Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Bilateralen Bewertung der kortikospinalen Bahnen der Knöchel Muskeln mit navigierte transkranielle Magnetstimulation

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

Dieses Protokoll beschreibt die gleichzeitige, bilateralen Bewertung der Corticomotor Reaktion des m. Tibialis anterior und Soleus während der Rest und Tonic freiwillige Aktivierung mit einem Einzelimpuls Transcranial magnetische Anregung und neuronavigation System.

Abstract

Distal Beinmuskeln erhalten neuronalen Input von motorischen kortikale Areale über des kortikospinalen Trakts, die motorischen absteigenden Hauptweg beim Menschen zählt und mit Hilfe der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) beurteilt werden können. Angesichts der Rolle der distalen Beinmuskulatur in aufrechten Haltungs- und dynamische Aufgaben, wie walking, ist ein wachsendes Forschungsinteresse bei der Beurteilung und Modulation der kortikospinalen Traktate bezogen auf die Funktion dieser Muskeln in den letzten zehn Jahren entstanden. Allerdings haben methodische Parameter in früheren Arbeiten über Studien, so dass die Interpretation der Ergebnisse von Querschnitts- und longitudinale Studien weniger robust variiert. Daher ermöglicht die Verwendung eines standardisierten TMS-Protokolls, die spezifisch für die Beurteilung der Beinmuskulatur Corticomotor Reaktion (CMR) zum direkten Vergleich der Ergebnisse über Studien und Kohorten. Das Ziel dieses Papiers ist ein Protokoll zu präsentieren, das bietet die Flexibilität, um gleichzeitig die bilateralen CMR der zwei wichtigsten Knöchel antagonistischen Muskeln, die Tibialis anterior und Soleus, mit einzelnen Impuls TMS mit einem Neuronavigation System bewerten. Dieses Protokoll gilt, während die untersuchte Muskel ist entweder vollständig entspannt oder isometrisch an einen bestimmten Prozentsatz der maximalen isometrischen freiwillige Kontraktion vertraglich. Mit jedem Fach strukturellen MRT mit der Neuronavigation-System sorgt für genaue und präzise Positionierung der Spule über das Bein kortikale Repräsentationen während der Bewertung. Die Inkonsistenz im CMR abgeleiteten Maßnahmen gegeben, beschreibt dieses Protokoll auch eine standardisierte Berechnung dieser Maßnahmen mit automatisierten Algorithmen. Obwohl dieses Protokoll nicht während aufrechter Körperhaltung oder dynamische Aufgaben durchgeführt wird, es lässt sich bilateral jedes Paar der Beinmuskulatur, antagonistischen oder synergistische bei neurologisch intakten und beeinträchtigte Personen zu beurteilen.

Introduction

M. Tibialis anterior (TA) und Soleus (SOL) sind Knöchel antagonistischen Muskeln befindet sich im vorderen und hinteren Abteil des Unterschenkels, beziehungsweise. Beide Muskeln sind Uniarticular, während die Hauptfunktion des TA und SOL, Dorsiflex und Plantarflex die Sprunggelenke Gelenk bzw.1. Darüber hinaus ist TA funktioneller für lange Muskel Ausflüge und weniger wichtig für die Produktion der Kraft, während SOL eine Antigravitation Muskel entwickelt, um hohe Kraft mit kleinen Ausflug der Muskel2zu erzeugen. Beide Muskeln sind während der aufrechte Körperhaltung und dynamische Aufgaben (z. B. walking)3,4besonders relevant. Über neuronale Kontrolle erhalten die Motoneuron-Pools der beiden Muskeln neuronale Laufwerk aus dem Gehirn über die absteigenden Bahnen5,6, neben unterschiedlicher sensorischen Antrieb Motor.

Der Hauptmotor absteigender Weg ist des kortikospinalen Trakts, die stammt aus der primären, prämotorischen und zusätzlichen motorischen Areale und endet in der spinal Motoneuron Becken7,8. Beim Menschen kann der Funktionszustand des dieses Traktat (Corticomotor Response - CMR) durchaus realistisch mit der transkraniellen Magnetstimulation (TMS), eine nicht-invasive Gehirn Stimulation Werkzeug9,10bewertet werden. Seit der Einführung der TMS und angesichts ihrer funktionellen Bedeutung während aufrechter Körperhaltung Aufgabe und walking sind CMR von TA und SOL in verschiedenen Kohorten und Aufgaben11,12,13,14 untersucht worden ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

Im Gegensatz zu der Bewertung der CMR in Muskeln der oberen Extremitäten33entstand kein universal TMS-Protokoll für die Beurteilung der CMR in den Muskeln der unteren Extremitäten. Aufgrund des Fehlens von einer etablierten Protokoll und die große methodische Variabilität über die früheren Studien (z. B. Art der Spule, Nutzung der Neuronavigation, der tonische Aktivierung, Test Seite und Muskel, verwenden und Berechnung der CMR misst, etc.. ), die Interpretation der Ergebnisse in Studien und Kohorten können umständlich, kompliziert und ungenau. Da die Maßnahmen in verschiedenen motorischen Aufgaben funktional relevant sind, ermöglicht eine etablierte TMS protokollspezifisch zu senken Sie Extremität CMR Bewertung motor Neurowissenschaftler und Reha-Wissenschaftler das CMR in diesen Muskeln über systematisch zu bewerten Sitzungen und verschiedenen Kohorten.

Daher ist das Ziel dieses Protokolls, die bilateralen Bewertung der TA und SOL CMR mit einzelnen Impuls TMS und Neuronavigation System zu beschreiben. Dieses Protokoll soll im Gegensatz zu früheren Arbeiten der Maximierung der Strenge der experimentellen Verfahren, Datenerfassung und Datenanalyse durch den Einsatz von methodischer Faktoren, die die Gültigkeit und Dauer des Experiments zu optimieren und standardisieren die CMR Bewertung von diesen beiden Muskeln der unteren Extremität. Angesichts der Tatsache, dass die CMR eines Muskels hängt davon ab, ob der Muskel ist völlig entspannt oder teilweise aktiviert, beschreibt dieses Protokoll, wie die TA und SOL CMR während der Rest und Tonic freiwillige Aktivierung (TVA) bewertet werden kann. Den folgenden Abschnitten werden gründlich dieses Protokolls werden. Zu guter Letzt werden repräsentative Daten vorgestellt und diskutiert werden. Das hier beschriebene Protokoll wird im Charalambous Et Al. 201832daraus abgeleitet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle experimentelle Verfahren präsentiert in diesem Protokoll von der örtlichen Institutional Review Board genehmigt worden und sind in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki.

