrisch gecontracteerd op een bepaald percentage van de maximale isometrische vrijwillige contractie. Met behulp van elke certificaathouder structurele MRI met het neuronavigation-systeem zorgt voor nauwkeurige en precieze plaatsing van de spoel over de corticale representaties van been tijdens beoordeling. Gezien de inconsistentie in de CMR afgeleid maatregelen, beschrijft dit protocol ook een gestandaardiseerde berekening van deze maatregelen met behulp van automatische algoritmes. Hoewel dit protocol wordt niet uitgevoerd tijdens rechtop posturale of dynamische taken, kan het worden gebruikt ter beoordeling van bilateraal ieder paar van beenspieren, synergetische, in zowel neurologisch intact en gezichtsstoornissen onderwerpen of antagonistische.

Introduction

Tibialis anterior (TA) en soleus (SOL) zijn enkel antagonistische spieren liggen in de voorste en achterste compartiment van het onderbeen, respectievelijk. Beide spieren zijn uniarticular, terwijl de belangrijkste functie van TA en SOL dorsiflex en plantarflex het talocrural gewricht, respectievelijk1 is. Bovendien is TA functioneler voor lange spier excursies en minder belangrijk voor de productie van kracht, terwijl de SOL is een antigravity spier die is ontworpen voor het genereren van hoge kracht met kleine excursie van de spier2. Beide spieren zijn vooral van belang tijdens rechtop posturale en dynamische taken (bijvoorbeeld lopen)3,4. Wat neuraal controle betreft ontvangen de zwembaden motorneuron van beide spieren neurale station de hersenen via de aflopende trajecten5,6, naast wisselend van sensorische drive motor.

De belangrijkste motor aflopende traject is het corticospinal-darmkanaal, die afkomstig is van de primaire, premotor en aanvullende motor gebieden en eindigt in de spinale motorneuron zwembaden7,8. Bij de mens, kan de functionele status van dit traktaat (corticomotor response - CMR) worden redelijkerwijs beoordeeld met behulp van Transcraniële magnetische stimulatie (TMS), een niet-invasieve hersenen stimulatie gereedschap9,10. Sinds de introductie van TMS en gezien hun functionele betekenis tijdens rechtop posturale taak en wandelen, zijn CMR van TA en SOL geëvalueerd in verschillende cohorten en taken11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

In tegenstelling tot de beoordeling van CMR-stoffen in spieren van de bovenste extremiteit33, is geen universele TMS-protocol vastgesteld voor de beoordeling van CMR-stoffen in spieren van de onderste extremiteit. Als gevolg van het ontbreken van een vooraf vastgesteld protocol en de grote methodologische variabiliteit in de eerdere studies (bijvoorbeeld soort spoel, gebruik van neuronavigation, tonic activering, testen kant en spier, gebruik en berekening van de CMR maatregelen, enz. ), de interpretatie van resultaten over studies en cohorten kunnen worden lastig, ingewikkeld en onnauwkeurig. Zoals de maatregelen functioneel relevante in verschillende motor taken zijn, zal een gangbaar TMS protocol die specifiek zijn voor de onderste extremiteit CMR beoordeling toestaan dat motor neurowetenschappers en revalidatie wetenschappers stelselmatig beoordelen de CMR in deze spieren over sessies en verschillende cohorten.

Daarom is de doelstelling van dit protocol voor het beschrijven van de bilaterale beoordeling van TA en SOL CMR met behulp van één puls TMS en neuronavigation systeem. In tegenstelling tot eerdere werk, dit protocol heeft tot doel te maximaliseren van de strengheid van de experimentele procedures, data-acquisitie en data-analyse door methodologische factoren die de geldigheid en de duur van het experiment te optimaliseren en standaardiseren van de CMR beoordeling van deze twee onderste extremiteit spieren. Gezien het feit dat de CMR van een spier hangt af van de spier wordt volledig ontspannen of gedeeltelijk is geactiveerd, wordt dit protocol beschreven hoe de TA en SOL CMR kan worden beoordeeld tijdens de rust en tonic vrijwillige activering (TVA). In de volgende paragrafen zal grondig het huidige protocol. Ten slotte, representatieve gegevens zal worden gepresenteerd en besproken. Het protocol hier beschreven is afgeleid van die in Charalambous et al. 201832.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle experimentele procedures gepresenteerd in dit protocol door de lokale institutionele Review Board zijn goedgekeurd en zijn in overeenstemming met de verklaring van Helsinki.

1. toestemming proces en veiligheid vragenlijsten

  1. Vóór elke proef, uitleggen aan elk onderwerp de aim(s) van de studie, de belangrijkste experimentele procedures en eventuele potentiële risicofactoren verbonden aan deelname aan het onderzoek. Na het beantwoorden van vragen of bezwaren die onderwerpen kunnen hebben, vragen onderwerpen om te erkennen het toestemming-proces en de geïnformeerde toestemmingsformulier ondertekenen.
  2. MRI34 en TMS35 veiligheid-screening vragenlijsten om de veiligheid en de kwalificatie voor zowel de MRI als de TMS testen onderwerpen beheren. Alle onderwerpen die niet voldoen aan alle veiligheidscriteria van zowel de MRI als de TMS evaluaties uit te sluiten.

2. de MRI en de voorbereiding van het Neuronavigation-systeem

  1. De beoordeling van de MRI vóór TMS beoordeling32beheren. Onderwerpen liggen in een liggende positie met een kussen onder de knieën om een comfortabele houding geplaatst heb. Instrueren onderwerpen nog steeds in de scanner te houden.
    1. Oorbescherming geven de onderwerpen om te verzachten van het lawaai van de scanner. Bij voorkeur gebruik oordopjes over oorwarmers ten gevolge van het gebruik van bilaterale supratragic uitsparing voor onderwerp-beeldregistratie in het neuronavigation-systeem (zie 5.2).
    2. T-1 gewogen anatomische hersenen resolutieafbeeldingen verkrijgen (minimumeisen: 1 mmdikte segment en volledige hersenen en cerebellaire dekking), hetzij als NFTI of DICOM-bestanden. Zorgen dat neus is volledig opgenomen in de beelden als gevolg van het gebruik van de certificaathouder puntje van de neus voor onderwerp-beeldregistratie in het neuronavigation-systeem (zie 5.2).
  2. MRI bestanden uploaden in een neuronavigation systeem. Handmatig registreren mede van elke certificaathouder MRI aan de voorste en achterste commissures, zodat de certificaathouder MRI kan worden toegewezen met behulp van de atlas Montreal Neurological Institute.
    1. Het reconstrueren van de huid en het volledige kromlijnige hersenen model door de begrenzende vierkant rond de schedel en hersenen weefsel, respectievelijk aan te passen. Identificeren van vier anatomische bezienswaardigheden (puntje van de neus, nasion - brug van de neus, en supratragic inkeping van de rechter en linker oor) met behulp van de huid model (Zie figuur 1A).
    2. Plaatst u een rechthoekig raster boven been motor corticale gebied op elk halfrond met behulp van de gereconstrueerde kromlijnige hersenen (Zie figuur 1B). Plaats de gecentreerde rij van het raster in het midden en over de gyrus van het been motor corticale gebied waar de corticospinal traktaten die been motor zwembaden innervate zijn afkomstig van36. Plaats de mediale kolom van het raster parallelle en grenzend aan de mediale muur van de ipsilaterale halfrond.
    3. Gebruik een cortex-gebaseerde benadering in welke fout in richting heeft een te verwaarlozen effect op de stimulatie site37 in plaats van met behulp van een target hoofdhuid gebaseerde aanpak waarin elke fout in richting de stimulatie-site kunt wijzigen. Gebruik dit raster om het vinden van de hot spot. Gebruiken voor het omzetten van de motor, grotere rasters hetzij door toe te voegen meer vlekken en/of het vergroten van de afstand tussen plekken (bijvoorbeeld 10 mm).

