Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Bilaterala bedömning av Corticospinal vägar av fotled muskler använder navigerat transkraniell magnetisk stimulering

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

Protokolls beskriver samtidiga, bilaterala bedömningen av corticomotor svar av tibialis anterior och soleus under vila och tonic frivilliga aktiveringen med hjälp av en enda puls transkraniell magnetisk stimulering och neuronavigation systemet.

Abstract

Distala benmuskler få neurala input från motor kortikala områden via corticospinal tarmkanalen, som är en av de viktigaste motor fallande clearanceväg människor och kan bedömas med transkraniell magnetisk stimulering (TMS). Tanke på rollen för distala benmuskler i upprätt postural och dynamiska uppgifter, såsom promenader, en växande forskningsintresse för bedömning och modulering av de corticospinal trakter i förhållande till funktionen av dessa muskler har vuxit fram under det senaste decenniet. Metodologiska parametrar som används i tidigare arbete har dock varierat i studier att göra tolkningen av resultat från tvärsnittsdata och longitudinella studier mindre robust. Därför kan användning av ett standardiserat TMS specifika för bedömningen av benmusklerna corticomotor respons (CMR) för direkt jämförelse av resultat över studier och kohorter. Syftet med denna uppsats är att presentera ett protokoll som ger dig flexibilitet att samtidigt bedöma den bilaterala CMR av två huvudsakliga fotled antagonistiska muskler, den tibialis anterior och soleus, med enda puls TMS med ett neuronavigation system. Detta protokoll är tillämpligt medan undersökta muskeln är antingen fullt ut avslappats eller isometrically iklätts en definierad andel av maximal isometrisk frivillig kontraktion. Med varje försökspersonens strukturella MRI med neuronavigation systemet säkerställer korrekt och exakt positionering av spolen över benet kortikala framställningarna under bedömning. Inkonsekvensen i CMR härledda åtgärder får beskriver det här protokollet också en standardiserad beräkning av dessa åtgärder med hjälp av automatiska algoritmer. Om detta protokoll inte bedrivs under upprätt postural eller dynamiska uppgifter, kan det användas för att bedöma bilateralt något par av benmusklerna, antingen antagonistiska eller synergistisk, i både neurologiskt intakta och nedsatt ämnen.

Introduction

Tibialis anterior (TA) och soleus (SOL) är fotled antagonistiska muskler belägna i främre och bakre facket av underbenet, respektive. Båda musklerna är uniarticular, medan den huvudsakliga funktionen av TA och SOL är att dorsiflex och plantarflex det talocrural gemensamt, respektive1. Dessutom är TA mer funktionellt för långa muskel utflykter och mindre viktig för produktion av kraft, medan SOL är en antigravity muskel som utformats för att generera hög kraft med liten utflykt av muskel2. Båda musklerna är särskilt relevant under upprätt postural och dynamiska uppgifter (t.ex. promenader)3,4. Angående kontroll av nerver få motorneuron pooler av både muskler neurala drive från hjärnan via motorn fallande vägar5,6, förutom varierande grad av sensorisk bilresa.

Huvudmotorn fallande pathway är den corticospinal tarmkanalen, som påbörjar från det primära, premotor och kompletterande motor och avslutar i spinal motorneuron pool7,8. I människor, kan funktionella tillståndet för denna trakt (corticomotor svar - CMR) lämpligen bedömas med transkraniell magnetisk stimulering (TMS), en icke-invasiv hjärnan stimulering verktyg9,10. Sedan införandet av TMS och med tanke på deras funktionella betydelse under upprätt postural aktivitet och promenader, har CMR av TA och SOL utvärderats i olika kohorter och uppgifter11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

I motsats till bedömningen av CMR i övre-extremitet muskler33, har ingen universell TMS-protokollet fastställts för bedömningen av CMR i nedre-extremitet muskler. På grund av avsaknaden av ett etablerat protokoll och den stora metodologiska variationen över de tidigare studierna (t.ex. typ av spolen, användning av neuronavigation, tonic aktivering, testning sida och muskel, använda och beräkning av CMR åtgärder, etc. ), tolkning av resultat över studier och kohorter kan vara besvärliga, komplicerade och felaktig. Eftersom åtgärderna som är funktionellt relevanta i olika motoriska aktiviteter, gör ett etablerat TMS protokoll som är specifika för nedre extremitet CMR bedömning att motor neuroforskare och rehabilitering forskare för att systematiskt bedöma CMR i dessa muskler över sessioner och olika kohorter.

Syftet med detta protokoll är därför att beskriva bilaterala bedömningen av TA och SOL CMR med enda puls TMS och neuronavigation system. I motsats till tidigare arbete syftar detta protokoll till att maximera noggrannheten i den experimentella procedurer, datainsamling och dataanalys genom att anställa metodologiska faktorer som optimerar giltigheten och varaktigheten av experimentet och standardisera CMR bedömning av dessa två nedre extremiteter muskler. Med tanke på att CMR av en muskel beror på om muskeln är helt avslappnad eller aktiveras delvis, beskriver det här protokollet hur de TA och SOL CMR kan bedömas under vila och tonic frivilliga aktiveringen (TVA). Följande avsnitt kommer att noggrant beskriva detta protokoll. Slutligen, representativa uppgifter presenteras och diskuteras. Protokollet beskrivs här härstammar från som i Charalambous et al. 201832.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alla experimentella rutiner som presenteras i detta protokoll har godkänts av den lokala institutionella Review Board och i enlighet med Helsingforsdeklarationen.