1. Zustimmung Prozeß und Sicherheit Fragebögen

  1. Erklären Sie vor jedem Experiment zu jedem Thema bezüglich der Studie, die wichtigsten experimentellen Verfahren und jede mögliche Risikofaktoren im Zusammenhang mit der Teilnahme an der Studie. Fragen Sie nach Beantwortung von Fragen oder Anliegen, die Themen haben könnten, Themen zu erkennen an der Einwilligung-Prozess und die Einverständniserklärung unterschreiben.
  2. Verwalten Sie MRI34 und TMS35 Sicherheit-Screening Fragebögen, um die Themen Sicherheit und Qualifikation für MRT und TMS Tests zu gewährleisten. Schließen Sie alle Themen, die alle Sicherheitskriterien von MRI und TMS-Bewertungen nicht erfüllen.

(2) MRT und Vorbereitung des Systems der Neuronavigation

  1. Die MRI-Bewertung vor der TMS Bewertung32zu verwalten. Haben Sie Themen liegen in Rückenlage mit einem Kissen unter die Knie zu gewährleisten eine bequeme Haltung gelegt. Weisen Sie an, Themen, noch in den Scanner zu halten.
    1. Bieten Sie Gehörschutz zu den Themen, die laute Geräusche des Scanners zu vermindern. Verwenden Sie bevorzugt Ohrstöpsel über Kapselgehörschutz durch den Einsatz von bilateralen Supratragic Kerbe für Motiv-Bild-Registrierung in der Neuronavigation System (siehe 5.2).
    2. T1-gewichteten anatomischen Gehirn Bilder mit hoher Auflösung zu erhalten (Mindestanforderungen: 1 mm Schnittstärke und vollständigen Gehirn und zerebelläre Abdeckung), entweder als NFTI oder DICOM-Dateien. Stellen Sie sicher, dass die Nase ist voll in den Bildern aufgrund der Verwendung des Subjekts Nasenspitze für Motiv-Bild-Registrierung im System Neuronavigation enthalten (siehe 5.2).
  2. Hochladen Sie MRI-Dateien in eine Neuronavigation System. Co registrieren Sie manuell jedes Thema MRI, vordere und hintere Kommissuren, damit das Thema MRT mit der Montreal Neurological Institute Atlas zugeordnet werden kann.
    1. Die Haut und das volle krummlinigen Gehirn Modell durch die Anpassung des Begrenzungsrahmens um den Schädel und Gehirn Gewebe bzw. zu rekonstruieren. Vier anatomische Landmarken zu identifizieren (die Nasenspitze Nasion - Brücke der Nase und Supratragic Kerbe an der rechten und linken Ohr) mit der Haut Modell (siehe Abbildung 1A).
    2. Platzieren Sie ein rechteckiges Raster über Bein motor kortikalen Bereich in jeder Hemisphäre mit der rekonstruierten krummlinigen Gehirn (siehe Abbildung 1 b). Positionieren Sie die zentrierte Zeile des Rasters in der Mitte und über den Gyrus Bein motor kortikalen Bereich wo der kortikospinalen Traktate, die Bein Motor Becken innervieren36stammen. Positionieren Sie die mediale Spalte des Rasters parallel und angrenzend an der medialen Wand der ipsilateralen Hemisphäre.
    3. Verwenden Sie einen Kortex-basierten Ansatz in dem Fehler in der Ausrichtung hat einen vernachlässigbaren Effekt auf die Stimulation Seite37 statt mit einem Ziel Kopfhaut-basierten Ansatz in dem eine fehlerhafte Ausrichtung die Stimulation Website verändern kann. Verwenden Sie dieses Raster, um den Hotspot zu finden. Für motor-Mapping verwenden größere Raster entweder durch Hinzufügen von mehr Spots und/oder Vergrößerung des Abstandes zwischen den Spots (z. B. 10 mm).

3. Thema Vorbereitung und Platzierung

  1. Messen Sie die elektrophysiologischen Reaktionen durch Einzelimpuls TMS mit insgesamt 4 Oberflächen-EMG-Elektroden. Verwenden Sie für die Vorbereitung und Platzierung der Elektroden veröffentlichten Richtlinien38,39 und Platzierung abzuschließen, während das Motiv in eine stehende Position befindet.
    1. Bereiten Sie den Bereich, über dem jede Elektrode durch Rasieren und leicht Peeling alle abgestorbenen Hautzellen und Öle mit Alkoholtupfer platziert werden würde.
      Achtung: Bei den Fächern auf Blutverdünner (z. B. Menschen nach Schlaganfall) Vorsicht während der Vorbereitung der Haut durch das potenzielle Risiko von Blutungen.
    2. Befestigen Sie die Elektroden bilateral auf TA. Während in stehender Position, Fragen Sie, Themen, heben Sie die Zehen nach oben und legen Sie dann die Elektrode an das obere Drittel der Linie zwischen dem Kopf der Fibula und medialen Malleolus (d.h. Muskel Bauch sofort seitlich an der Tibia Crest).
    3. Befestigen Sie die Elektroden bilateral auf SOL. Während in der Stehposition bitten Sie das Thema Ferse heben und legen Sie dann die Elektrode in das untere Drittel der Strecke zwischen der femoralen lateralen Kondylus und seitlichen Malleolus.
    4. Befestigen Sie die Boden passive Bezugselektrode entweder auf die Kniescheibe oder seitlichen Malleolus. Je nach der EMG-Aufnahmeeinheit platzieren Sie die Boden-Elektroden entweder bilateral oder einseitig.
  2. Testen Sie der Elektroden Platzierung und Qualität des Signals.
    1. Testen Sie die Elektroden Platzierung (z. B. für klare visuell erkennbaren EMG-Bursts) mit der Frage der Gegenstand entweder Dorsiflex oder Plantarflex der Knöchel in aufrechter Haltung während der Anzeige der Roh-EMG-Signals aller Muskeln getestet auf einem Computerbildschirm. Im Falle einer falschen Elektrode entfernen Sie und ersetzen Sie es bis gibt es klare visuell erkennbaren EMG platzt mit minimalem Rauschen. Eine ausreichende Signal Rauschabstand ist entscheidend bei der Aufdeckung von eine motorische Reaktion (> 50 µV).
    2. Testen Sie die Qualität des Signals (z. B. für Baseline Noise) durch die Entladung der TMS-Einheiten für ein paar Mal während die TMS Spule vom sitzenden Motiv und mit den Muskeln in Ruhe gehalten wird. Prüfen Sie, ob die Grundlinie Signal für jeden Kanal EMG nahe Null (d. h. die Spitze-Spitze-Amplitude sollte weniger als 50 µV und gibt es keine Basislinie Geräusche, wie z. B. 50 oder 60 Hz Netzbrummen). Grundlinie Lärm in einen Kanal vorhanden ist, entfernen Sie die entsprechenden Elektrode und wiederholen Sie Haut Vorbereitung Verfahren. Wenn das Geräusch noch vorhanden ist (d. h. Spitze-Spitze-Amplitude > 50 µV), richten Sie die Bezugselektrode und ersetzen das Elektrolyt-Gel.
  3. Alle Elektroden mit leichten Schaum vor-wickeln Klebeband zu sichern. In regelmäßigen Abständen während des Experiments, stellen Sie sicher, dass Elektroden fest angeschlossen sind und dass hat das Signal eine gute Qualität.
  4. Sitzen Sie das Thema in einem Stuhl. Konsequente Füße Platzierung über Themen, sichere beide Füße in Wanderschuhen (d. h. Knöchel-Fuß-Orthese), die es den Knöchel ROM an einer bestimmten Position angepasst werden und bieten Widerstand ermöglichen während der TVA Tests zu gewährleisten. Passen Sie die Hüft- und Kniegelenke Winkel zum Thema Unannehmlichkeiten zu vermeiden. Weisen Sie das Thema, während das Experiment zu halten. Verwenden erholend Stirn angeschlossen an den Stuhl, Themen noch während TMS Anwendung zu halten, falls vorhanden.