3. het onderwerp van voorbereiding en plaatsing

  1. Meet het elektrofysiologische reacties door één puls TMS met een totaal van 4 oppervlakte EMG elektroden. Gebruiken voor de voorbereiding en de plaatsing van de elektroden, gepubliceerde richtsnoeren38,39 en volledige plaatsing terwijl het onderwerp in een staande positie.
    1. Het gebied waarover elke elektrode geplaatst zou worden door scheren en licht exfoliërende alle dode huidcellen en oliën met behulp van alcohol swabs voor te bereiden.
      Let op: Voor onderwerpen op bloed verdunners (bijvoorbeeld mensen na beroerte), wees voorzichtig tijdens de voorbereiding van de huid als gevolg van het potentiële risico van bloeden.
    2. Hechten elektroden bilateraal op TA. Terwijl in de staande positie, vragen onderwerpen om te heffen hun tenen omhoog en plaats dan de elektrode op het bovenste derde van de lijn tussen het hoofd van het kuitbeen en mediale malleolus; (dat wil zeggen, spier buik onmiddellijk laterale aan de tibiale crest).
    3. Hechten elektroden bilateraal op SOL. Terwijl in de staande positie, vragen het onderwerp uit te voeren van de hiel verhogen en plaats dan de elektrode op het onderste derde van de lijn tussen de laterale femur condyle en laterale malleolus;.
    4. Bevestig de grond passieve elektrode op de knieschijf of laterale malleolus;. Afhankelijk van de EMG acquisitie-eenheid, plaats de elektroden van de grond, hetzij bilateraal of eenzijdig.
  2. Test de plaatsing en de kwaliteit van het signaal de elektroden.
    1. Test de elektroden plaatsing (bijvoorbeeld voor visueel duidelijk aantoonbaar EMG barst) door te vragen het onderwerp op dorsiflex of plantarflex de enkel in een rechtop houding tijdens het weergeven van de ruwe EMG-signaal van alle spieren getest op een computerscherm. In het geval van een misplaatste elektrode, verwijder en vervang het totdat er duidelijk visueel aantoonbaar EMG barst met minimale achtergrondgeluiden. Een voldoende signaal / ruisverhouding is van cruciaal belang voor het opsporen van een motorische reactie (> 50 µV).
    2. Test de kwaliteit van het signaal (bijvoorbeeld voor basislijn lawaai) door het ontladen van de TMS-eenheden voor een paar keer, terwijl de TMS spoel wordt gehouden van het zittende onderwerp en met de spieren in rust. Controleer of het signaal van de basislijn voor elk kanaal EMG dicht bij nul is (dat wil zeggen, de piek-tot-piek amplitude moet minder dan 50 µV en er is geen basislijn lawaai, zoals 50 of 60 Hz power line hum). Als basislijn ruis aanwezig in een kanaal is, verwijdert u de bijbehorende elektrode en herhaal de huid voorbereiding procedures. Als het geluid is nog steeds aanwezig (dat wil zeggen, piek-tot-piek amplitude > 50 µV), de referentie-elektrode positie aanpassen en vervangt u de gel-elektrolyt.
  3. Beveilig alle elektroden met behulp van licht schuim pre wrap tape. Gedurende het gehele experiment, controleert om ervoor te zorgen dat de elektroden stevig zijn aangesloten en dat het signaal goede kwaliteit moet.
  4. Plaats het onderwerp in een stoel. Om ervoor te zorgen consequent voeten plaatsing over onderwerpen, veilige beide voeten in wandelschoenen (dat wil zeggen, enkel voet orthese) waarmee de enkel ROM te worden aangepast aan een specifieke positie en bieden weerstand tijdens het TVA testen. Aanpassen van zowel de heup en de knie hoeken om te voorkomen dat onderwerp ongemak. Instrueer het onderwerp te houden nog gedurende het gehele experiment. Gebruik een voorhoofd rust gekoppeld aan de stoel te houden onderwerpen nog tijdens de TMS toepassing, indien beschikbaar.

4. TVA testen

  1. Bepalen bilateraal de maximale vrijwillige isometrische contractie (MVIC) van elke spier. Voor elke beweging (dat wil zeggen, Dorsaalflexie en plantarflexion), instrueren onderwerpen aan de contralaterale onderzocht spier (bijvoorbeeld de juiste TA) maximaal 4 keer het contract (~ 5 s contracties gescheiden door 60 s van rest) zittend onderwerp is in de houding hierboven beschreven.
  2. Berekenen van de maximale spier activiteit waarde tijdens elke MVIC (dat wil zeggen, het gemiddelde binnen een venster van de 100 ms gecentreerd rond het maximale gerectificeerde en afgevlakte EMG) van de laatste drie proeven, het gemiddelde van de drie waarden, en de 15 ± 5% van elke spier is gemiddelde MVIC.
    Let op: Een grotere % MVIC kan worden gebruikt, maar het kan niet haalbaar zijn in klinische cohorten (bijvoorbeeld mensen na beroerte).

5. registratie in Neuronavigation systeem

  1. Plaats het onderwerp tracker, een hoofdband of glazen, met reflecterende markeringen op het hoofd van het onderwerp aan de overkant van het gestimuleerd halfrond zodat de tracker niet verhindert plaatsing van de spoel tijdens de stimulatie van elk raster spot.
    Let op: In het geval dat een hoofdband wordt gebruikt, zorgen ervoor dat het gezellig op de certificaathouder hoofd, nog niet al te strak omdat het een hoofdpijn na een langere periode van tijd veroorzaken kan.
  2. Controleer of u de juiste positie van de motion capture camera door het plaatsen van de tracker onderwerp, de aanwijzer en de spoel tracker in de volumeruimte vastleggen. De onderwerp-beeldregistratie uitvoeren door de tip van de aanwijzer op de 4 anatomische landmaks (Zie figuur 1A) te plaatsen.
  3. Zodra alle anatomische bezienswaardigheden worden bemonsterd, verifiëren of registratie nauwkeurig plaatsgevonden door het puntje van de aanwijzer plaatst op verschillende plekken op de certificaathouder schedel (dat wil zeggen, validatie fase). Als de afstand van het puntje van de aanwijzer tot de gereconstrueerde huid minder dan 3 mm is, gaat u verder met TMS experiment; anders, herhaal de onderwerp-beeldregistratie totdat de gewenste foutwaarden worden verkregen. Tijdens het experiment verplaatst herhalen registratie als de onderwerp-tracker per ongeluk is.

