Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Bilaterale vurdering af den Corticospinal veje af ankel muskler ved hjælp af navigerede transkranial magnetisk Stimulation

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

Denne protokol beskriver den samtidige, bilaterale vurdering af tibialis anterior og soleus corticomotor reaktion under hvile og tonic frivillig aktivering ved hjælp af en enkelt puls transkranial magnetisk stimulation og neuronavigation system.

Abstract

Distale benmusklerne modtage neurale input fra motor kortikale områder via den corticospinal tarmkanalen, som er en af de vigtigste motor faldende pathway i mennesker og kan vurderes ved hjælp af transkranial magnetisk stimulation (TMS). På grund af distale benmusklerne rolle i opretstående postural og dynamisk opgaver, som at gå, er en voksende forskningsinteresse i vurdering og graduering af de corticospinal skrifter i forhold til funktionen af disse muskler opstået i det sidste årti. Dog har metodologiske parametre, der bruges i tidligere arbejde varieret på tværs af undersøgelser at gøre fortolkningen af resultater fra tværsnits- og tidsseriedataene undersøgelser mindre robust. Derfor vil tillade brug af en standardiseret TMS protokol specifikke for vurderingen af benmusklerne corticomotor svar (CMR) for direkte sammenligning af resultater på tværs af undersøgelser og kohorter. Formålet med dette oplæg er at præsentere en protokol, der giver fleksibilitet for at samtidig vurdere de bilaterale CMR af to vigtigste ankel antagonistiske muskler, tibialis anterior og soleus, ved hjælp af fælles puls TMS med en neuronavigation system. Denne protokol finder anvendelse, mens de undersøgte muskel er enten helt afslappet eller isometrisk indgået ved en defineret procentdel af maksimal isometrisk frivillige sammentrækning. Ved hjælp af hvert emne strukturelle Mr med neuronavigation system sikrer nøjagtig og præcis positionering af spolen over ben kortikale repræsentationer under vurdering. Givet inkonsekvensen i CMR afledt foranstaltninger, beskriver denne protokol også en standardiseret beregning af foranstaltningerne ved hjælp af automatiske algoritmer. Selv om denne protokol ikke er udført under oprejst postural eller dynamisk opgaver, kan det bruges til at vurdere bilateralt ethvert par af benmusklerne, enten antagonistiske eller synergistiske, i både neurologisk intakte og nedsat emner.

Introduction

Tibialis anterior (TA) og soleus (SOL) er anklen antagonistiske muskler placeret i den forreste og bagerste rum af underbenet, henholdsvis. Begge muskler er uniarticular, mens den vigtigste funktion af TA og SOL er at dorsiflex og plantarflex talocrural fælles, henholdsvis1. Desuden er TA mere funktionel for lang muskel udflugter og mindre vigtigt for kraft produktionen, mens SOL er en antigravitation muskel designet til at generere høje kraft med lille udflugt muskel2. Begge muskler er især relevante under oprejst postural og dynamisk opgaver (fx gående)3,4. Med hensyn til neurale kontrol få motorneuron puljer af begge muskler neurale drive fra hjernen via motoren faldende veje5,6, ud over forskellige grader af sensoriske drev.

Den vigtigste drivkraft faldende vej er den corticospinal tarmkanalen, som stammer fra de primære, premotor og supplerende motor områder og ophører i spinal motorneuron pools7,8. Hos mennesker, kan den funktionelle tilstand af denne tarmkanalen (corticomotor svar - CMR) realistisk vurderes ved hjælp af transkranial magnetisk stimulation (TMS), en ikke-invasiv brain stimulation værktøj9,10. Siden indførelsen af Handelsforanstaltningerne, og da deres funktionelle betydning under oprejst postural opgave og gå er TA CMR og SOL blevet vurderet i forskellige kohorter og opgaver11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

I modsætning til vurdering af CMR i øvre ekstremiteter muskler33, fastslået ingen universelle TMS protokol blev for vurderingen af CMR i nedre-ekstremitet muskler. På grund af en forud opstillet protokol og den store metodologiske variation på tværs af de tidligere undersøgelser (f.eks. type coil, brug af neuronavigation, tonic aktivering, test side og muskel, bruge og beregning af CMR foranstaltninger, osv. ), fortolkning af resultaterne på tværs af undersøgelser og årgange kan være besværlige, kompliceret og unøjagtige. Da foranstaltningerne, der er funktionelt relevante i forskellige motoriske opgaver, vil en etableret TMS protokol specifikke at sænke ekstremitet CMR vurdering give motor neuroforskere og rehabilitering forskere at systematisk vurdere CMR i disse muskler på tværs af sessioner og forskellige kohorter.