(4) TVA testen

  1. Bestimmen Sie auf bilateraler Ebene maximale freiwillige isometrische Kontraktion (MVIC) der jeden Muskel. Für jede Bewegung (d. h. Dorsalflexion und Plantarflexion) anweisen, Themen, maximal den kontralateralen untersuchten Muskel (z. B. richtige TA) 4 Mal Vertrag (~ 5 s Kontraktionen getrennt durch 60 s Rest) sitzend Subjekt in der Körperhaltung wie oben beschrieben.
  2. Berechnen Sie den maximalen Muskel Aktivität Wert während jedes MVIC (d. h. im Durchschnitt innerhalb von 100 ms Fenster zentriert um die maximale geschliffenen und geglättete EMG) der letzten drei Versuche, den Durchschnitt der drei Werte, und die 15 ± 5 % von jeder Muskel ist durchschnittliche MVIC.
    Vorsicht: Größere a% MVIC kann verwendet werden, aber es möglicherweise nicht durchführbar in klinischer Kohorten (z. B. Menschen nach Schlaganfall).

5. Registrierung im System der Neuronavigation

  1. Den Thema Tracker, entweder ein Stirnband oder eine Brille, mit reflektierenden Markierungen auf dem Kopf auf der gegenüberliegenden Seite der stimulierten Hemisphäre also der Tracker nicht behindert Positionierung der Spule während der Stimulation der einzelnen Raster Spot zu platzieren.
    Achtung: Im Fall, dass eine Stirnband verwendet wird, sicherzustellen Sie, dass es zu dem Thema behaglich, Kopf, noch nicht allzu eng da es nach längerer Zeit Kopfschmerzen verursachen kann.
  2. Überprüfen Sie die korrekte Position der Motion-Capture-Kamera, indem man das Thema Tracker, der Zeiger und die Spule-Tracker in seiner Gefangennahme Volumen. Führen Sie die Thema-Bild-Registrierung indem Sie die Spitze des Zeigers auf die 4 anatomische Landmaks (siehe Abbildung 1A).
  3. Sobald alle anatomische Landmarken abgetastet werden, überprüfen Sie, ob die Registrierung genau aufgetreten ist, indem Sie die Spitze des Zeigers auf mehrere Spots über das Thema Schädel (d. h. Validierung Phase). Wenn der Abstand von der Spitze des Zeigers auf der rekonstruierten Haut weniger als 3 mm ist, fahren Sie mit TMS-Experiment; Ansonsten wiederholen Sie Thema-Bild-Registrierung, bis die gewünschte Fehlerwerte gewonnen werden. Während des Experiments zog wiederholte Registrierung ist der Thema Tracker versehentlich.