6. TMS

  1. Gebruik dezelfde methodologische parameters tijdens rust en TVA.
    1. Breng één puls prikkels op de optimale site (dat wil zeggen, hotspot; Zie de volgende paragraaf voor meer details) van de onderzochte spier. Toepassing elke stimulans willekeurig elke 5-10 s te vermijden stimulus anticiperen en te minimaliseren van de gevolgen van de overdracht van de vorige puls naar de daaropvolgende één40.
    2. In geval dat twee eenheden van TMS worden gelijktijdig gebruikt, ingesteld de eenheden op de modus standaard of gelijktijdige41. De standaardmodus geldt een zwakkere puls dan een eenheid, dat de gelijktijdige modus een sterkere impuls dan één eenheid geldt. Het gebruik van één van beide één kan worden gebaseerd op de behoeften van het protocol en het totale aantal prikkels.
    3. Gebruik een dubbele conus spoel voor het opwekken van een intracraniële stroom van posteroanterior. Indien nodig, het neuronavigation-systeem gebruiken om te controleren de spoel handmatig en juiste haar positie ten opzichte van de gewenste gestimuleerd ter plaatse voorafgaand aan elke stimulans.
    4. Randomize over sessies en onderwerpen, de volgorde van de behandelde spier en halfrond. Altijd beheren de TVA voorwaarde na de rest voorwaarde om eventuele storing met testen in rust (bijvoorbeeld vermoeidheid van de dalende trajecten als gevolg van TVA testen) te voorkomen.
  2. Bepalen bilateraal de hotspot van beide spieren.
    1. Vinden van de intensiteit van de suprathreshold, die zal worden gebruikt tijdens de jacht hotspot, door een enkele prikkel toe te passen over de gecentreerde plek naast het interhemispheric horizontalis (zie blauwe en rode vierkanten in de figuur 1B). Gebruik deze plek omdat het is gelegen op de locus van het been motor gebied36,42.
    2. Beginnen met lage intensiteit (bijvoorbeeld 30% maximale stimulator output; MBO) en geleidelijk verhogen de TMS intensiteit door de stappen van 5%, tot het bereiken van de intensiteit die een motor evoked potentieel (MEP lokt) met een piek-tot-piek amplitude groter is dan 50 µV in alle contralaterale onderzocht spieren voor 3 opeenvolgende prikkels.
    3. Bepalen onmiddellijk na elke stimulans of een afgevaardigde heeft zijn ontlokte gebaseerd op zowel de ruwe golfvormen en de piek-tot-piek amplitudes (zoekvenster: 20-60 ms post-TMS begin) onderzocht van alle spieren.
    4. Breng één TMS puls op elke plek van het raster (totaal 36 prikkels). Na de voltooiing van het hotspot-protocol, overbrengen de amplitude en latentie waarden van elke plek voor alle contralaterale spieren in de amplitude van een werkblad en sorteren van hoog naar laag en de latentie van laag naar hoog. De hot spot van contralaterale TA en SOL identificeren als de locatie in het raster met de grootste amplitude en de kortste latency43.
      Let op: Als de grootste amplitude en de kortste wachttijden niet op dezelfde plek, definiëren de hot spot met behulp van de grootste amplitude.
  3. Bepalen bilateraal dat elke spier is rust motor drempel (RMT).
    1. Selecteer de grid plek in het neuronavigation-systeem dat correspondeert met de behandelde spier hotspot.
    2. Gebruik een adaptieve methode van de drempel-jacht voor RMT bepaling van de behandelde spieren44. Stelt u de begingrootte intensiteit en stap op 45 en 6% MSO, respectievelijk32. Voer de RMT jacht tweemaal voor elke spier en gebruik van het gemiddelde voor de latere evaluatie van de CMR.
  4. Beoordeling van bilateraal TA en SOL CMR tijdens rust.
    1. Selecteer de grid plek in het neuronavigation-systeem dat correspondeert met de behandelde spier hotspot. 10 interne TMS pulsen op 1.2 RMT van de onderzochte spier van toepassing.
    2. Voorafgaand aan elke prikkel, instrueren het onderwerp te blijven nog steeds en bilateraal de behandelde spieren ontspannen en de activiteiten van alle spieren met behulp van een real-time visuele feedback weergeven op een computerscherm worden gecontroleerd. In het geval dat een spier is actief voor of na TMS, negeren van dat proces en een extra één puls van toepassing. Herhaal totdat 10 golfvormen voor elke contralaterale onderzocht spier in rust zijn verzameld.
  5. Beoordeling van bilateraal de TA en SOL CMR tijdens TVA.
    1. Selecteer de grid plek in het neuronavigation-systeem dat correspondeert met de behandelde spier hotspot.
    2. Vragen onderwerpen naar de behandelde spier bij 15 ± 5% contract MVIC en toepassing van de 10 één TMS pulsen op 1.2 RMT. Instrueren onderwerpen om te houden van de vloeiende bewegende lijn (kwadratische gemiddelde amplitude van 0.165 s) van de onderzochte spier, TA of SOL, binnen de twee horizontale cursors (MVIC-bereik: 15 ± 5%) en ondersteunen dat samentrekking op dat niveau voor enkele seconden.
    3. Wanneer TA de onderzochte spier is, vragen onderwerpen te trekken iets tegen de laarzen op hun contralaterale been (dat wil zeggen, het been met de behandelde spier contralaterale gestimuleerd halfrond). Wanneer SOL is de onderzochte spier, vragen van dringende duw lichtjes tegen de boot op de contralaterale been.
    4. Controleren van de spieractiviteit van de actieve onderzocht spier en de resterende rust spieren met behulp van een visuele feedback in real time weergegeven op een computerscherm. Negeren dat de stimulans en een extra één puls opnieuw toepassen in geval van de onderzochte spieractiviteit is onder of boven het vooraf bepaalde bereik of elke andere spier wordt geactiveerd. Verzamelen 10 proeven terwijl de behandelde spier is geactiveerd op het vooraf bepaalde bereik.

7. de gegevensanalyse

  1. Voor alle maatregelen van de CMR behalve RMT, de waarde van elke maatregel van elke MEP sweep (de totale duur moet ten minste 500 ms met een duur van minimum 100 ms pre stimulus) te berekenen voor alle spieren en dan deze 10 gemiddelden om een enkele waarde (d.w.z. betekent)32. Amplitude en corticale stille periode (CSP) zijn proxy prikkelbaarheid maatregelen van CMR, terwijl latency een zekere mate van proxy, connectiviteit van CMR-stoffen is. Voor zowel rust en TVA, Normaliseren latentie ten opzichte van de hoogte van elk onderwerp, zoals latency wordt beïnvloed door de afstand tot de behandelde spier45.
  2. Bereken MEP amplitude en latentie tijdens rust.
    1. Bereken amplitude (µV) uit het ruwe EMG als het grootste verschil tussen positieve en negatieve toppen (dat wil zeggen, piek-tot-piek) van de MEP. Deze twee bijzondere spieren, zoekt piek-tot-piek binnen een venster van de tijd van 20-60 ms na TMS begin.
      Let op: Hoewel het zoekvenster van de MEP van 20-60 ms kan werken voor neurologisch intact onderwerpen en mensen na beroerte, bredere MEP Zoek windows (bijvoorbeeld 20-75 ms) kunnen worden vereist voor andere neurologische populaties (bijv . multiple sclerose).
    2. Latency (ms) van de gerectificeerde EMG berekenen als de tijd tussen TMS begin en aanvang van MEP (dat wil zeggen, de tijd wanneer een gerectificeerde EMG traceren eerst een vooraf bepaalde drempel kruisen - gemiddelde plus drie standaarddeviaties liggen voor de 100 ms pre stimulans EMG)32 , 46.
  3. Bereken MEP amplitude, latency en CSP tijdens TVA.
    1. Bereken amplitude (µV) uit het ruwe EMG als het grootste verschil tussen positieve en negatieve toppen (dat wil zeggen, piek-tot-piek) van de MEP. Deze twee bijzondere spieren, zoekt piek-tot-piek binnen een venster van de tijd van 20-60 ms na TMS begin.
    2. Bereken latency (ms) van de gerectificeerde EMG als de tijd tussen het begin van TMS en MEP begin.
      1. Berekenen van de aanvang van MEP anders in TVA dan in rust. MEP begin en offset berekenen door het vinden van de twee keer dat de gerectificeerde EMG trace de vooraf bepaalde drempel ingesteld op het niveau van 100 ms pre stimulus kruist punten betekenen EMG. Vervolgens vinden de pieken die in ieder geval groter dan het gemiddelde van de voorafgaande prikkel EMG plus drie standaarddeviaties zijn en tussen die twee keer punten. Vervolgens zoeken vanaf de eerste piek aan 50 gegevenspunten (sampling rate van 5000 Hz) voordat die piek gedurende de tijd dat de gerectificeerde EMG trace eerst de drempel van de gemiddelde pre stimulans EMG kruist. Definiëren die tijd als de MEP begin32.
    3. CSP (ms) van de gerectificeerde EMG berekenen als de tijd tussen de MEP offset en EMG hervatting (dat wil zeggen, absolute CSP: uitsluiting van MEP duur)47. Zoeken vanaf de laatste piek aan 200 gegevenspunten (sampling rate van 5000 Hz) na die piek gedurende de tijd dat de gerectificeerde EMG trace laatst de drempel van de gemiddelde pre stimulans EMG gekruist; definiëren die tijd als de verschuiving van de MEP. Vervolgens berekenen de hervatting van de basislijn EMG, dat is de tijd dat de gerectificeerde EMG trace laatste 25% van de gemiddelde pre stimulans EMG32kruist.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuren 2-4 presenteren gegevens uit een representatieve neurologisch intact 31-jarige man met lengte en gewicht van 178 cm en 83 kg, respectievelijk.