1. medgivande Process och säkerhet enkäter

  1. Innan några experiment, förklara för varje ämne i aim(s) studien, de största experimentella rutiner och eventuella potentiella riskfaktorer associerade med deltog i studien. Efter att besvara några frågor eller funderingar som ämnen kan ha, be försökspersoner att erkänna samtycke processen och underteckna formuläret informerat samtycke.
  2. Administrera MRI34 och TMS35 säkerhet-screening enkäter att garantera försökspersonernas säkerhet och kvalifikationen för både MRT och TMS testning. Utesluta alla ämnen som inte uppfyller alla kriterier för livsmedelssäkerhet från både MRT och TMS bedömningar.

2. MRI och beredning av Neuronavigation systemet

  1. Administrera MRI bedömning före TMS bedömning32. Har ämnen ligga i ryggläge med en kudde placeras under knäna för att säkerställa en bekväm arbetsställning. Instruera patienter att hålla fortfarande i skannern.
    1. Tillhandahålla hörselskydd till försökspersonerna att dämpa det högt ljudet på skannern. Företrädesvis använda öronproppar över hörselkåpor på grund av användning av bilaterala supratragic notch för ämnet-image registrering i systemet neuronavigation (se 5.2).
    2. Få högupplösta t-1 vägt anatomiska hjärnan bilder (minimikrav: 1 mm skiva tjocklek och hela hjärnan och cerebellär täckning), antingen som NFTI eller DICOM-filer. Se till att näsa ingår helt i bilderna på grund av användning av motivets spetsen av näsan för ämnet-image registrering i systemet neuronavigation (se 5.2).
  2. Ladda upp MRI filer till ett neuronavigation system. Co registrera manuellt varje försökspersonens MRI att främre och bakre commissures, så motivets MRI kan mappas med hjälp av Montreal neurologiska Institutet atlas.
    1. Rekonstruera hud och full krökt hjärnan modell genom att justera markeringsramen runt skallen och hjärnan vävnad, respektive. Identifiera fyra anatomiska landmärken (nästippen, nasion - bron i näsan, och supratragic notch om höger och vänster öra) använder huden modell (se figur 1A).
    2. Placera ett rektangulärt stödraster över benet motoriska kortikala område vid varje halvklotet med rekonstruerade krökt hjärnan (se figur 1B). Placera den centrera raden i rutnätet i mitten och över gyrus av benet härrör motoriska kortikala område där de corticospinal trakter som innerverar ben motor pool36. Placera den mediala kolumnen i rutnätet parallellt och i anslutning till den mediala väggen av den ipsilaterala halvklotet.
    3. Använd en cortex-baserade metod där fel i orientering har en försumbar effekt på stimulering plats37 istället för att använda en hårbotten-baserade mål strategi där eventuella fel i orientering kan ändra webbplatsen stimulering. Använd rutnätet för att hitta hot spot. För motorisk kartläggning, använda större nät antingen genom att lägga till fler ställen eller öka avståndet mellan ställen (t.ex. 10 mm).

3. ämne förberedelse och placering

  1. Mäta elektrofysiologiska Svaren av enstaka puls TMS med sammanlagt 4 yta EMG elektroder. För att upprätta och placering av elektroderna, använda publicerade riktlinjer38,39 och komplett placering medan ämnet är i stående ställning.
    1. Förbereda området som skulle varje elektrod placeras av rakning och lätt exfolierande alla döda hudceller och oljor använder spritkompresser.
      FÖRSIKTIGHET: För ämnen på blodförtunnande medel (t.ex. personer efter stroke), var försiktig under huden förberedelse på grund av den potentiella risken för blödning.
    2. Fästa elektroderna bilateralt på TA. Medan i stående ställning, be försökspersoner att lyfta tårna uppåt och sedan placera elektroden på övre tredjedelen av linjen mellan chefen för vadben och mediala fotknölen (dvs muscle mage omedelbart lateralt tibial krönet).
    3. Fästa elektroderna bilateralt på SOL. Medan i stående ställning, be motivet att utföra häl höja och sedan placera elektroden på den nedre tredjedelen av linjen mellan de laterala femorala condyle och laterala fotknölen.
    4. Fäst marken passiva referenselektroden antingen på patella eller laterala fotknölen. Beroende på enheten EMG förvärv, Placera elektroderna marken antingen bilateralt eller ensidigt.
  2. Testa elektroderna placering och kvaliteten på signalen.
    1. Testa elektroderna placering (t.ex. för klart synliga EMG skurar) genom att be motivet för att antingen dorsiflex eller plantarflex fotleden i en upprätt kroppsställning medan du visar den råa EMG signalen av alla muskler testas på en datorskärm. När det gäller en felplacerad elektrod, ta bort och ersätta det tills det finns klart synliga EMG skurar med minimala bakgrundsljud. En tillräcklig signal-brusförhållandet är avgörande för att upptäcka ett motoriskt svar (> 50 µV).
    2. Testa kvaliteten på signalen (t.ex. för baslinjen buller) genom att urladda TMS enheterna för några gånger medan TMS spolen hålls från sittande motivet och med muskler i vila. Kontrollera att signalen baslinjen för varje EMG kanal är nära noll (dvs peak-to-peak amplituden bör vara mindre än 50 µV och det finns ingen originalplan buller, till exempel 50 eller 60 Hz power line hum). Om baslinjen buller finns i en kanal, ta bort motsvarande elektroden och upprepa hud förberedelse procedurerna. Om ljudet är kvar (dvs peak-to-peak amplitud > 50 µV), justera referenselektrodens position och ersätta elektrolyt gelen.
  3. Säkra alla elektroder med lätt skum före wrap tejp. Regelbundet under hela försöket, kontrollera att elektroderna är ordentligt fastsatta och att signalen har god kvalitet.
  4. Placera motivet i en stol. För att säkerställa konsekvent fötter placering över ämnen, säkert båda fötterna i walking stövlar (dvs ankel fotortos) som gör att vristen ROM till anpassas till en specifik position och ge motstånd under TVA testning. Justera både höft och knä vinklar för att undvika ämnet obehag. Instruera föremål att hålla fortfarande hela experimentet. Använda en panna resten kopplad till stolen för att hålla ämnen fortfarande under TMS ansökan, om tillgängligt.