6. TMS

  1. Verwenden Sie die gleichen methodischen Parameter, während der Rest und TVA.
    1. Einzelimpuls Reize auf den optimalen Standort (z.B. Hot-Spot, siehe nächsten Abschnitt für weitere Details) des untersuchten Muskels auftragen. Wenden Sie jeder Reiz zufällig alle 5-10 s Reiz Antizipation zu vermeiden und zur Minimierung der Auswirkungen der Verschleppung des vorherigen Pulses auf die nachfolgenden ein40 an
    2. Im Fall legen, dass zwei TMS Einheiten gleichzeitig verwendet werden, Sie die Einheiten entweder standard oder gleichzeitige Modus41. Im Standardmodus gilt einen schwächeren Impuls als eine Einheit, während der gleichzeitigen Modus einen stärkeren Impuls als eine Einheit gilt. Die Verwendung einer könnte auf die Bedürfnisse des Protokolls und die Gesamtzahl der Reize beruhen.
    3. Verwenden Sie eine Doppelkegel-Spule, um einen Posteroanterior intrakranielle Strom zu induzieren. Falls erforderlich, Neuronavigation System verwenden, um die Spule manuell steuern und korrekt seine Position in Bezug auf die gewünschte stimuliert spot vor jedem Reiz.
    4. Über Sitzungen und Themen zufällig die Reihenfolge von den untersuchten Muskel und Hemisphäre. Immer verwalten Sie die TVA-Zustand nach der Rest-Bedingung zu Störungen beim Testen in Ruhe (z. B. Müdigkeit von der absteigenden Bahnen wegen der TVA Tests) zu vermeiden.
  2. Der Hot Spot der beiden Muskeln bilateral zu bestimmen.
    1. Die überschwelligen Intensität, die bei der Hot-Spot-Jagd verwendet wird, durch die Anwendung eines einzigen Reizes über die zentrierte Stelle neben der interhemisphärischen Fissur zu finden (siehe blaue und rote Quadrate in Abbildung 1 b). Verwenden Sie diesen Ort, weil es befindet sich am Ort der Bein Motorinnenraum36,42.
    2. Starten Sie bei niedriger Intensität (z. B. 30 % maximale Stimulator Ausgang; MSO) und erhöhen Sie langsam die TMS-Intensität von 5 %-Schritten, bis der Intensität erreichen, die ein motor evozierten Potentiale (MEP) entlockt mit einer Spitze-Spitze-Amplitude größer als 50 µV in allen kontralateralen untersuchten Muskeln nach 3 aufeinanderfolgenden Impulsen.
    3. Bestimmen unmittelbar nach jedem Impuls, ob ein Abgeordneter hervorgerufen wurden anhand der rohen Wellenformen und Spitze-Spitze-Amplitude (Suchfenster: 20-60 ms Post-TMS Beginn) aller untersuchten Muskeln.
    4. Anwenden einer TMS Impuls an jeder Stelle des Rasters (insgesamt 36 Stimuli). Nach der Fertigstellung des Hot-Spot-Protokolls die Amplitude und Latenz Werte von jedem Fleck für alle kontralateralen Muskeln in einer Tabelle und sortieren Amplitude von hoch zu niedrig und Latenz übertragen von niedrig bis hoch. Der Hot Spot der kontralateralen TA und SOL als Standort im Raster mit der größten Amplitude und die kürzeste Latenz43zu identifizieren.
      Achtung: Wenn die größte Amplitude und kürzeste Latenz nicht an der gleichen Stelle sind, definieren Sie die Hot-Spot mit der größten Amplitude.
  3. Bestimmen Sie bilateral, dass jeder Muskel der motorischen Schwelle (RMT) ruht.
    1. Wählen Sie Raster vor Ort in die Neuronavigation-System, das zu den untersuchten Muskel-Hot-Spot entspricht.
    2. Verwenden Sie eine adaptive Schwelle Jagdmethode für RMT Bestimmung der untersuchten Muskeln44. Legen Sie die Anfangsgröße Intensität und Schritt bei 45 und 6 % MSO, bzw.32. Führen Sie die RMT Jagd zweimal für jeden Muskel und verwenden im Durchschnitt für die anschließende Prüfung der CMR.
  4. Bewerten Sie bilateral TA und SOL CMR Verlauf.
    1. Wählen Sie Raster vor Ort in die Neuronavigation-System, das zu den untersuchten Muskel-Hot-Spot entspricht. Gelten Sie 10 Einzelimpulse TMS bei 1,2 RMT der untersuchten Muskeln.
    2. Weisen Sie vor jeder Reiz an, das Thema noch bleiben und entspannen die untersuchten Muskeln bilateral und überwachen die Aktivitäten aller Muskeln mit einer Real-Time visuelles Feedback anzeigen auf einem Computerbildschirm. Für den Fall, dass jeder Muskel vor oder nach dem TMS aktiv ist, diese Prüfung zu verwerfen und eine zusätzliche Einzelimpuls gelten. Wiederholen Sie bis 10 Wellenformen für jeden kontralateralen untersuchten Muskel im Ruhezustand gesammelt worden sind.
  5. Beurteilen Sie die TA und SOL CMR bei TVA bilateral.
    1. Wählen Sie Raster vor Ort in die Neuronavigation-System, das zu den untersuchten Muskel-Hot-Spot entspricht.
    2. Fragen, Themen zu den untersuchten Muskel auf 15 ± 5 % Vertrag MVIC und gelten 10 Einzelimpulse TMS bei 1,2 RMT. Anweisen, Themen die geglättete gleitenden Linie zu halten (Root-Mean-Square-Amplitude von 0,165 s) des untersuchten Muskels, TA oder SOL, innerhalb der zwei horizontale Cursor (MVIC Bereich: 15 ± 5 %) und diese Kontraktion auf dieser Ebene einige Sekunden lang aufrechtzuerhalten.
    3. Wenn TA den untersuchten Muskel ist, Fragen Sie, Themen, etwas gegen die Stiefelriemen am kontralateralen Bein (d.h. das Bein mit den untersuchten Muskel kontralateralen Hemisphäre angeregt) zu ziehen. Wenn SOL den untersuchten Muskel ist, Fragen Sie, Themen, etwas gegen das Boot auf das kontralaterale Bein nach unten drücken.
    4. Überwachen Sie die Muskelaktivität des aktiven untersuchten Muskels und die verbleibenden ruhende Muskeln mit einer Real-Time visuelles Feedback auf einem Computerbildschirm angezeigt. Verwerfen Sie dieser Reiz zu und wenden Sie eine zusätzliche Einzelimpuls erneut an, für den Fall, dass die untersuchten Muskelaktivität ist entweder unterhalb oder oberhalb des festgelegten Bereichs oder jeder andere Muskel aktiviert ist. Sammle 10 Prüfungen während der untersuchte Muskel an die vorgegebenen Bereichs aktiviert ist.

7. die Datenanalyse

  1. Für alle CMR Maßnahmen außer RMT, berechnen Sie den Wert für jede Messgröße aus jeder MEP-Sweep (die Gesamtdauer sollte mindestens 500 ms mit mindestens 100 ms-Pre-Impuls-Dauer) für alle Muskeln und dann diese 10 Durchschnittswerte um einen einzigen Wert erhalten (d.h. bedeuten)32. Amplitude und kortikalen Ruhephase (CSP) sind Proxy-Erregbarkeit Maßnahmen der CMR, während Latenz eine Messgröße für die Konnektivität der CMR ist. Normalisieren Sie für Erholung und TVA, Latenz im Vergleich zu jedem Thema Höhe wie Latenz durch Abstand zu den untersuchten Muskel45beeinflusst wird.
  2. MEP-Amplitude und Latenz zu berechnen, während der Rest.
    1. Berechnen Sie Amplitude (µV) aus der rohen EMG als der größte Unterschied zwischen positiven und negativen Peaks (d. h. Spitze-Spitze) des MEP. Diese zwei bestimmten Muskeln suchen Sie Peak to Peak innerhalb eines Zeitfensters von 20-60 ms nach TMS einsetzen.
      Achtung: Obwohl die MEP-Suchfenster von 20-60 ms kann für neurologisch intakten Themen arbeiten und Menschen nach Schlaganfall, breiter MEP Suchfenster (z. B. 20-75 ms) möglicherweise erforderlich, für andere neurologischen Populationen (z. B. Multiple Sklerose).
    2. Latenz (ms) aus der gleichgerichteten EMG zu berechnen, als die Zeit zwischen Beginn der TMS und MEP Beginn (d. h. die Zeit, wann eine gleichgerichtete EMG Spur zuerst, kreuzt einen vorgegebenen Grenzwert - meine plus drei Standardabweichungen von 100 ms Pre Reiz EMG)32 , 46.
  3. MEP-Amplitude, Latenz und CSP während der TVA zu berechnen.
    1. Berechnen Sie Amplitude (µV) aus der rohen EMG als der größte Unterschied zwischen positiven und negativen Peaks (d. h. Spitze-Spitze) des MEP. Diese zwei bestimmten Muskeln suchen Sie Peak to Peak innerhalb eines Zeitfensters von 20-60 ms nach TMS einsetzen.
    2. Berechnen Sie Latenz (ms) aus der gleichgerichteten EMG, als die Zeit zwischen Beginn der TMS und MEP auftreten.
      1. Berechnen Sie die MEP-Ausbruch anders im TVA als im Rest. MEP-Beginn und Offset berechnen zu finden, die zwei Mal Punkten, dass die gleichgerichtete EMG-Ablaufverfolgung die vorgegebenen Schwellenwert auf das Niveau von 100 ms Pre Reiz kreuzt meinen EMG. Dann finden die Gipfel, die zumindest größer als der Mittelwert der Pre-Reiz-EMG plus drei Standardabweichungen und zwischen diesen beiden Zeitpunkten. Suchen Sie dann vom ersten Gipfel auf 50 Datenpunkte (Sampling-Rate von 5000 Hz) vor diesem Höhepunkt für die Zeit, dass die gleichgerichtete EMG-Ablaufverfolgung zuerst die Schwelle der mittlere Pre Reiz EMG überschreitet. Definieren Sie damals als die MEP Beginn32.
    3. CSP (ms) aus der gleichgerichteten EMG zu berechnen, als die Zeit zwischen den MEP Versatz und die EMG-Wiederaufnahme (d. h. absolute CSP: Ausschluss von MEP Dauer)47. Vom letzten Gipfel auf 200 Datenpunkte (Sampling-Rate von 5000 Hz) nach diesem Höhepunkt für die Zeit, dass die gleichgerichtete EMG-Ablaufverfolgung zuletzt die mittlere Pre Reiz EMG Schwellenwertes suchen; definieren Sie damals als der MEP-Offset. Dann berechnen Sie die Wiederaufnahme der Grundlinie EMG, das ist die Zeit, dass die gleichgerichtete EMG-Ablaufverfolgung letzten 25 % der mittleren Pre Reiz EMG32kreuzt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Abbildungen 2-4 präsentieren Daten von einem repräsentativen neurologisch intakten 31 Jahre alten Mann mit Größe und Gewicht von 178 cm und 83 kg, jeweils.