Figuur 2 presenteert de bilaterale hotspots en RMT van elke enkel spier. Met behulp van de plek gelegen in het midden van het been gebied in elk halfrond (Zie pleinen in figuur 1B), de intensiteit van 45% MSO bilateraal werd gebruikt voor de jacht op hotspot. De locatie van de hotspot voor elke spier verschilden tussen hemisferen, maar als verwachte alle vier hot-spots waren gevestigd in het been motor corticale gebieden. Deze bevinding wordt aangegeven dat TA en SOL niet dezelfde warme plek delen kunnen; Daarom, CMR van elke spier moet worden geschat aan de hand van elke spier hotspot in tegenstelling tot het gebruik van de dezelfde hot spot voor beide spieren. Bilaterale RMT werd bepaald voor elke spier, met behulp van een adaptieve methode van de drempel-jacht. Het aantal prikkels toegepast voor de bepaling van de RMT varieerde van 6 tot 22 prikkels. Het verschil tussen de twee RMT waarden van elke spier varieerde van 1% tot 3% MSO. Het combineren van deze resultaten stelt dat een adaptieve methode van de drempel-jacht kan een efficiënte aanpak te bepalen van de RMT van een enkel spier met lage variabiliteit. Bovendien waren alle RMTs lager dan de intensiteit gebruikt voor hot spot jacht (gestippelde lijn in Figuur 2). Deze constatering geeft aan dat het been motor gebied met behulp van de plek bevindt (Zie pleinen in figuur 1B) te bepalen de intensiteit van een "echte" suprathreshold haalbaar.

Figuur 3 geeft de bilaterale antwoorden van TA en SOL wanneer de hot spot voor elke spier in rust werd gestimuleerd. Contralaterale parlementsleden waren voor alle bilaterale gestimuleerd hot spots ontlokte in zowel TA en SOL. Echter, de reacties en latencies waren altijd groter en korter in de TA dan in SOL, respectievelijk, ongeacht van welke spier warme plek werd gestimuleerd. Ipsilaterale reacties voornamelijk in TA en toen de gestimuleerd hotspot proximale te interhemispheric horizontalis aanwezig waren (Zie figuur: 2A – TA hotspot, 2B – beide spieren hotspot). Omgekeerd, ipsilaterale reacties waren afwezig in beide spieren toen de gestimuleerd kant verder laterale uit het interhemispheric horizontalis (> 10 mm) (Zie figuur 2A -SOL hotspot).

Figuur 4 geeft de bilaterale antwoorden van TA en SOL wanneer de hot spot voor elke spier tijdens TVA werd gestimuleerd. In rest, contralaterale parlementsleden waren ontlokte in zowel TA en SOL voor alle bilaterale gestimuleerd sites tijdens een 15 ± 5% MVIC. Alleen de behandelde spier was geactiveerd; Daarom werden de resterende drie spieren in rust. CSP is alleen in de onderzochte geactiveerde spier, TA zowel SOL aanwezig. In rest ontlokte TMS over juiste TA en linker SOL hotspots ook ipsilaterale reacties; deze reacties waren aanwezig alleen in de ipsilaterale TA (Zie figuur 4A,D). Omgekeerd, ontlokte TMS over de juiste SOL en linker TA hotspots alleen contralaterale parlementsleden. Interessant, late reacties in de contralaterale SOL aanwezig was alleen toen TA werd geactiveerd; deze reacties bilateraal aanwezig waren opgetreden tussen 80-100 ms post-TMS en had grotere amplitudes dan de leden van het Parlement (zie † in figuur 4A, C ). Deze late reacties met bereik 70-100 ms post-TMS zijn eerder gemeld als overwegend in SOL alleen met TA TVA (0-40% MVIC)48,49.

Zowel rust als TVA voorwaarden waren gelijk in die zin dat de ipsilaterale reacties waren ontlokte wanneer bepaalde hotspots werden gestimuleerd. De aanwezigheid van ipsilaterale reacties mogelijk het resultaat van de stimulatie van een leertraject oligosynaptic (bijvoorbeeld cortico-reticulo-spinal tract) of de verspreiding van de pols de huidige. Het is een aanpak onderscheid maken tussen de twee mogelijke oorzaken voor de berekening van het verschil in latency tussen het contralaterale en ipsilaterale reacties. Eerdere TMS studies hebben gespeculeerd dat een ipsilaterale respons van > 3 ms vertraging ten opzichte van de contralaterale reactie ipsilaterale Parlementslid (iMEP is), en de potentiële traject kan de cortico-reticulo-spinal tractus (dat wil zeggen, oligosynaptic traject )50,51,52,53,,54. Omgekeerd, elke ipsilaterale reactie met een kortere vertraging mogelijk het resultaat van de pols van de huidige; een dergelijk antwoord kan niet dus een iMEP. Tijdens de rust had ipsilaterale reacties soortgelijk latencies als contralaterale Reacties (Zie figuur 3A, C en D). Dus, deze antwoorden waren waarschijnlijk niet iMEPs, maar waren waarschijnlijk ontlokte als gevolg van de verspreiding van de pols is huidige toegepast grenzend aan de interhemispheric horizontalis. Wanneer de juiste TA en de linker SOL waren geactiveerd tijdens TVA, ipsilaterale reacties waren alleen ontlokte in de TA en werden vertraagd door > 3 ms in vergelijking met de contralaterale reactie (Zie figuur 4A, D). Deze reacties kunnen worden iMEPs, wat op stimulatie van de tractus cortico-reticulo-spinal wijzen kan. Kortom, ipsilaterale reacties gelden wanneer het been motor gebied gestimuleerd55; Daarom moet voorzichtigheid worden genomen wanneer deze reacties worden geïnterpreteerd als iMEPs.