Derfor er formålet med denne protokol til at beskrive den bilaterale vurdering af TA og SOL CMR ved hjælp af fælles puls TMS og neuronavigation system. I modsætning til tidligere arbejde, denne protokol har til formål at maksimere rigor af eksperimentelle procedurer, dataopsamling og analyse af data ved at ansætte metodologiske faktorer, der optimerer gyldighed og varigheden af forsøget, og standardisere CMR vurdering af disse to nedre ekstremiteter muskler. I betragtning af at CMR af en muskel afhænger om musklen er helt afslappet eller aktiveres delvist, beskriver denne protokol hvordan TA og SOL CMR kan vurderes under hvile og tonic frivillig aktivering (TVA). De følgende afsnit vil grundigt beskriver denne protokol. Endelig, repræsentative data præsenteres og diskuteres. Protokollen beskrevet her er afledt af der i Charalambous et al. 201832.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle eksperimentelle procedurer præsenteret i denne protokol er blevet godkendt af de lokale institutionelle Review Board og er i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen.

1. samtykke til proces og sikkerhed spørgeskemaer

  1. Forud for enhver eksperiment, forklare hvert emne aim(s) af undersøgelsen, de vigtigste eksperimentelle procedurer og eventuelle potentielle risikofaktorer forbundet med deltager i undersøgelsen. Efter at besvare eventuelle spørgsmål eller bekymringer, som fag kan have, bede emner at anerkende samtykke proces og underskrive informeret samtykkeerklæring.
  2. Administrere Mr34 og TMS35 sikkerhed-screening spørgeskemaer til forsøgspersonernes sikkerhed og kvalifikation til både Mr og TMS test. Udelukke alle emner, der ikke opfylder alle sikkerhedskriterier fra både Mr og TMS vurderinger.

2. Mr og forberedelse af Neuronavigation System

  1. Administrere Mr vurdering før TMS vurdering32. Har fag ligge i en liggende stilling med en pude placeret under deres knæ for at sikre en behagelig kropsholdning. Instruere emner at holde stadig i scanneren.
    1. Give øre beskyttelse til fag til at dæmpe knald på scanneren. Fortrinsvis bruge ørepropper over høreværn fra anvendelse af bilaterale supratragic notch for emne-billede registrering i neuronavigation system (Se 5.2).
    2. Få høj opløsning T-1 vægtede anatomiske hjernen billeder (minimumskrav: 1 mm skive tykkelse og fuld hjernen og cerebellare dækning), enten som NFTI eller DICOM-filer. Sikre, at næse er fuldt medtaget i billeder fra anvendelse af fagets spidsen af næsen for emne-billede registrering i neuronavigation system (Se 5.2).
  2. Uploade Mr filer i en neuronavigation system. Co registrere manuelt hvert emne MRI til forreste og bageste Commissurer, så emnet Mr kan tilknyttes ved hjælp af Montreal neurologiske Institute atlas.
    1. Genopbygge huden og fuld krum hjerne model ved at justere afgrænsningsrammen omkring kraniet og hjernen væv, henholdsvis. Identificere fire anatomiske landemærker (spidsen af næsen, nasion - broen på næsen og supratragic ryk med det højre og venstre øre) ved hjælp af huden model (Se figur 1A).
    2. Placer et rektangulært gitter over ben motor kortikale område på hver halvkugle, ved hjælp af den rekonstruerede krum hjernen (Se figur 1B). Placer den centreret række i gitteret på center og over gyrus af benet motor kortikale område hvor de corticospinal skrifter, der innerverer ben motor pools stammer36. Placer den mediale kolonne i gitteret parallelle og støder op til den mediale væg i den ipsilaterale halvkugle.
    3. Bruge en cortex-baseret tilgang, hvor fejl i orientering har en ubetydelig indvirkning på stimulering site37 istedet for benytter en hovedbund-baserede mål tilgang, hvor enhver fejl i orientering kan ændre webstedet stimulation. Brug dette gitter til at finde hot spot. Motor kortlægning, bruger større net enten ved at tilføje flere steder og/eller øge afstanden mellem steder (f.eks. 10 mm).