Abbildung 2 zeigt die bilateralen Hot Spots und RMT jeden Muskel Knöchel. Vor Ort befinden sich auf der Mitte des Bereichs Bein in jeder Hemisphäre (siehe Kästchen in Abb. 1 b), die Intensität von 45 % MSO bilateral für die Jagd auf Hot-Spot verwendet wurde. Der Hotspot-Standort für jeden Muskel unterschieden sich zwischen den Hemisphären, aber erwartungsgemäß befanden sich alle vier Hot-Spots in das Bein motorischen kortikale Areale. Dieser Befund zeigt, dass TA und SOL der selben Hotspot nicht teilen kann; Daher sollten CMR von jeder Muskel mit jeder Muskel-Hot-Spot im Gegensatz zur Verwendung der gleichen Hot-Spot für beide Muskeln geprüft werden. Bilateralen RMT wurde für jeden Muskel bestimmt mit einer adaptiven Schwelle-Jagd-Methode. Die Anzahl der Impulse für RMT Bestimmung reichte von 6 bis 22 Reize angewendet. Der Unterschied zwischen den beiden RMT Werten jedes Muskels reichte von 1 % bis 3 % MSO. Kombination dieser Ergebnisse legt nahe, dass mit einer adaptiven Schwelle-Jagd-Methode eine effiziente Herangehensweise der RMT ein Knöchel Muskel mit geringer Variabilität bestimmt werden kann. Darüber hinaus wurden alle RMTs niedriger als die Intensität für Hotspot Jagd (gestrichelte Linie in Abbildung 2). Dieser Befund zeigt, dass der Spot auf das Bein motorischen Areal befinden sich (siehe Kästchen in Abb. 1 b) um zu bestimmen, eine "echte" überschwelliger Intensität möglich.

Abbildung 3 stellt die bilateralen Antworten TA und SOL der Hot Spot der jeden Muskel während der Rest stimuliert wurde. Für alle bilateralen stimuliert Hot Spots waren kontralaterale Abgeordneten in TA und SOL entlockte. Allerdings waren die Antworten und Latenzen immer größer und kürzer in TA als Sol, beziehungsweise, unabhängig davon welche Muskel Hotspot stimuliert wurde. Ipsilateral Antworten waren vor allem in TA und wenn der stimulierten Hot Spot proximal zu interhemisphärischen Riss war (siehe Abbildung: 2A – TA-Hot-Spot, 2 b – beide Muskeln Hot-Spot). Umgekehrt, ipsilateral Antworten fehlten in beiden Muskeln als die stimulierte Seite weiter lateral von der interhemisphärischen Fissur war (> 10 mm) (siehe Abb. 2A – SOL-Hot-Spot).

Abbildung 4 stellt die bilateralen Antworten TA und SOL, wenn der Hot Spot der jeden Muskel während der TVA stimuliert wurde. Wie Rest, kontralaterale Abgeordneten waren löste in TA und SOL für alle bilateralen stimuliert Sites während einer 15 ± 5 % MVIC. Nur der untersuchte Muskel aktiviert wurde; Daher wurden die restlichen drei Muskeln im Ruhezustand. CSP wurde nur in den untersuchten aktivierten Muskel, TA und SOL. Wie in den übrigen entlockte TMS über richtige TA und linken SOL Hotspots auch ipsilateral Antworten; Diese Antworten waren nur in der ipsilateralen TA (siehe Abbildung 4A,D). Im Gegensatz dazu löste TMS über die richtige SOL und linken TA-Hot-Spots nur kontralateralen Abgeordnete. Interessanterweise, verspätete Antworten im kontralateralen SOL war nur vorhanden, wenn TA aktiviert wurde; Diese Antworten waren anwesend bilateral, kam es zwischen 80-100 ms Post-TMS und hatten größere Amplitude als die Abgeordneten des Europäischen Parlaments (siehe † in Abbildung 4A, C ). Diese verspätete Antworten mit Reichweite 70-100 ms Post-TMS zuvor gemeldet wurden, weit verbreitet in SOL nur mit TA TVA (0-40 % MVIC)48,49.

Ausruhen und TVA Bedingungen ähnelten, ipsilateral Antworten ausgelöst wurden, wenn Sie bestimmte Hotspots angeregt wurden. Das Vorhandensein von ipsilateral Antworten könnte möglicherweise das Ergebnis der Stimulation eine Oligosynaptic Weg (z. B. Cortico-Reticulo-spinalen Trakt) oder die Ausbreitung des Impulses der aktuellen. Ein Ansatz zur Unterscheidung zwischen den zwei möglichen Ursachen ist die Berechnung der Differenz in Latenz zwischen den kontralateralen und ipsilateralen Antworten. TMS Vorgängerstudien haben spekuliert, dass eine ipsilateral Antwort von > 3 ms Verzögerung im Vergleich zu der kontralateralen Antwort Abgeordneter ipsilateral (iMEP ist), und des möglichen Weges könnte den Cortico-Reticulo-spinalen Trakt (d.h., Oligosynaptic Weg )50,51,52,53,54. Umgekehrt könnte keine ipsilateral Antwort mit einer kürzeren Verzögerung aus der Impulsstrom ergeben; Daher kann solch eine Reaktion kein iMEP sein. Während der Rest hatte ipsilateral Antworten ähnliche Latenzen als kontralateralen Antworten (siehe Abbildung 3A, C und D). So, diese Reaktionen waren höchstwahrscheinlich nicht iMEPs, sondern waren wahrscheinlich ausgelöst durch die Verbreitung des Pulses ist Strom neben der interhemisphärischen Fissur angewendet. Wenn die richtigen TA und der linken SOL während TVA aktiviert wurden, ipsilateral Antworten waren nur in der TA hervorgerufen und wurden von > 3 ms im Vergleich zur kontralateralen Reaktion verzögert (siehe Abbildung 4A, D). Diese Antworten möglicherweise iMEPs, die Stimulierung des Cortico-Reticulo-spinalen Trakt hinweisen können. Zusammenfassend lässt sich sagen sind ipsilateral Antworten häufig, wenn das Bein motorischen Areal stimuliert55ist; Daher sollte Vorsicht genommen werden, wenn diese Antworten als iMEPs interpretiert werden.