Figure 1
Figuur 1: huid en kromlijnige hersenen modellen gereconstrueerd. (A) een model van de huid met vier anatomische bezienswaardigheden (puntje van de neus, nasion en supratragic inkeping van de rechter en linker oor) wordt gebruikt voor het berekenen van de onderwerp-beeldregistratie tijdens de beoordeling door de tip van een aanwijzer op elke mijlpaal te plaatsen. (B) een rechthoekig raster van 4 x 9 geplaatst bilateraal over de been motor corticale gebied. Pleinen duiden de vlekken gebruikt om te bepalen van de intensiteit van de suprathreshold gebruikt voor de jacht op hotspot. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: bilaterale TA en SOL hotspots en RMT. In beide halfronden duidt de ' ster ' symbool de hot spot voor elke spier. Bar percelen aanwezig de gemiddelde RMT van twee evaluaties (open witte cirkel) voor elke spier, terwijl de waarden onder elke cirkel het aantal prikkels duiden toegepast om te bepalen van de RMT een adaptieve methode van de drempel-jacht. De stippellijn geeft de intensiteit gebruikt voor de jacht op hotspot (45% MSO). (A) Hot spots en RMTs van de rechts/contralaterale TA en SOL terwijl TMS werd toegepast over de linker hemisfeer. TA was hotspot over het been motor gebied en proximale aan het interhemispheric horizontalis terwijl SOL hotspot 10 mm lateraal naar TA hotspot. Het aantal prikkels gebruikt om te bepalen van TA en SOL RMT varieerden 6-21 en 9 / 11, respectievelijk. (B) Hot spots en RMTs van de links/contralaterale TA en SOL, terwijl TMS werd toegepast op de rechter hersenhelft. Net als in de linker hemisfeer was TA hotspot over het been motor gebied en proximale aan het interhemispheric horizontalis. SOL hotspot was 7,1 mm posterior-laterale naar TA hotspot. Het aantal prikkels gebruikt om te bepalen van TA en SOL RMT waren in de reeksen 10-22 en 10-11, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: bilaterale TA en SOL CMR Assessment - rusten. Voor de stimulatie van elke hot spot, het EMG van de bilaterale rust TA en SOL werden verzameld, terwijl de gemiddelde golfvorm van elke spier wordt gepresenteerd (totale duur 500 ms; 100 ms pre-TMS). De √ en X symbolen duiden dat MEP ofwel was aanwezig (> 50 µV) of afwezig is (≤ 50 µV), respectievelijk. In geval van parlementaire aanwezigheid, worden de waarden van de piek-tot-piek amplitude (µV) en de latency (ms) gepresenteerd. (A) stimulatie van de rechts/contralaterale TA hot spot op linker hemisfeer. EP-leden waren in beide recht/contralaterale enkel spieren, ontlokte met juiste TA met grotere amplitude en de kortere wachttijden dan juiste SOL. Gezien het feit dat de gestimuleerd hot spot gevestigd door het interhemispheric horizontalis en proximale naar het been motor gebied op de linker hemisfeer is, was MEP op de links/ipsilaterale enkel spieren ook ontlokte (enige TA). (B) de stimulatie van de rechts/contralaterale SOL warme plek op de linker hemisfeer. EP-leden waren ontlokte alleen op de rechts/contralaterale enkel spieren; TA had echter grotere amplitude van de MEP en de kortere wachttijden dan SOL. (C) stimulatie van de links/contralaterale TA's hot spot op de rechter hersenhelft. EP-leden waren ontlokte in beide links/contralaterale en recht/ipsilaterale enkel spieren met beide TA met grotere MEP amplitudes en kortere latencies dan beide SOL. Deze bilaterale MEP verdieping is voornamelijk te wijten aan de locatie van de gestimuleerd hot spot en de intensiteit van de suprathreshold. (D) stimulering van de links/contralaterale SOL warme plek op de rechter hersenhelft. EP-leden waren ontlokte in links/contralaterale enkel spieren en recht/ipsilaterale TA. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: bilaterale TA en SOL CMR Assessment - TVA. Voor de stimulatie van elke hot spot, het EMG van de bilaterale TA en SOL werden verzameld terwijl de onderzochte contralaterale spier was geactiveerd bij 15 ± 5% MVIC. De gemiddelde golfvorm van elke spier wordt gepresenteerd (totale duur 500 ms; 100 ms pre-TMS). De √ en X symbolen duiden dat MEP ofwel was aanwezig (> 50 µV) of afwezig is (≤50 µV), respectievelijk. In geval van parlementaire aanwezigheid, worden de waarden van de piek-tot-piek amplitude (µV) latency (ms) en de CSP (ms) gepresenteerd. (A) stimulatie van de rechts/contralaterale TA hot spot op linker hemisfeer. Recht TA MEP werd gevolgd door CSP. MEP was ontlokte in contralaterale/rechts SOL in die een late reactie (†) was ook ontlokte (amplitude: 563 µV; latency: 82,8 ms). MEP was ook ontlokte in links/ipsilaterale TA, waarvan latency is vertraagd door 5.2 ms in vergelijking met de rechts/contralaterale TA's latency. (B) de stimulatie van de rechts/contralaterale SOL warme plek op de linker hemisfeer. Recht/contralaterale SOL MEP werd gevolgd door CSP, en MEP was ook ontlokte in contralaterale/rechts TA. Geen links/ipsilaterale parlementsleden waren ontlokte. (C) stimulatie van de links/contralaterale TA hot spot op de rechter hersenhelft. Links TA MEP werd gevolgd door CSP. MEP was ontlokte in links/contralaterale SOL in die een late reactie (†) was ook ontlokte (amplitude: 465 µV; latency: 96.3 ms). Geen leden waren ontlokte in recht/ipsilaterale spieren. (D) stimulering van de links/contralaterale SOL warme plek op de rechter hersenhelft. Links SOL MEP werd gevolgd door CSP. EP-leden waren ontlokte in links/contralaterale SOL en recht/ipsilaterale TA, waarvan latency is vertraagd door 4.7 ms in vergelijking met de links/contralaterale TA's latency. Geen Parlementslid was ontlokte in recht/ipsilaterale SOL. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Gezien de opkomende belangstelling voor hoe de motorschors draagt bij aan de motorische controle van beenspieren tijdens dynamische taken in verschillende cohorten, een gestandaardiseerde TMS-protocol die de grondige evaluatie van deze spieren beschrijft nodig. Daarom, voor de eerste keer, dit protocol biedt gestandaardiseerde methodologische procedures op bilaterale beoordeling van twee enkel antagonistische spieren, SOL en TA, tijdens de twee toestanden van de spier (rest en TVA) met behulp van een enkele puls TMS met neuronavigation.

De bevindingen beschreven in de sectie merkt van de representatieve resultaten op verschillende kritische stappen die moeten worden onderzocht. Eerst, CMR evaluatie van deze spieren, evenals andere beenspieren, moet plaatsvinden met behulp van een neuronavigation systeem waarin elke certificaathouder MRI moet worden gebruikt en van elke spier hotspot moet worden bepaald. Neuronavigation nauwkeurig TMS stimulatie over het doelgebied van de motor kan begeleiden, en wanneer de certificaathouder MRI wordt gebruikt, het doelgebied van de motor kan worden gestimuleerd nauwkeurig56,,57. Vorige werk onderzocht de effecten van het gebruik van neuronavigation tijdens een TMS-beoordeling van de bovenste extremiteit spieren58,59,60; bevindingen van die studies waren gemengd. Nog, geen studie onderzocht dit effect voor een onderste extremiteit spier. Gezien de locatie van de motor corticale gebieden van TA en SOL (dat wil zeggen,grenzend aan de interhemispheric horizontalis op ongeveer 3-4 cm onder het oppervlak van de hoofdhuid)36,42,61, op jacht naar de "ware" hete plek van elke spier met behulp van een raster dat op elke certificaathouder anatomie geplaatst verhoogt de kans op redelijkerwijs tot Parlementslid in beide spier, met name in SOL. gebruiken hetzelfde protocol gepresenteerd hier, we hebben onlangs aangetoond dat de parlementsleden met succes werden ontlokte in beide TA en SOL in bijna alle vakken (N = 21)32. De tweede cruciale stap is de bilaterale beoordeling van elke spier. In tegenstelling tot bovenste extremiteit motor gebieden, de twee been motor naast elkaar, en wanneer een puls wordt toegepast via één gebied het tegenovergestelde gebied kan worden gestimuleerd als gevolg van de huidige verspreiding. Daarom kan geen ipsilaterale antwoord in beide spier aangeven of de aanwezigheid van een iMEP (een potentiële proxy van cortico-reticulo-spinal pathway)50 of gewoon een directe stimulatie van de tegengestelde been motor ruimte. In het verleden, ipsilaterale TA reacties werden gemeld, maar de gestimuleerd site is gebaseerd op anatomische landmark (10 tot 15 mm posterior en laterale hoekpunt)62. Met behulp van dit protocol, de hot spot voor elke spier kan afzonderlijk worden bepaald, en afhankelijk van de locatie van de hot spot de contralaterale of bilaterale reacties ontlokte kunnen worden (Zie Figuur 3 en Figuur 4). Of de bilaterale reactie een gevolg van meerdere aflopende is moet trajecten of gewoon stimulatie van een enkel traject verder onderzocht worden.