4. TVA testning

  1. Bestämma bilateralt maximal frivillig isometrisk sammandragning (MVIC) varje muskel. För varje rörelse (dvs dorsalflexion och plantarflexion), instruera patienter till maximally kontrakt kontralaterala undersökta muskeln (t.ex. rätt TA) 4 gånger (~ 5 s sammandragningar åtskilda av 60 s vila) medan motivet sitter på hållning beskrivs ovan.
  2. Beräkna maximal muskel aktivitet under varje MVIC (dvs. genomsnittet inom 100 ms centrerad kring de maximala renad och utjämnade EMG) av de tre senaste studierna, genomsnittet av de tre värdena, och 15 ± 5% av varje muskel är genomsnittliga MVIC.
    Varning: En större % MVIC kan användas, men det kanske inte är genomförbart i kliniska kohorter (t.ex. personer efter stroke).

5. registrering i Neuronavigation System

  1. Placera motivet tracker, antingen ett pannband eller glasögon, med reflekterande markörer på motivets huvud på motsatt sida från stimuleras halvklotet så tracker inte hindrar positionering av spolen under stimulering av varje rutnät plats.
    Varning: I det fall att ett pannband används, se till att det är tätt på motivets huvud, ännu inte alltför hårt eftersom det kan orsaka huvudvärk efter en längre tidsperiod.
  2. Kontrollera kamerans motion capture korrekt position genom att placera ämnet tracker, pekaren och spole tracker i dess fånga volymutrymme. Utföra ämne-image registreringen genom att placera spetsen på pekaren på de 4 anatomiska landmaks (se figur 1A).
  3. När alla anatomiska landmärken provtas, kontrollera om registrering inträffat exakt genom att placera spetsen på pekaren på flera ställen över motivets skalle (dvs validering Stadium). Om avståndet från toppen av pekaren till rekonstruerade huden är mindre än 3 mm, vidare till TMS experiment; Annars, upprepa ämne-image registrering tills önskad felvärden erhålls. Under experimentet flyttade upprepa registreringen om ämnet tracker är accidentaly.