Figure 1
Abbildung 1: Haut und krummlinigen Gehirn Modelle rekonstruiert. (A) ein Hautmodell mit vier anatomischen Landmarken (Spitze der Nase, Nasion und Supratragic Kerbe des rechten und linken Ohres) wird verwendet, um das Thema-Bild-Registrierung bei der Bewertung zu berechnen, indem man die Spitze eines Zeigers auf jedem Ortungspunkt. (B) ein rechteckiges Raster von 4 x 9 platziert bilateral über das Bein motor kortikalen Bereich. Quadrate bezeichnen die stellen, die zur Ermittlung die überschwelligen Intensität verwendet für die Jagd auf Hot-Spot. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: bilaterale TA und SOL-Hot-Spots und RMT. In beiden Hemisphären bezeichnet das Sterne-Symbol der Hot Spot der jeden Muskel. Bar Grundstücke vorhanden die mittlere RMT zwei Bewertungen (offener weißer Kreis) für jeden Muskel, während die Werte unterhalb jedes Kreises die Anzahl der Impulse bezeichnen auf die RMT mit einer adaptiven Schwelle-Jagd-Methode bestimmen angewendet. Die gestrichelte Linie zeigt die Intensität für die Hot-Spot-Jagd (45 % MSO). (A) Hot Spots und RMTs rechts/kontralateralen TA und SOL während TMS über der linken Gehirnhälfte angewendet wurde. TA war Hot Spot über motor Beinbereich und proximal zu der interhemisphärischen Fissur während SOL Hotspot war 10 mm seitlich zu TA-Hot-Spot. Die Anzahl der Impulse, die zur Bestimmung der TA und SOL RMT reichte bzw. 6-21 und 9 / 11. (B) Hot Spots und RMTs links/kontralateralen TA und SOL während TMS über der rechten Hemisphäre angewendet wurde. Wie in der linken Hemisphäre war TA-Hot-Spot über motor Beinbereich und proximal zu der interhemisphärischen Fissur. SOL-Hot-Spot war 7,1 mm Posterior-lateralen zu TA-Hot-Spot. Die Anzahl der Impulse, die zur Bestimmung der TA und SOL RMT wurden in den Bereichen 10-22 und 10-11, beziehungsweise. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: bilaterale TA und SOL CMR Assessment - Rest. Für die Stimulation der jeden Hotspot der EMG der bilateralen ruhenden TA und SOL wurden gesammelt, während die durchschnittliche Wellenform jedes Muskels vorliegt (Gesamtdauer 500 ms, 100 ms Pre-TMS). √ und X Symbole bezeichnen, dass Abgeordnete entweder war vorhanden (> 50 µV) oder fehlen (≤ 50 µV), beziehungsweise. Bei Abgeordneten werden die Werte der Spitze-Spitze-Amplitude (µV) und Latenz (ms) vorgestellt. (A) Förderung des Rechts/kontralateralen TA-Hot-Spot am linken Hemisphäre. Mitglieder des Europäischen Parlaments wurden in beiden Recht/kontralateralen Knöchel Muskeln mit richtigen TA mit größerer Amplitude und kürzere Wartezeiten als richtige SOL ausgelöst. Da der stimulierten Hot Spot befindet sich von der interhemisphärischen Fissur und proximal zum Bein motor Bereich auf der linken Hemisphäre ist, war MEP auf der linken/ipsilateral Knöchel Muskeln auch berührungsempfindliche (nur TA). (B) Stimulation von der rechten Seite/kontralateralen SOL Hotspot auf der linken Hemisphäre. Die Abgeordneten waren nur auf der rechten/kontralaterale Knöchelmuskulatur entlockte; jedoch hatte TA größer MEP Amplitude und kürzere Wartezeiten als Sol (C) Stimulation der Links/kontralateralen Terminaladapter Hot spot am rechten Hemisphäre. Abgeordneten waren in beiden Links/kontralateralen und Recht/ipsilateral Knöchel Muskeln mit beiden TA mit größeren MEP entlockte Amplituden und kürzere Wartezeiten als beide SOL. Diese bilateralen MEP-Erhebung ist vor allem wegen der Lage der stimulierten Hot-Spot und überschwelliger Intensität. (D) Stimulation von der linken Seite/kontralateralen SOL Hotspot auf der rechten Hemisphäre. Die Abgeordneten wurden in Links/kontralateralen Knöchel Muskeln und Recht/ipsilateral TA ausgelöst. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: bilaterale TA und SOL CMR Bewertung - TVA. Für die Stimulation der jeden Hotspot der EMG der bilateralen TA und SOL wurden gesammelt, während bei 15 ± 5 % der untersuchte kontralaterale Muskel aktiviert wurde MVIC. Die durchschnittliche Wellenform des jeder Muskel wird vorgestellt (Gesamtdauer 500 ms, 100 ms Pre-TMS). √ und X Symbole bezeichnen, dass Abgeordnete entweder war vorhanden (> 50 µV) oder fehlen (≤50 µV), beziehungsweise. Bei Abgeordneten werden die Werte der Spitze-Spitze-Amplitude (µV), Latenz (ms) und CSP (ms) vorgestellt. (A) Förderung des Rechts/kontralateralen TA-Hot-Spot am linken Hemisphäre. CSP folgte Recht TA MEP. MEP im kontralateralen/rechts SOL hervorgerufen wurde in dem auch eine späte Antwort (†) ausgelöst wurde (Amplitude: 563 µV; Latenz: 82,8 ms). MEP war auch in Links/ipsilateral TA, löste dessen Latenz von 5,2 ms im Vergleich zu den Recht/kontralateralen Terminaladapter Latenz verzögert wird. (B) Stimulation von der rechten Seite/kontralateralen SOL Hotspot auf der linken Hemisphäre. Recht/kontralateralen SOL MEP folgte CSP und MEP war auch im kontralateralen/rechts TA entlockte. Keine Links/ipsilateral Abgeordneten wurden ausgelöst. (C) Stimulation des Links/kontralateralen TA-Hot-Spots auf der rechten Hemisphäre. Links TA MEP folgte CSP. MEP in Links/kontralateralen SOL hervorgerufen wurde in dem auch eine späte Antwort (†) ausgelöst wurde (Amplitude: 465 µV; Latenz: 96,3 ms). Keine Abgeordneten waren in Recht/ipsilateral Muskeln ausgelöst. (D) Stimulation von der linken Seite/kontralateralen SOL Hotspot auf der rechten Hemisphäre. Links SOL MEP folgte CSP. Mitglieder des Europäischen Parlaments wurden in Links/kontralateralen SOL und Recht/ipsilateral TA, dessen Latenz um 4,7 ms im Vergleich zu den Links/kontralateralen Terminaladapter Latenz verzögert ausgelöst. Kein Mitglied des Europäischen Parlaments war in Recht/ipsilateral Sol entlockte Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Angesichts der aufkommenden Interesse an wie der motorische Kortex zur Motorsteuerung der Beinmuskulatur bei dynamischen Aufgaben in verschiedenen Kohorten beiträgt, wird eine standardisierte TMS-Protokoll, die beschreibt die gründliche Bewertung dieser Muskeln benötigt. Also, zum ersten Mal dieses Protokolls bietet standardisierte methodische Verfahren auf bilateralen Bewertung der beiden Knöchel antagonistischen Muskeln, SOL und TA, während zwei Muskel Staaten (Rest und TVA) mit einem Einzelimpuls TMS mit Neuronavigation.