Dit protocol kan worden aangepast afhankelijk van het ontwerp van het onderzoek. Terwijl één puls TMS in dit protocol wordt gebruikt, gekoppeld pulse (test puls is voorafgegaan door conditionering puls)63,64 kan ook worden gebruikt voor het beoordelen van de intracortical netwerken van deze twee enkel spieren. Ook na de hot spot en RMT bepaling van elke spier, kunnen bilaterale input-output-curven van elke spier worden verworven om te beoordelen van de relatie tussen TMS intensiteit (input) en de amplitude van de MEP (output). Om te beoordelen van de CMR van elke spier, tijdens de rust en TVA 10 stimuli worden toegepast op elke hot spot, maar recente rapporten hebben gesuggereerd dat meer dan 10 prikkels moeten worden gebruikt om te beoordelen op een betrouwbare manier de CMR van een spier65,66. Meer dan één prikkel per plek kan ook worden toegepast tijdens de hotspot jacht (bijvoorbeeld 2-5 prikkels/plek) in vergelijking met een enkele prikkel per plek in dit protocol gebruikt. Door meer dan één prikkel per plek toe te passen, kan de hot spot voor elke spier betrouwbaarder worden vastgesteld. Recente studie stelde voor dat zo weinig als twee prikkels per plek voor hotspot bepaling67voldoende zou kunnen zijn. Bovendien, in vergelijking met de meest gebruikte drempel jacht methode, de relatieve frequentie methode68, dat is gebaseerd op de Rossini-Rothwell criterium69,70, de adaptieve drempel-jacht-methode wordt gebruikt in de Dit protocol. Hoewel de adaptieve methode van de drempel-jacht efficiënter (d.w.z. is, die minder prikkels zijn vereist om te bepalen van RMT) dan de relatieve frequentie-methode, delen beide methoden vergelijkbaar precisie71. Het is belangrijk te onthouden dat alle bovengenoemde wijzigingen verhoogt de totale telling van stimuli toegepast. Tot slot, het huidige protocol gebruikt het criterium van minder dan 50 µV piek-tot-piek amplitude ter beoordeling voor basislijn lawaai en voor de "echte" rust staat. Teruggooi geen groter is dan 10 µV EMG-signaal (kwadratische gemiddelde berekend meer dan 100 ms) is een alternatieve benadering.

Dit protocol heeft enkele methodologische overwegingen. Ten eerste, is de beoordeling van deze twee spieren in een zittende positie, hetzij tijdens rust of bij TVA. Zoals eerder vermeld, zowel TA en SOL zijn van cruciaal belang tijdens rechtop posturale taken en wandelen. Hoewel eerdere studies hebben onderzocht TA en SOL CMR tijdens rechtop posturale taken14,72,73,74,75,76 en wandelen20, 22 , 77 , 78 , 79, er was alleen de beoordeling unilaterale en TMS werd niet geleid door neuronavigation. Daarom, zelfs als dit protocol niet tijdens deze taken gebruikt wordt, kan het nog steeds een niet-invasieve venster over de corticale aandrijving van deze twee enkel spieren bieden. De actieve motor drempel (AMT) werd tweede, niet bepaald, want er niet een goed vastgelegde methode voor die maatregel is. Gezien het feit dat AMT is gecorreleerd met en lager dan de RMT is (~ 82%)80, MEP kan worden tijdens de TVA ontlokte zelfs bij het gebruik van een suprathreshold-intensiteit van de RMT. Ten derde, gebruik van structurele MRI van elk onderwerp met het neuronavigation-systeem mogelijk niet haalbaar in alle instellingen te wijten aan de hoge kosten van het verkrijgen van de MRI en het neuronavigation-systeem. Bepaalde neuronavigation systemen met inbegrip van de in dit protocol wordt gebruikt kan echter worden gebruikt zonder certificaathouder MRI; maar een gemiddelde MRI wordt gebruikt. In dit geval kan de spoel nog juist worden geplaatst over de gestimuleerd site.

Terwijl vorige werk TA en SOL CMR tijdens verschillende taken in verschillende cohorten onderzocht heeft, geen studie gebruikt een gestandaardiseerde protocol dat deze twee spieren neuronavigation bilateraal met elke certificaathouder MRI onderzocht. Gebruik van structurele MRI van elk onderwerp gecombineerd met een neuronavigation systeem bevordert de nauwkeurigheid en precisie van stimulatie van de motor Corticale representaties van beide spieren. Dit is van cruciaal belang voor de been motor corticale gebieden. Ook, gezien het feit dat de CMR van een spier hangt af van de spier wordt volledig ontspannen of gedeeltelijk is geactiveerd, dit protocol beschrijft hoe de TA en SOL CMR kan worden beoordeeld tijdens rust en TVA. Bovendien, wordt elke halfrond gestimuleerd, terwijl de bilaterale CMR van elke spier gelijktijdig wordt beoordeeld. Bovendien, in plaats van met behulp van de hot spot die dezelfde voor de beoordeling van een enkele spier CMR, elke spier de hotspot is bepaald met behulp van een gestandaardiseerde raster, die werd gelegd op de been corticale vertegenwoordiging, en de plek met de grootste amplitude wordt verstaan en kortste latency43. Hoewel de relatieve frequentie-methode algemeen gebruikt wordt voor het meten van de motor drempel van een spier68, dit protocol maakt gebruik van een adaptieve drempel-jacht-methode de experimentele duur en het totale aantal prikkels toegepast per sessie44te verminderen. Ten slotte, om de duur van data-analyse te beperken en te standaardiseren van de berekening van de CMR maatregelen, een geautomatiseerde data-analyse-methode wordt gebruikt.