6. TMS

  1. Använda samma metodologiska parametrar under vila och TVA.
    1. Gäller enstaka puls stimuli på undersökta muskeln optimal plats (dvs het fläck; se nästa stycke för ytterligare detaljer). Applicera varje stimulans slumpmässigt varje 5-10 s att undvika stimulans förväntan och minimera övervältringseffekter av tidigare pulsen till efterföljande en40.
    2. I fall anges att används samtidigt två TMS enheter, enheterna på den standard eller samtidiga läge41. Standardläge gäller en svagare puls än en enda enhet, medan samtidig läget gäller en starkare puls än en enda enhet. Användning av antingen en kunde baseras på behoven i protokollet och det totala antalet stimuli.
    3. Använd en dubbel cone spole för att inducera en posteroanterior intrakraniell ström. Vid behov, använda systemets neuronavigation för att styra spolen manuellt och rätta positionen i förhållande till önskad stimuleras plats före varje stimulans.
    4. Över sessioner och ämnen, Slumpa ordning på de undersökta muskel och halvklotet. Alltid administrera villkoret TVA efter resten villkora att undvika eventuella störningar med tester i vila (t.ex. trötthet av fallande vägar på grund av TVA testning).
  2. Bestämma bilateralt hot spot av både muskler.
    1. Hitta suprathreshold intensiteten, som kommer att användas under hot spot jakt, genom att tillämpa ett enda stimulus över den centrera platsen bredvid den interhemispheric sprickan (se blå och röda rutor i figur 1B). Använd denna plats eftersom det ligger vid locus av benet motoriska område36,42.
    2. Börja med låg intensitet (t.ex. 30% maximal stimulator utgång; MSO) och gradvis öka TMS intensitet med 5% intervall, tills nå intensiteten som framkallar en motor evoked potential (MEP) med en topp-till-topp amplitud större än 50 µV i alla kontralaterala undersökta musklerna för 3 i rad stimuli.
    3. Bestämma omedelbart efter varje stimulans om en Parlamentsledamot har varit framkallade utifrån både rå vågformer och peak-to-peak amplituder (sökfönstret: 20-60 ms post-TMS debut) av alla undersökta musklerna.
    4. Applicera en TMS puls på varje plats i rutnätet (totalt 36 stimuli). Efter slutförandet av protokollet het fläck, överföra amplitud och latens värden för varje plats för alla kontralaterala muskler i ett kalkylblad och sortera amplitud från hög till låg och latens från låg till hög. Identifiera hot spot till kontralaterala TA och SOL som plats i rutnätet med största amplituden och den kortaste svarstid43.
      FÖRSIKTIGHET: Om de största amplitud och kortaste svarstid inte är på samma plats, definiera hot spot med största amplituden.
  3. Bestämma bilateralt varje muskel vilande motor tröskel (RMT).
    1. Välj rutnätet plats i systemet neuronavigation som motsvarar den undersökta muscle s het fläck.
    2. Använd en adaptiv tröskel-jakt metod för RMT bestämning av de undersökta muskler44. Ange ursprunglig intensitet och steg storlek 45 och 6% MSO, respektive32. Köra RMT jakt två gånger för varje muskel och använda genomsnittet för efterföljande CMR bedömning.
  4. Bedöma bilateralt TA och SOL CMR under vilan.
    1. Välj rutnätet plats i systemet neuronavigation som motsvarar den undersökta muscle s het fläck. Applicera 10 enda TMS pulser på 1,2 RMT av undersökta muskeln.
    2. Före varje stimulans, instruera ämnet att vara stilla och slappna av undersökta musklerna bilateralt och övervaka aktiviteten hos alla muskler med hjälp av en verklig tid visuell feedback visas på en datorskärm. Alla muskler är aktiva före eller efter TMS, ignorera denna pröfning och tillämpa en ytterligare enstaka puls. Upprepa tills 10 vågformer för varje kontralaterala undersökta muskel i Vila har samlats.
  5. Bedöma bilateralt TA och SOL CMR under TVA.
    1. Välj rutnätet plats i systemet neuronavigation som motsvarar den undersökta muscle s het fläck.
    2. Be försökspersoner att avtala undersökta muskeln vid 15 ± 5% MVIC och tillämpa 10 enda TMS pulser på 1,2 RMT. Instruera patienter att hålla den utjämnade flytta linjen (kvadratiska medelvärdet amplituden på 0.165 s) av den undersökta muskeln, antingen TA eller SOL, inom två horisontella markörknapparna (MVIC utbud: 15 ± 5%) och upprätthålla denna sammandragning på den nivån för några sekunder.
    3. När TA är undersökta muskeln, be försökspersoner att dra lite mot bootstraps deras kontralaterala benet (dvs. benet med undersökta muskeln kontralaterala stimuleras halvklotet). När SOL är undersökta muskeln, be försökspersoner att driva något mot boot på kontralaterala benet.
    4. Övervaka aktiviteten muskel av aktiva undersökta muskeln och de återstående vilande muskler med hjälp av en visuell feedback i realtid visas på en datorskärm. Kassera den stimulansen och tillämpa en ytterligare enstaka puls igen ifall den undersökta muskelaktivitet är antingen nedanför eller ovanför det förutbestämda intervallet eller alla andra muskler aktiveras. Samla 10 försök medan undersökta muskeln aktiveras på det förutbestämda intervallet.

7. dataanalys

  1. Beräkna värdet av varje åtgärd från varje Parlamentsledamot sopa (totala längd bör vara minst 500 ms med minst 100 ms före stimulans varaktighet) för alla muskler för alla CMR åtgärder utom RMT, och sedan dessa 10 medelvärden för att få ett enda värde (dvs. menar)32. Amplitud- och kortikal tyst period (CSP) är proxy retbarhet åtgärder av CMR, latens är en proxy-anslutning åtgärd av CMR. För både vila och TVA, normalisera fördröjning i förhållande till varje motivets höjd, eftersom latens är påverkas av avstånd till de undersökta muskel45.
  2. Beräkna MEP amplitud och latens under vilan.
    1. Beräkna amplitud (µV) från den råa EMG som den största skillnaden mellan positiva och negativa toppar (dvs topp-till-topp) Ledamoten. Dessa två särskilda muskler, söka efter peak-to-peak inom ett tidsintervall på 20-60 ms efter TMS debut.
      FÖRSIKTIGHET: Dock MEP sökfönstret på 20-60 ms kan fungera för neurologiskt intakta ämnen och personer efter stroke, bredare MEP Sök windows (t.ex. 20-75 ms) kan krävas för andra neurologiska populationer (t.ex. multipel skleros).
    2. Beräkna latens (ms) från den renad EMG som tiden mellan TMS debut och MEP debut (dvs den tid när en renad EMG spåra först korsar en förutbestämd tröskel - medelvärde plus tre standardavvikelser av de 100 ms före stimulans EMG)32 , 46.
  3. Beräkna MEP amplitud, latens och CSP under TVA.
    1. Beräkna amplitud (µV) från den råa EMG som den största skillnaden mellan positiva och negativa toppar (dvs topp-till-topp) Ledamoten. Dessa två särskilda muskler, söka efter peak-to-peak inom ett tidsintervall på 20-60 ms efter TMS debut.
    2. Beräkna latens (ms) från den renad EMG som tiden mellan TMS debut och MEP debut.
      1. Beräkna MEP uppkomsten annorlunda i TVA än i resten. Beräkna MEP debut och offset genom att hitta två tid punkter att renad EMG tracen passerar förutbestämda tröskeln till nivån av 100 ms före stimulans menar EMG. Hitta sedan de toppar som är åtminstone större än medelvärdet av den före stimulans EMG plus tre standardavvikelser och mellan dessa två tidpunkter. Sök sedan, från den första toppen till 50 datapunkter (samplingsfrekvens 5000 Hz) innan det maximalt gången att renad EMG tracen först korsar tröskeln till den genomsnittliga före stimulans EMG. Definiera den tiden som den MEP debut32.
    3. Beräkna CSP (ms) från den renad EMG som tiden mellan MEP offset och EMG återupptagande (dvs absoluta CSP: uteslutning av MEP varaktighet)47. Söka från de senaste topp till 200 datapunkter (samplingsfrekvens 5000 Hz) efter det maximalt gången att renad EMG tracen senast passerat tröskeln till den genomsnittliga före stimulans EMG; definiera den tiden som Parlamentsledamot offset. Sedan beräkna återupptagandet av baslinjen EMG, vilket är den tid som att renad EMG tracen senast korsar 25% av den genomsnittliga före stimulans EMG32.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figurerna 2-4 presentera data från en representativ neurologiskt intakta 31-årig man med längd och vikt 178 cm och 83 kg, respektive.