Die Ergebnisse beschrieben in die repräsentative Ergebnisse Abschnitt weist darauf hin mehrere wichtige Schritte, die berücksichtigt werden sollten. Erstens sollten CMR Bewertung dieser Muskeln sowie andere Beinmuskeln mit einem Neuronavigation System, in dem jedes Fach MRI sollte verwendet werden, und jeder Muskel-Hot-Spot festgelegt werden, durchgeführt werden. Neuronavigation kann präzise TMS Stimulation über dem Zielgebiet motor führen, und wenn das Thema MRT verwendet wird, kann der motor Zielbereich sein stimuliert genau56,57. Bisherige Arbeit untersuchte die Auswirkungen des mit Neuronavigation während einer TMS-Beurteilung der oberen Extremität Muskeln58,59,60; Erkenntnisse aus diesen Studien waren gemischt. Jedoch untersucht keine Studie diesen Effekt für einen unteren Extremität Muskel. Angesichts der Lage der kortikalen motorischen Areale von TA und SOL (d. h.neben der interhemisphärischen Fissur bei ca. 3-4 cm unter der Oberfläche der Kopfhaut)36,42,61, Jagd nach dem "wahren" heißen Ort der jeden Muskel mit einem Raster platziert auf jedes Fach Anatomie erhöht die Wahrscheinlichkeit von durchaus realistisch entlocken Abgeordnete in entweder Muskeln, vor allem in Sol verwenden das gleiche Protokoll hier vorgestellt, wir haben vor kurzem gezeigt, dass Mitglieder des Europäischen Parlaments erfolgreich in beiden TA hervorgerufen wurden und SOL in fast allen Fächern (N = 21)32. Der zweite wichtige Schritt ist die bilateralen Bewertung von jeder Muskel. Im Gegensatz zum oberen Extremität motorischen Areale die zwei Bein motorischen Areale sind neben einander, und wenn ein Impuls angewendet wird möglicherweise über einen Bereich der gegenüberliegenden Bereich aufgrund aktueller Verbreitung stimuliert werden. Daher kann keine ipsilateral Antwort in jedem Muskel entweder das Vorhandensein von einem iMEP (eine mögliche Proxy des Cortico-Reticulo-Rückenmark-Signalwegs)50 oder nur eine direkte Stimulierung der gegenüberliegenden Bein Motorinnenraum hindeuten. In der Vergangenheit ipsilateral TA Antworten wurden gemeldet, doch angeregt Ortsbild stützte sich auf anatomische Wahrzeichen (10-15 mm Posterior und Lateral zum Scheitelpunkt)62. Unter Verwendung dieses Protokolls, der Hot Spot der jeden Muskel einzeln ermittelt werden, und abhängig von der Hotspot-Standort können kontralaterale oder bilateralen Reaktionen ausgelöst (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4). Ob die bilaterale Reaktion mehrere absteigende führt Bedarf Bahnen oder nur Stimulation eines einzelnen Pfades weiterer Untersuchungen.

Dieses Protokoll kann je nach das Forschungsdesign geändert werden. Während Einzelimpuls TMS in diesem Protokoll verwendet wird, gepaart Puls (Testpuls vorangestellt ist Konditionierung Puls)63,64 kann auch verwendet werden, die intracortical Netze dieser beiden Knöchel Muskeln zu beurteilen. Ebenso können nach dem Hot-Spot und RMT Bestimmung der jeden Muskel, bilaterale Eingabe-Ausgabe-Kurven von jeder Muskel zur Beurteilung der Beziehung zwischen TMS Intensität (Input) und die MEP-Amplitude (Ausgang) erworben werden. Zur Beurteilung des CMR jeden Muskel 10 Reize auf jeden Hotspot während Ruhe und TVA angewendet werden, doch die jüngsten Berichte haben vorgeschlagen, dass mehr als 10 Reize verwendet werden soll, die CMR ein Muskel65,66zuverlässig einzuschätzen. Ebenso kann mehrere Impulse pro Spot während der Hot-Spot-Jagd (z. B. 2-5 Reize/Spot) im Vergleich zu einen einzigen Impuls pro Spot in diesem Protokoll verwendeten angewendet werden. Durch die Anwendung von mehr als einem Impuls pro Spot, könnte der Hot Spot der jeden Muskel mehr zuverlässig ermittelt werden. Aktuelle Studie vorgeschlagen, dass so wenig wie zwei Reize pro Spot für Hot-Spot Entschlossenheit67ausreichend sein könnte. Darüber hinaus im Vergleich zu den am häufigsten verwendeten Schwellenwert Jagdmethode, die relative Häufigkeit Methode68, basiert auf der Rossini-Rothwell Kriterium69,70, die adaptive Schwelle-Jagd-Methode wird verwendet der dieses Protokolls. Obwohl die adaptive Schwelle-Jagd-Methode effizienter (d. h. , die weniger Reize erforderlich sind ist, um festzustellen, RMT) als Methode der relativen Häufigkeit, teilen beide Methoden vergleichbare Präzision71. Es ist wichtig zu bedenken, dass alle genannten Änderungen erhöht sich die Gesamtzahl der Reize angewendet. Zu guter Letzt herangezogen das aktuelle Protokoll das Kriterium von weniger als 50 µV-Spitze-Spitze-Amplitude zur Grundlinie Lärm und für die "wahre" Ruhezustand Beurteilung. Eine EMG-Signals größer als 10 µV (Root-Mean-Square berechnet mehr als 100 ms) ist eine alternative Methode.