Toekomstige studies kunt dit protocol verder het ophelderen van de corticale controle van TA en SOL in zowel neurologisch intact en gezichtsstoornissen cohorten. Een dergelijke toepassing van dit protocol is de toewijzing van deze twee spieren. Hoewel enkele studies de motor corticale gebied van TA81,,82,,83,84 onderzocht, slechts één studie gerapporteerd motor corticale inzake SOL uit een enkele patiënt met focal corticale dysplasie85. Een gemeenschappelijk kenmerk dat alle studies delen is het gebruik van hetzelfde neuronavigated TMS systeem, dat van het systeem dat wordt gebruikt in dit protocol verschilt. Echter, dit systeem is erg duur, en het wordt meestal gevonden in klinische instellingen, zoals ziekenhuizen. Door aanpassing van het huidige protocol, kunnen toekomstige studies systematisch onderzoeken en normatieve gegevens van corticale toewijzing maatregelen voor TA en SOL stellen bij neurologisch intact volwassenen. Dergelijke bevindingen zal vaststellen welke maatregelen motor toewijzing moeten worden gebruikt om specifiek het kwantificeren van de vertegenwoordigingen van de motor van elke spier. Een andere mogelijke toepassing van dit protocol is de beoordeling van deze twee spieren vóór en na een operatie of een interventie (bijvoorbeeld gedrags: oefenen; neurofysiologische: repetitieve TMS, Transcraniële gelijkstroom stimulatie - TDC's) en tijdens de herstelperiode in atletische of klinische cohorten. Hierdoor kan de revalidatie wetenschappers om te bepalen hoe een operatie of een interventie kan het veranderen van de corticale schijf van deze twee spieren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dr. Jesse C. Dean bedanken de auteurs voor het helpen met methodologische ontwikkeling en verstrekken van feedback over een ontwerp van het manuscript. Dit werk werd gesteund door een VA carrière ontwikkeling Award-2 RR & D N0787-W (MGB), een institutionele Development Award van het National Institute of General Medical Sciences van de NIH grant onder nummer P20-GM109040 (SAK) en P2CHD086844 (SAK). De inhoud vertegenwoordigt niet de opvattingen van het Department of Veterans Affairs of de regering van de Verenigde Staten.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Schünke, M., Schulte, E., Ross, L. M., Schumacher, U., Lamperti, E. D. Thieme Atlas of Anatomy: General Anatomy and Musculoskeletal System. , Thieme. (2006).
  2. Lieber, R. L., Friden, J. Functional and clinical significance of skeletal muscle architecture. Muscle Nerve. 23 (11), 1647-1666 (2000).
  3. Winter, D. A. The biomechanics and motor control of human gait: Normal, Elderly and Pathological. , 2nd edn, University of Waterloo Press. (1991).
  4. Winter, D. A. A.B.C. (anatomy, Biomechanics and Control) of Balance During Standing and Walking. , Waterloo Biomechanics. (1995).
  5. Nielsen, J. B. Motoneuronal drive during human walking. Brain Research Reviews. 40 (1-3), 192-201 (2002).
  6. Nielsen, J. B. How we walk: central control of muscle activity during human walking. Neuroscientist. 9 (3), 195-204 (2003).
  7. Davidoff, R. A. The pyramidal tract. Neurology. 40 (2), 332-339 (1990).
  8. Nathan, P. W., Smith, M. C., Deacon, P. The corticospinal tracts in man. Course and location of fibres at different segmental levels. Brain. 113 (Pt 2), 303-324 (1990).
  9. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  10. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
  11. Brouwer, B., Ashby, P., Midroni, G. Excitability of corticospinal neurons during tonic muscle contractions in man. Experimental Brain Research. 74 (3), 649-652 (1989).
  12. Advani, A., Ashby, P. Corticospinal control of soleus motoneurons in man. Canadian Journal Physiology and Pharmacology. 68 (9), 1231-1235 (1990).
  13. Holmgren, H., Larsson, L. E., Pedersen, S. Late muscular responses to transcranial cortical stimulation in man. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 75 (3), 161-172 (1990).
  14. Ackermann, H., Scholz, E., Koehler, W., Dichgans, J. Influence of posture and voluntary background contraction upon compound muscle action potentials from anterior tibial and soleus muscle following transcranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 81 (1), 71-80 (1991).
  15. Brouwer, B., Ashby, P. Corticospinal projections to lower limb motoneurons in man. Experimental Brain Research. 89 (3), 649-654 (1992).
  16. Priori, A., et al. Transcranial electric and magnetic stimulation of the leg area of the human motor cortex: single motor unit and surface EMG responses in the tibialis anterior muscle. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Evoked Potentials Section. 89 (2), 131-137 (1993).
  17. Valls-Sole, J., Alvarez, R., Tolosa, E. S. Responses of the soleus muscle to transcranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 93 (6), 421-427 (1994).
  18. Brouwer, B., Qiao, J. Characteristics and variability of lower limb motoneuron responses to transcranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 97 (1), 49-54 (1995).
  19. Devanne, H., Lavoie, B. A., Capaday, C. Input-output properties and gain changes in the human corticospinal pathway. Experimental Brain Research. 114 (2), 329-338 (1997).
  20. Capaday, C., Lavoie, B. A., Barbeau, H., Schneider, C., Bonnard, M. Studies on the corticospinal control of human walking. I. Responses to focal transcranial magnetic stimulation of the motor cortex. Journal of Neurophysiology. 81 (1), 129-139 (1999).
  21. Terao, Y., et al. Predominant activation of I1-waves from the leg motor area by transcranial magnetic stimulation. Brain Research. 859 (1), 137-146 (2000).
  22. Christensen, L. O., Andersen, J. B., Sinkjaer, T., Nielsen, J. Transcranial magnetic stimulation and stretch reflexes in the tibialis anterior muscle during human walking. Journal of Physiology. 531 (Pt 2), 545-557 (2001).
  23. Bawa, P., Chalmers, G. R., Stewart, H., Eisen, A. A. Responses of ankle extensor and flexor motoneurons to transcranial magnetic stimulation). Journal of Neurophysiology. 88 (1), 124-132 (2002).
  24. Soto, O., Valls-Sole, J., Shanahan, P., Rothwell, J. Reduction of intracortical inhibition in soleus muscle during postural activity. Journal of Neurophysiology. 96 (4), 1711-1717 (2006).
  25. Barthelemy, D., et al. Impaired transmission in the corticospinal tract and gait disability in spinal cord injured persons. Journal of Neurophysiology. 104 (2), 1167-1176 (2010).
  26. Barthelemy, D., et al. Functional implications of corticospinal tract impairment on gait after spinal cord injury. Spinal Cord. 51 (11), 852-856 (2013).
  27. Beaulieu, L. D., Masse-Alarie, H., Brouwer, B., Schneider, C. Brain control of volitional ankle tasks in people with chronic stroke and in healthy individuals. Journal of Neurological Science. 338 (1-2), 148-155 (2014).
  28. Palmer, J. A., Hsiao, H., Awad, L. N., Binder-Macleod, S. A. Symmetry of corticomotor input to plantarflexors influences the propulsive strategy used to increase walking speed post-stroke. Clinical Neurophysiology. 127 (3), 1837-1844 (2016).
  29. Palmer, J. A., Needle, A. R., Pohlig, R. T., Binder-Macleod, S. A. Atypical cortical drive during activation of the paretic and nonparetic tibialis anterior is related to gait deficits in chronic stroke. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 716-723 (2016).
  30. Palmer, J. A., Hsiao, H., Wright, T., Binder-Macleod, S. A. Single Session of Functional Electrical Stimulation-Assisted Walking Produces Corticomotor Symmetry Changes Related to Changes in Poststroke Walking Mechanics. Physical Therapy. , (2017).
  31. Palmer, J. A., Zarzycki, R., Morton, S. M., Kesar, T. M., Binder-Macleod, S. A. Characterizing differential poststroke corticomotor drive to the dorsi- and plantarflexor muscles during resting and volitional muscle activation. Journal of Neurophysiology. 117 (4), 1615-1624 (2017).
  32. Charalambous, C. C., Dean, J. C., Adkins, D. L., Hanlon, C. A., Bowden, M. G. Characterizing the corticomotor connectivity of the bilateral ankle muscles during rest and isometric contraction in healthy adults. Journal of Electromyography and Kinesiology. 41, 9-18 (2018).
  33. Kleim, J. A., Kleim, E. D., Cramer, S. C. Systematic assessment of training-induced changes in corticospinal output to hand using frameless stereotaxic transcranial magnetic stimulation. Nature Protocols. 2 (7), 1675-1684 (2007).
  34. Shellock, F. G., Spinazzi, A. MRI safety update 2008: part 2, screening patients for MRI. American Journal of Roentgenology. 191 (4), 1140-1149 (2008).
  35. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  36. Conti, A., et al. Navigated transcranial magnetic stimulation for "somatotopic" tractography of the corticospinal tract. Neurosurgery. 10, Suppl 4. 542-554 (2014).
  37. Comeau, R. Transcranial Magnetic Stimulation. , Springer. 31-56 (2014).
  38. Cram, J. R., Criswell, E. Cram's Introduction to Surface Electromyography. , Jones & Bartlett Learning. (2011).
  39. Hermens, H. J., Freriks, B., Merletti, R., Stegeman, D., Blok, J., Rau, G., Disselhorst-Klug, C., Hagg, G. European Recommendations for Surface ElectroMyoGraphy: Results of the Seniam Project (SENIAM). , 2nd edn, Roessingh Research and Development. citeulike-article-id:5280603 (1999).