Figur 2 presenterar bilaterala oroshärdar och RMT varje fotled muskler. Använda plats ligger på mitten av området benet i varje halvklotet (se rutorna i figur 1B), intensiteten i 45% MSO användes bilateralt för het fläck jakt. Het fläck platsen för varje muskel skilde sig mellan hjärnhalvorna, men som förväntade alla fyra oroshärdar var belägna i benet motor kortikala områden. Detta fynd indikerar att TA och SOL inte kan dela samma hot spot; Därför bör CMR varje muskel utvärderas utifrån varje muskel het fläck i motsats till använder samma hot spot för både muskler. Bilaterala RMT fastställdes för varje muskel, med en adaptiv tröskel-jakt metod. Antal stimuli som tillämpas för RMT bestämning varierade från 6 till 22 stimuli. Skillnaden mellan de två RMT-värdena för varje muskel varierade från 1% till 3% MSO. Att kombinera dessa resultat antyder att en adaptiv tröskel-jakt-metoden kan vara en effektiv metod för att bestämma RMT en fotled muskler med låg variabilitet. Dessutom var alla RMTs lägre än intensitet används för het fläck jakt (streckad linje i diagram 2). Detta fynd indikerar att använda platsen ligger vid benet motor (se rutorna i figur 1B) för att fastställa en ”sann” suprathreshold intensitet är genomförbart.

Figur 3 presenterar de bilaterala Svaren TA och SOL när hot spot för varje muskel stimulerades under vilan. För alla bilaterala stimuleras oroshärdar, var kontralaterala ledamöter framkallade i både TA och SOL. De svaren och latenser var dock alltid större och kortare i TA än i SOL, respektive, oavsett vilken muscle s hot spot stimulerades. Ipsilaterala Svaren var närvarande framförallt TA och när den stimulera hot spot var proximalt interhemispheric spricka (se figur: 2A – TA het fläck, 2B – både muskler het fläck). Omvänt, ipsilaterala Svaren var frånvarande i både muskler när den stimulera sidan var ytterligare laterala från interhemispheric spricka (> 10 mm) (se figur 2A – SOL hotspot).

Figur 4 presenterar bilaterala Svaren TA och SOL när hot spot för varje muskel stimulerades under TVA. Som resten, var kontralaterala ledamöter framkallas hos både TA och SOL för alla bilaterala stimuleras platser under en 15 ± 5% MVIC. Endast den undersökta muskeln aktiverades. Därför var de återstående tre musklerna i vila. CSP fanns endast i de undersökta aktiverad muskeln, både TA och SOL. Som resten framkallade TMS över rätt TA och vänster SOL hotspots också ipsilaterala Svaren; Svaren fanns endast i ipsilaterala TA (se figur 4A,D). Omvänt, TMS över rätt SOL och vänster TA oroshärdar framkallade endast kontralaterala ledamöter. Intressant, sena svaren i kontralaterala SOL var närvarande endast när TA aktiverades. dessa reaktioner var närvarande bilateralt, inträffade mellan 80-100 ms post-TMS och hade större amplituder än ledamöterna (se † i figur 4A, C ). Dessa sena svar med intervallet 70-100 ms post-TMS har tidigare rapporterats vara förhärskande i SOL endast med TA TVA (0-40% MVIC)48,49.

Både vila och TVA villkor var liknande i den ipsilaterala Svaren var framkallas när vissa hotspots stimuleras. Förekomsten av ipsilaterala Svaren skulle kunna vara resultatet av stimulering av ett oligosynaptic väg (t.ex. cortico-retikulo-spinal-tarmkanalen) eller spridningen av pulsen 's nuvarande. En metod att skilja mellan två möjliga orsaker är att beräkna skillnaden i latens mellan kontralaterala och ipsilaterala svaren. Tidigare TMS-relaterade studierna har spekulerat i att en ipsilaterala svar > 3 ms fördröjning i förhållande till kontralaterala svaret är Parlamentsledamot ipsilaterala (iMEP), och den potentiella vägen kunde vara den cortico-retikulo-spinal-tarmkanalen (dvs, oligosynaptic väg )50,51,52,53,54. Däremot kan något ipsilaterala svar med en kortare fördröjning vara resultatet av Pulsens ström; Därför kan sådant svar inte vara en iMEP. Under vila hade ipsilaterala Svaren liknande latenser som kontralaterala svaren (se figur 3A, C och D). Således dessa svar var troligen inte iMEPs, men var sannolikt framkallade på grund av spridningen av pulsen är nuvarande tillämpas intill den interhemispheric sprickan. När rätt TA och vänster SOL aktiverades under TVA, ipsilaterala Svaren var endast framkallas hos TA och försenades av > 3 ms jämfört med den kontralaterala svaren (se figur 4A, D). Dessa svar kan vara iMEPs, vilket kan tyda på stimulering av cortico-retikulo-spinal-tarmkanalen. Sammanfattningsvis är ipsilaterala Svaren vanliga när benet motoriska området är stimulerad55; försiktighet bör därför iakttas när dessa svar tolkas som iMEPs.