Dieses Protokoll hat einige methodische Überlegungen. Erstens ist die Bewertung dieser beiden Muskeln in einer sitzenden Position, während der Rest oder TVA. Wie bereits erwähnt, TA und SOL während aufrechter Körperhaltung Aufgaben und zu Fuß von entscheidender Bedeutung sind. Obwohl frühere Studien während aufrechter Körperhaltung Aufgaben14,72,73,74,75,76 und zu Fuß20, TA und SOL CMR untersucht haben 22 , 77 , 78 , 79, die Bewertung war nur einseitige und TMS wurde nicht von Neuronavigation geleitet. Daher, auch wenn dieses Protokoll nicht während dieser Aufgaben verwendet wird, kann es noch eine nicht-invasive Fenster über der kortikalen Antrieb dieser beiden Knöchel Muskeln geben. Zweitens war die aktive motorische Schwelle (AMT) nicht ermittelt werden, da gibt es keine gut etablierte Methodik für diese Maßnahme. Angesichts der Tatsache, dass AMT ist korreliert mit und niedriger als RMT ist (~ 82 %)80, MEP können während der TVA ausgelöst, auch wenn eine überschwelliger Intensität der RMT. Drittens kann Einsatz der strukturellen MRT von jedem Fach mit dem Neuronavigation System nicht in allen Einstellungen aufgrund der hohen Kosten für die Beschaffung von MRI und Neuronavigation System möglich sein. Jedoch können bestimmte Neuronavigation Systeme einschließlich der in diesem Protokoll verwendeten ohne Subjekts MRI verwendet werden; aber eine durchschnittliche MRT eingesetzt. In diesem Fall kann die Spule über angeregt Ortsbild noch exakt positioniert werden.

Während frühere Arbeiten TA und SOL CMR bei verschiedenen Aufgaben in verschiedenen Kohorten untersucht hat, verwendet keine Studie eine standardisierte Protokoll, die diese beiden Muskeln bilateral mit Neuronavigation mit jedem Thema MRT untersucht. Einsatz von jedem Fach strukturellen MRT kombiniert mit einem Neuronavigation-System fördert die Genauigkeit und Präzision der Stimulation der motor kortikalen Darstellungen der beiden Muskeln. Dies ist von entscheidender Bedeutung für das Bein motorischen kortikale Areale. Angesichts der Tatsache, dass die CMR eines Muskels hängt davon ab, ob der Muskel ist völlig entspannt oder teilweise aktiviert ist, beschreibt dieses Protokoll auch, wie die TA und SOL CMR während Ruhe und TVA bewertet werden kann. Darüber hinaus wird jede Hemisphäre stimuliert, während die bilateralen CMR jeden Muskel gleichzeitig bewertet wird. Darüber hinaus anstatt mit der gleichen Hot-Spot für die Beurteilung eines einzigen Muskels CMR, jeder Muskel-Hot-Spot wird bestimmt mithilfe eines standardisierten Rasters, das über das Bein kortikale Repräsentation gelegt wurde, und ist definiert als der Ort mit der größten Amplitude und kürzeste Latenz43. Obwohl die Methode der relativen Häufigkeit die motorische Schwelle ein Muskel68messen weit verbreitet ist, verwendet dieses Protokoll eine adaptive Schwelle-Jagd-Methode zur Verringerung der experimentellen Dauer und Anzahl der Impulse pro Sitzung44angewendet. Schließlich ist die Dauer der Datenanalyse zu reduzieren und die Berechnung der CMR Maßnahmen zu standardisieren, eine automatisierte Analysemethodik verwendet.

Zukünftige Studien können dieses Protokoll verwenden, um die kortikale Kontrolle von TA und SOL in neurologisch intakten und beeinträchtigt Kohorten weiter aufzuklären. Eine solche Anwendung dieses Protokolls ist die Zuordnung dieser beiden Muskeln. Obwohl einige Studien der kortikalen Motorinnenraum TA81,82,83,84 untersucht, berichtete nur eine Studie der kortikalen Motorinnenraum SOL von einem einzigen Patienten mit fokalen kortikalen Dysplasie85. Ein gemeinsames Merkmal, das alle diese Studien zu teilen ist die Verwendung des gleichen Neuronavigated TMS-System, das System in diesem Protokoll verwendeten unterscheidet. Aber dieses System ist extrem teuer, und es findet sich in der Regel in klinischen Einrichtungen, wie Krankenhäuser. Durch eine Änderung dieses Protokolls, können Zukunftsforschung systematisch untersuchen und normative Daten kortikale Mapping Maßnahmen für TA und SOL bei neurologisch intakten Erwachsenen zu etablieren. Solche Erkenntnisse schaffen, welche motor-Mapping-Maßnahmen verwendet werden soll, speziell der motor Darstellungen von jeder Muskel zu quantifizieren. Eine weitere mögliche Anwendung dieses Protokolls ist die Bewertung dieser beiden Muskeln vor und nach einer Operation oder ein Eingriff (z. B. Verhaltensstörungen: Übung; neurophysiologischen: repetitive TMS transkranielle Gleichstrom Stimulation - TDCS) und während der Erholungsphase in sportlich oder klinischer Kohorten. Dadurch werden Reha-Wissenschaftler um festzustellen, wie eine Operation oder eine Intervention den kortikalen Antrieb dieser beiden Muskeln verändern kann.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren danken Dr. Jesse C. Dean für die Hilfe mit methodischen Entwicklung und Bereitstellung von Feedback auf einen Entwurf des Manuskripts. Diese Arbeit wurde durch eine VA Karriere Entwicklung Award-2 RR & D N0787-W (MGB), eine institutionelle Development Award von der National Institute of General Medical Sciences des NIH unter Grant-Nummer P20-GM109040 (SAK) und P2CHD086844 (SAK) unterstützt. Der Inhalt stellt nicht die Aussicht auf das Department of Veterans Affairs oder Regierung der Vereinigten Staaten dar.

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

Neurowissenschaften Ausgabe 144 transkranielle Magnetstimulation kortikospinalen Traktate m. Tibialis anterior Soleus Tonikum freiwillige Aktivierung Neurophysiologie Corticomotor Reaktion Gehirn neuronavigation
Bilateralen Bewertung der kortikospinalen Bahnen der Knöchel Muskeln mit navigierte transkranielle Magnetstimulation
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