  40. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  41. Sinclair, C., Faulkner, D., Hammond, G. Flexible real-time control of MagStim 200(2) units for use in transcranial magnetic stimulation studies. Journal of Neuroscience Methods. 158 (2), 133-136 (2006).
  42. Alkadhi, H., et al. Reproducibility of primary motor cortex somatotopy under controlled conditions. American Journal of Neuroradiology. 23 (9), 1524-1532 (2002).
  43. Rossini, P. M., et al. Applications of magnetic cortical stimulation. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology Supplement. 52, 171-185 (1999).
  44. Borckardt, J. J., Nahas, Z., Koola, J., George, M. S. Estimating resting motor thresholds in transcranial magnetic stimulation research and practice: a computer simulation evaluation of best methods. Journak for ECT. 22 (3), 169-175 (2006).
  45. Livingston, S. C., Friedlander, D. L., Gibson, B. C., Melvin, J. R. Motor evoked potential response latencies demonstrate moderate correlations with height and limb length in healthy young adults. The Neurodiagnostic Journal. 53 (1), 63-78 (2013).
  46. Cacchio, A., et al. Reliability of TMS-related measures of tibialis anterior muscle in patients with chronic stroke and healthy subjects. Journal of Neurological Science. 303 (1-2), 90-94 (2011).
  47. Saisanen, L., et al. Factors influencing cortical silent period: optimized stimulus location, intensity and muscle contraction. Journal of Neuroscience Methods. 169 (1), 231-238 (2008).
  48. Ertekin, C., et al. A stable late soleus EMG response elicited by cortical stimulation during voluntary ankle dorsiflexion. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Electromyography and Motor Control. 97 (5), 275-283 (1995).
  49. Tarkka, I. M., McKay, W. B., Sherwood, A. M., Dimitrijevic, M. R. Early and late motor evoked potentials reflect preset agonist-antagonist organization in lower limb muscles. Muscle Nerve. 18 (3), 276-282 (1995).
  50. Ziemann, U., et al. Dissociation of the pathways mediating ipsilateral and contralateral motor-evoked potentials in human hand and arm muscles. Journal of Physiology. 518 (Pt 3), 895-906 (1999).
  51. McCambridge, A. B., Stinear, J. W., Byblow, W. D. Are ipsilateral motor evoked potentials subject to intracortical inhibition? Journal of Neurophysiology. 115 (3), 1735-1739 (2016).
  52. Tazoe, T., Perez, M. A. Selective activation of ipsilateral motor pathways in intact humans. Journal of Neuroscience. 34 (42), 13924-13934 (2014).
  53. Chen, R., Yung, D., Li, J. Y. Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 89 (3), 1256-1264 (2003).
  54. Wassermann, E. M., Pascual-Leone, A., Hallett, M. Cortical motor representation of the ipsilateral hand and arm. Experimental Brain Research. 100 (1), 121-132 (1994).
  55. Kesar, T. M., Stinear, J. W., Wolf, S. L. The use of transcranial magnetic stimulation to evaluate cortical excitability of lower limb musculature: Challenges and opportunities. Restorative Neurology and Neuroscience. 36 (3), 333-348 (2018).
  56. Lefaucheur, J. P. Why image-guided navigation becomes essential in the practice of transcranial magnetic stimulation. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 40 (1), 1-5 (2010).
  57. Sparing, R., Hesse, M. D., Fink, G. R. Neuronavigation for transcranial magnetic stimulation (TMS): where we are and where we are going. Cortex. 46 (1), 118-120 (2010).
  58. Sparing, R., Buelte, D., Meister, I. G., Pauš, T., Fink, G. R. Transcranial magnetic stimulation and the challenge of coil placement: a comparison of conventional and stereotaxic neuronavigational strategies. Human Brain Mapping. 29 (1), 82-96 (2008).
  59. Gugino, L. D., et al. Transcranial magnetic stimulation coregistered with MRI: a comparison of a guided versus blind stimulation technique and its effect on evoked compound muscle action potentials. Clinical Neurophysiology. 112 (10), 1781-1792 (2001).
  60. Jung, N. H., et al. Navigated transcranial magnetic stimulation does not decrease the variability of motor-evoked potentials. Brain Stimulation. 3 (2), 87-94 (2010).
  61. Terao, Y., Ugawa, Y. Basic mechanisms of TMS. J Clin Neurophysiol. 19 (4), 322-343 (2002).
  62. Madhavan, S., Rogers, L. M., Stinear, J. W. A paradox: after stroke, the non-lesioned lower limb motor cortex may be maladaptive. European Journal of Neuroscience. 32 (6), 1032-1039 (2010).
  63. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. Journal of Physiology. 471, 501-519 (1993).
  64. Ziemann, U. Intracortical inhibition and facilitation in the conventional paired TMS paradigm. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology Supplement. 51, 127-136 (1999).
  65. Cavaleri, R., Schabrun, S. M., Chipchase, L. S. The number of stimuli required to reliably assess corticomotor excitability and primary motor cortical representations using transcranial magnetic stimulation (TMS): a systematic review and meta-analysis. Systematic Reviews. 6 (1), 48 (2017).
  66. Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability. Neuroscience. 320, 205-209 (2016).
  67. Cavaleri, R., Schabrun, S. M., Chipchase, L. S. Determining the Optimal Number of Stimuli per Cranial Site during Transcranial Magnetic Stimulation Mapping. Neuroscience Journal. 2017, 6328569 (2017).
  68. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  69. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 91 (2), 79-92 (1994).
  70. Rothwell, J. C., et al. Magnetic stimulation: motor evoked potentials. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology Supplement. 52, 97-103 (1999).
  71. Silbert, B. I., Patterson, H. I., Pevcic, D. D., Windnagel, K. A., Thickbroom, G. W. A comparison of relative-frequency and threshold-hunting methods to determine stimulus intensity in transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 124 (4), 708-712 (2013).
  72. Obata, H., Sekiguchi, H., Nakazawa, K., Ohtsuki, T. Enhanced excitability of the corticospinal pathway of the ankle extensor and flexor muscles during standing in humans. Experimental Brain Research. 197 (3), 207-213 (2009).
  73. Tokuno, C. D., Taube, W., Cresswell, A. G. An enhanced level of motor cortical excitability during the control of human standing. Acta Physiological (Oxf). 195 (3), 385-395 (2009).
  74. Obata, H., Sekiguchi, H., Ohtsuki, T., Nakazawa, K. Posture-related modulation of cortical excitability in the tibialis anterior muscle in humans. Brain Research. 1577, 29-35 (2014).
  75. Remaud, A., Bilodeau, M., Tremblay, F. Age and Muscle-Dependent Variations in Corticospinal Excitability during Standing Tasks. PLoS ONE. 9 (10), e110004 (2014).
  76. Baudry, S., Collignon, S., Duchateau, J. Influence of age and posture on spinal and corticospinal excitability. Experimental Gerontology. 69, 62-69 (2015).
  77. Petersen, N. T., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. Journal of Physiology. 537 (Pt 2), 651-656 (2001).
  78. Schubert, M., Curt, A., Jensen, L., Dietz, V. Corticospinal input in human gait: modulation of magnetically evoked motor responses. Experimental Brain Research. 115 (2), 234-246 (1997).
  79. Schubert, M., Curt, A., Colombo, G., Berger, W., Dietz, V. Voluntary control of human gait: conditioning of magnetically evoked motor responses in a precision stepping task. Experimental Brain Research. 126 (4), 583-588 (1999).
  80. Ngomo, S., Leonard, G., Moffet, H., Mercier, C. Comparison of transcranial magnetic stimulation measures obtained at rest and under active conditions and their reliability. Journal of Neuroscience Methods. 205 (1), 65-71 (2012).
  81. Niskanen, E., et al. Group-level variations in motor representation areas of thenar and anterior tibial muscles: Navigated Transcranial Magnetic Stimulation Study. Human Brain Mapping. 31 (8), 1272-1280 (2010).
  82. Thordstein, M., Saar, K., Pegenius, G., Elam, M. Individual effects of varying stimulation intensity and response criteria on area of activation for different muscles in humans. A study using navigated transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 6 (1), 49-53 (2013).
  83. Vaalto, S., et al. Long-term plasticity may be manifested as reduction or expansion of cortical representations of actively used muscles in motor skill specialists. Neuroreport. 24 (11), 596-600 (2013).
  84. Forster, M. T., Limbart, M., Seifert, V., Senft, C. Test-retest reliability of navigated transcranial magnetic stimulation of the motor cortex. Neurosurgery. 10, 55-56 (2014).
  85. Saisanen, L., et al. Non-invasive preoperative localization of primary motor cortex in epilepsy surgery by navigated transcranial magnetic stimulation. Epilepsy Research. 92 (2-3), 134-144 (2010).

Tags

Neurowetenschappen kwestie 144 Transcraniële magnetische stimulatie corticospinal traktaten tibialis anterior soleus tonic vrijwillige activering neurofysiologie corticomotor reactie hersenen neuronavigation
Bilaterale beoordelingvan de Corticospinal trajecten van de spieren van de enkel met behulp van genavigeerd Transcraniële magnetische stimulatie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Charalambous, C. C., Liang, J. N.,… 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).

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