Figure 1
Figur 1: rekonstruerad hud och krökt hjärnan modeller. (A) en hud modell med fyra anatomiska landmärken (spetsen av näsan, nasion och supratragic skåran på höger och vänster örat) används för att beräkna ämne-image registrering under bedömningen genom att placera spetsen på en pekare på varje landmärke. (B) ett 4 x 9 rektangulärt stödraster placeras bilateralt över benet motor kortikala område. Rutor betecknar de ställen som används för att bestämma suprathreshold intensitet används för het fläck jakt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: bilaterala TA och SOL hotspots och RMT. I båda hjärnhalvorna betecknar star symbolen hot spot för varje muskel. Bar tomter närvarande tillämpas den genomsnittliga RMT av två bedömningar (öppen vit cirkel) för varje muskel, medan värdena under varje cirkel betecknar antalet stimuli för att bestämma RMT med en adaptiv tröskel-jakt metod. Den streckade linjen indikerar intensiteten används för het fläck jakt (45% MSO). (A) Hot spots och RMTs höger/kontralaterala TA och SOL medan TMS tillämpades över vänster hjärnhalva. TA var het fläck över benet motoriska området och proximalt interhemispheric spricka medan SOL het fläck var 10 mm i sidled till TA het fläck. Antalet stimuli som används för att bestämma TA och SOL RMT varierade 6-21 och 9-11, respektive. (B) Hot spots och RMTs vänster/kontralaterala TA och SOL medan TMS tillämpades över den högra hjärnhalvan. Liksom i vänster hjärnhalva var TA het fläck över benet motoriska området och proximalt interhemispheric spricka. SOL het fläck var 7,1 mm bakre-lateral till TA het fläck. Antalet stimuli som används för att bestämma TA och SOL RMT var i spänner 10-22 och 10-11, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: bilaterala TA och SOL CMR bedömning - vila. För att stimulera varje het fläck, samlades EMG av bilaterala vilande TA och SOL medan den genomsnittliga vågformen av varje muskel presenteras (totala varaktigheten 500 ms; 100 ms pre-TMS). De √ och X symboler betecknar att MEP var antingen närvarande (> 50 µV) eller frånvarande (≤ 50 µV), respektive. Vid Ledamots närvaro presenteras värdena för topp-till-topp amplituden (µV) och latens (ms). (A) stimulering av höger/kontralaterala TA hot spot på vänster hjärnhalva. Ledamöter var framkallas hos båda rätt/kontralaterala fotled muskler, med rätt TA med större amplitud och kortare svarstid än rätt SOL. Stimulerad hot spot är ligger av den interhemispheric sprickan och proximala till benet motoriska området vänster hjärnhalva, var MEP på vänster/ipsilaterala fotled muskler också framkallade (bara TA). (B) stimulering av den höger/kontralaterala SOL varm fläck på vänster hjärnhalva. Ledamöter var framkallade endast på höger/kontralaterala fotled muskler; men TA hade större MEP amplitud och kortare svarstid än SOL. (C) stimulering av den vänster/kontralaterala tas het fläck på högra hjärnhalvan. Ledamöter var framkallas hos båda vänster/kontralaterala och höger/ipsilaterala fotled muskler med både TA med större MEP amplituder och kortare svarstider än både SOL. Detta bilaterala MEP elicitering beror främst på platsen för den stimuleras hot spot och suprathreshold intensitet. (D) stimulering av den vänster/kontralaterala SOL varm fläck på högra hjärnhalvan. Ledamöter var framkallas hos vänster/kontralaterala fotled muskler och höger/ipsilaterala TA. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: bilaterala TA och SOL CMR bedömning - TVA. För att stimulera varje het fläck, samlades EMG av bilaterala TA och SOL medan undersöks kontralaterala muskeln aktiverades vid 15 ± 5% MVIC. Genomsnittliga vågformen i varje muskel presenteras (totala varaktigheten 500 ms; 100 ms pre-TMS). De √ och X symboler betecknar att MEP var antingen närvarande (> 50 µV) eller frånvarande (≤50 µV), respektive. Vid Ledamots närvaro presenteras värdena av peak-to-peak amplitud (µV), fördröjning (ms) och CSP (ms). (A) stimulering av höger/kontralaterala TA hot spot på vänster hjärnhalva. Rätt TA MEP följdes av CSP. MEP var framkallade i kontralaterala/höger SOL i som ett sent svar (†) var också framkallas (amplitud: 563 µV; latens: 82,8 ms). MEP var också framkallas hos vänster/ipsilaterala TA, vars latens fördröjs med 5,2 ms jämfört med den högra/kontralaterala tas latens. (B) stimulering av den höger/kontralaterala SOL varm fläck på vänster hjärnhalva. Höger/kontralaterala SOL MEP följdes av CSP, och MEP var också framkallas i kontralaterala/höger TA. Ingen vänster/ipsilaterala ledamöter var framkallade. (C) stimulering av vänster/kontralaterala TA hot spot på högra hjärnhalvan. Vänster TA MEP följdes av CSP. MEP var framkallas hos vänster/kontralaterala SOL i som ett sent svar (†) var också framkallas (amplitud: 465 µV; latens: 96,3 ms). Inga ledamöter var framkallade i höger/ipsilaterala muskler. (D) stimulering av den vänster/kontralaterala SOL varm fläck på högra hjärnhalvan. Vänster SOL MEP följdes av CSP. Ledamöter var framkallas hos vänster/kontralaterala SOL och rätt/ipsilaterala TA, vars latens fördröjs med 4,7 ms jämfört med den vänstra/kontralaterala tas latens. En ledamot var framkallade i höger/ipsilaterala SOL. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med tanke på det växande intresset för hur motoriska cortex bidrar till motorisk kontroll av benmusklerna under dynamiska uppgifter i olika kohorter, behövs ett standardiserat TMS-protokoll som beskriver en grundlig bedömning av dessa muskler. Därför, för första gången, detta protokoll ger standardiserade metodologiska förfaranden på bilaterala bedömning av två fotled antagonistiska muskler, SOL och TA, under två muskel stater (resten och TVA) med en enda puls TMS med neuronavigation.

Resultaten beskrivs i representativa resultat avsnitt pekar ut flera kritiska steg som bör övervägas. Först, CMR bedömning av dessa muskler, liksom andra benmusklerna, bör utföras neuronavigation system där varje försökspersonens MRI bör användas och varje muskel het fläck bör bestämmas med. Neuronavigation kan vägleda exakt TMS stimulering över motor målområdet och när motivets MRI används, motor målområdet kan stimuleras exakt56,57. Tidigare arbete undersökt effekterna av att använda neuronavigation under en TMS bedömning av övre extremiteten muskler58,59,60; resultaten från dessa studier var blandade. Ändå, ingen studie undersökte denna effekt för en nedre extremitet muskel. Gett platsen av motor kortikala områden TA och SOL (dvsintill den interhemispheric sprickan på ca 3-4 cm under ytan hårbotten)36,42,61, på jakt efter den ”sanna” hot plats för varje muskel med hjälp av ett rutnät placeras på varje försökspersonens anatomi ökar sannolikheten rimligen framkalla Parlamentsledamot i antingen muskler, särskilt i SOL. använda samma protokoll presenteras här, vi har nyligen visat att ledamöter var framgångsrikt framkallas hos både TA och SOL i nästan alla patienter (N = 21)32. Den andra kritiska steget är bilaterala bedömningen av varje muskel. I motsats till övre extremitet motor områden, de två ben motoriska områdena angränsar till varandra, och när en puls tillämpas över ett område de motsatta kan stimuleras på grund av nuvarande spridning. Därför kan något ipsilaterala svar i antingen muskel tyda på antingen förekomsten av en iMEP (en potentiell proxy cortico-retikulo-spinal utbildningsavsnitt)50 eller bara en direkt stimulering av området som motsatta benet motor. I förflutnan, ipsilaterala TA svar rapporterades, men webbplatsen stimuleras baserades på anatomiska landmark (10 och 15 mm posteriort och sidled till vertex)62. Användning av detta protokoll, hot spot för varje muskel kan bestämmas separat, och beroende på hot spot's plats antingen kontralaterala eller bilaterala Svaren kan utlösas (se figur 3 och figur 4). Oavsett om de bilaterala svaren är ett resultat av flera fallande kräver vägar eller bara stimulering av en enda väg ytterligare utredning.

Detta protokoll kan ändras beroende på hur den forskning. Medan enstaka puls TMS används i detta protokoll, ihopkopplade puls (test puls föregås av konditionering puls)63,64 kan också användas för att bedöma intracortical nätverken av dessa två fotled muskler. Likaså efter hot spot och RMT bestämning av varje muskel, kan bilaterala input-output kurvor av varje muskel förvärvas för att bedöma förhållandet mellan TMS intensitet (ingång) och MEP amplituden (output). För att bedöma CMR varje muskel, 10 stimuli tillämpas på varje het fläck under vila och TVA, men senaste rapporter har antytt att mer än 10 stimuli bör användas på ett tillförlitligt sätt bedöma CMR en muskel65,66. På samma sätt kan mer än en stimulans per plats tillämpas under hot spot jakt (t.ex. 2-5 stimuli/spot) jämfört med ett enda stimulus per plats som används i detta protokoll. Genom att tillämpa mer än en stimulans per plats, kanske hot spot för varje muskel fastställas mer tillförlitligt. Nyligen genomförd studie tyder på att så få som två stimuli per plats kan vara tillräcklig för het fläck bestämning67. Dessutom jämfört med metoden används mest tröskel jakt, relativ frekvens metoden68, som är baserad på Rossini-Rothwell kriterium69,70, adaptiv tröskel-jakt används metoden i de Detta protokoll. Även den adaptiva tröskel-jakt metoden är mer effektiv (dvs. färre stimuli är skyldiga att fastställa RMT) än metoden relativ frekvens, delar båda metoderna liknande precision71. Det är viktigt att komma ihåg att alla ändringar av ovannämnda ökar det totala antalet stimuli tillämpas. Slutligen används det nuvarande protokollet kriteriet av mindre än 50 µV peak-to-peak amplitud för att bedöma för baslinjen buller och för den ”sanna” vilande tillstånd. Kasta eventuella EMG-signal som är större än 10 µV (kvadratiska medelvärdet beräknas över 100 ms) är en alternativ metod.

Detta protokoll har några metodologiska överväganden. Första är bedömningen av dessa två muskler i sittande ställning, antingen under vila eller TVA. Som tidigare nämnts, både TA och SOL är av avgörande betydelse under upprätt postural uppgifter och promenader. Även om tidigare studier har undersökt TA och SOL CMR under upprätt postural uppgifter14,72,73,74,75,76 och promenader20, 22 , 77 , 78 , 79, bedömningen var endast ensidiga och TMS styrdes inte av neuronavigation. Därför, även om detta protokoll inte används under dessa uppgifter, kan det fortfarande ge en icke-invasiv fönster om kortikala enhet av dessa två fotled muskler. Andra fastställdes aktiva motoriska tröskeln (AMT) inte eftersom det inte är en väletablerad metod för att mäta. Med tanke på att AMT är korrelerad med och är lägre än RMT (~ 82%)80, MEP kan utlösas under TVA även när du använder en suprathreshold intensitet av RMT. Tredje, användning av strukturella MRT av varje ämne med neuronavigation systemet kanske inte genomförbara på alla inställningar på grund av höga kostnaden för att erhålla MRI och neuronavigation systemet. Dock kan vissa neuronavigation system inklusive den som används i detta protokoll, användas utan motivets MRI; men en genomsnittlig MRI används. I det här fallet kan spolen placeras fortfarande just över webbplatsen stimuleras.

Medan tidigare arbete har undersökt TA och SOL CMR under olika uppgifter i olika kohorter, användes ingen studie ett standardiserat protokoll som undersökt dessa två muskler bilateralt med neuronavigation med varje försökspersonens MRI. Användning av varje försökspersonens strukturella MRI kombineras med ett neuronavigation system främjar den noggrannhet och precision av stimulering av motoriska kortikala representationer av både muskler. Detta är av avgörande betydelse för ben motor kortikala områden. Också, med tanke på att CMR av en muskel beror på om muskeln är helt avslappnad eller aktiveras delvis, det här protokollet beskriver hur de TA och SOL CMR kan bedömas under vila och TVA. Dessutom stimuleras varje halvklotet medan den bilaterala CMR varje muskel bedöms samtidigt. Vidare, istället för att använda samma hot spot för att bedöma en enda muskel CMR, varje muskel het fläck bestäms med hjälp av ett standardiserat rutnät som lades över benet kortikala representationen, och definieras som fläcken med största amplituden och kortaste svarstid43. Även om metoden relativ frekvens ofta används för att mäta motoriska tröskeln på en muskel68, använder detta protokoll en adaptiv tröskel-jakt metod för att minska experimentella varaktighet och totalt antal stimuli tillämpas per session44. Slutligen, för att minska varaktigheten av dataanalys och standardisera beräkningen av CMR åtgärder, en automatiserad data analys metodik används.

Framtida studier kan använda det här protokollet att ytterligare belysa den kortikala kontrollen TA och SOL i både neurologiskt intakta och nedsatt kohorter. En sådan tillämpning av detta protokoll är kartläggningen av dessa två muskler. Även om några studier undersökt det motoriska kortikala området TA81,82,83,84, rapporterade endast en studie det motoriska kortikala området av SOL från en enda patient med fokal kortikala dysplasi85. Ett gemensamt kännetecken som alla dessa studier delar är användning av samma neuronavigated TMS system, som skiljer sig från det system som används i detta protokoll. Men detta system är extremt dyrt, och det finns oftast i kliniska inställningar, till exempel sjukhus. Genom att ändra detta protokoll, kan framtida studier systematiskt undersöka och fastställa normativa data kortikala mappning åtgärder för tekniskt stöd och SOL i neurologiskt intakta vuxna. Sådana slutsatser kommer att fastställa vilka motor mappning åtgärder bör användas specifikt kvantifiera de motoriska representationerna av varje muskel. En annan potentiell tillämpning av detta protokoll är bedömningen av dessa två muskler före och efter en operation eller ett ingrepp (t.ex. beteendemässiga: utöva; neurofysiologiska: repetitive TMS, transkraniell likström stimulering - TDC) och under återhämtningsperioden i atletisk eller kliniska kohorter. Detta gör att rehabilitering forskare att avgöra hur en operation eller ett ingrepp kan förändra den kortikala enheten av dessa två muskler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill tacka Dr Jesse C. Dean för att hjälpa med metodutveckling och ge återkoppling på ett utkast av manuskriptet. Detta arbete stöds av en VA karriär utveckling Award-2 RR & D N0787-W (MGB), institutionella Development Award från National Institute of General Medical Sciences av NIH under licensnummer P20-GM109040 (FFC) och P2CHD086844 (FFC). Innehållet representerar inte åsikter Department of Veterans Affairs eller Förenta staternas regering.

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

Neurovetenskap fråga 144 transkraniell magnetisk stimulering corticospinal trakter tibialis anterior soleus tonic frivilliga aktiveringen neurofysiologi corticomotor svar hjärnan neuronavigation
Bilaterala bedömning av Corticospinal vägar av fotled muskler använder navigerat transkraniell magnetisk stimulering
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