3. er underlagt forberedelse og placering

  1. Måle de elektrofysiologiske svar af fælles puls TMS bruger i alt 4 overflade EMG elektroder. For forberedelse og placering af elektroderne, bruge offentliggjort retningslinjer38,39 og komplet placering, mens emnet er i stående stilling.
    1. Forberede det område, som ville hver elektrode placeres ved barbering og let eksfolierende nogen døde hudceller og olier ved hjælp af alkohol svaberprøver.
      Forsigtig: For fag på blodfortyndende medicin (f.eks. mennesker efter slagtilfælde), brug forsigtighed under klargøring af huden på grund af den potentielle risiko for blødning.
    2. Vedhæfte elektroder bilateralt på TA. I stående stilling, spørge emner til løft tæerne opad og derefter placere en elektrode på den øverste tredjedel af linjen mellem lederen af fibula og mediale malleol (dvs. muskler mave umiddelbart lateralt for den tibial crest).
    3. Vedhæfte elektroder bilateralt på SOL. I stående stilling, Spørg emne at udføre hæl raise og derefter placere en elektrode på den nederste tredjedel af linjen mellem den laterale femoralis kondyl og laterale malleol.
    4. Vedhæfte jorden reference passiv elektrode enten på patella eller laterale malleol. Afhængigt af EMG erhvervelse enhed, Placer elektroderne for jorden enten bilateralt eller ensidigt.
  2. Teste elektroder placeringen og kvaliteten af signalet.
    1. Teste elektroder placering (f.eks. for klart visuelt påviselige EMG brister) ved at spørge emne til enten dorsiflex eller plantarflex ankel i en oprejst stilling mens der vises det rå EMG signal af alle muskler testet på en computerskærm. I tilfælde af en fejlplaceret elektrode, fjerne og udskifte det indtil der er klart visuelt påviselige EMG byger med minimal baggrundsstøj. Et passende signal til støjforhold er kritisk til at opdage en motor respons (> 50 µV).
    2. Test kvaliteten af signalet (f.eks. til baseline støj) ved tømning TMS enheder for et par gange mens TMS coil holdes væk fra den siddende emne og med muskler i hvile. Kontroller, at det oprindelige signal for hver kanal, EMG er tæt på nul (dvs. peak til peak amplitude skal være mindre end 50 µV og der er ingen baseline støj, såsom 50 eller 60 Hz power line hum). Hvis baseline støj er til stede i en kanal, fjerne den tilsvarende elektrode og Gentag huden forberedelse procedurer. Hvis støjen er stadig til stede (dvs. peak til peak amplitude > 50 µV), justere referenceelektrodes position og erstatte elektrolyt gel.
  3. Sikre alle elektroder ved hjælp af let skum før wrap tape. Med jævne mellemrum under hele forsøget, kontrollere for at sikre, at elektroderne er forsvarligt fastgjort, og at signalet har god kvalitet.
  4. Sæde emne i en stol. For at sikre konsekvent fødder placering på tværs af fag, sikre begge fødder i omvandrende støvler (dvs., ankel fod ortose), der tillader ankel ROM justeres til en bestemt stilling og give modstand under TVA test. Justere både hofte og knæ vinkler for at undgå emne ubehag. Instruere emnet til at holde stadig hele eksperimentet. Brug en pande resten knyttet til stol til at holde emner stadig under TMS ansøgningen, hvis den er tilgængelig.

4. TVA test

  1. Bestemme bilateralt de maksimale frivillige isometrisk kontraktion (MVIC) af hver muskel. For hver bevægelse (dvs., dorsiflexion og plantarflexion), instruere emner til maksimalt kontrakt de kontralaterale undersøgt muskel (f.eks. højre TA) 4 gange (~ 5 s sammentrækninger adskilt af 60 s hvile) mens emnet er siddende i positur beskrevet ovenfor.
  2. Beregne værdien maksimal muskel aktivitet under hver MVIC (dvs. gennemsnit inden for en 100 ms vindue centreret omkring den maksimale rektificeret og glattede EMG) af de sidste tre forsøg, gennemsnittet af de tre værdier, og de 15 ± 5% af hver muskel 's gennemsnitlige MVIC.
    Forsigtig: En større % MVIC kan bruges, men det kan ikke være muligt i klinisk kohorter (f.eks. mennesker efter slagtilfælde).

5. registrering i Neuronavigation System

  1. Placer emnet tracker, enten en bøjle eller briller, med reflekterende markører på motivets hoved på den modsatte side fra den stimulerede halvkugle så sporingen ikke hindrer positionering af spolen under stimulation af hver gitter stedet.
    Forsigtig: I det tilfælde at en hovedbøjle bruges, sikre, at det er lun på motivets hoved, endnu ikke for stramme fordi det kan forårsage hovedpine efter en længere periode.
  2. Kontrollér den korrekte position af motion capture kamera ved at placere emnet tracker, markøren og spole tracker i sin fange diskenhedsplads. Udføre emne-billede registrering ved at placere spidsen af markøren på de 4 anatomiske landmaks (Se figur 1A).
  3. Når alle anatomiske vartegn er samplet, kontrollere, om registrering opstod præcist ved at placere spidsen af markøren på flere steder over fagets kraniet (dvs. validering fase). Hvis afstanden fra spidsen af markøren til den rekonstruerede hud er mindre end 3 mm, gå til TMS eksperiment; ellers gentage emne-billede registrering, indtil de ønskede fejlværdier er opnået. Under eksperimentet flyttede gentage registrering Hvis emnet tracker er tilfældig.

6. TMS

  1. Brug de samme metodologiske parametre under hvile og TVA.
    1. Anvend enkelt puls stimuli på den optimale websted (dvs., hotspot, se næste afsnit for yderligere detaljer) af de undersøgte muskel. Anvende hver stimulus tilfældigt hver 5-10 s at undgå stimulus forventning og minimere overførselsvirkninger af de tidligere puls til den efterfølgende en40.
    2. I tilfældet indstille at to TMS enheder anvendes samtidig, enhederne på enten standard eller samtidige tilstand41. Standardtilstanden gælder en svagere puls end en enkelt enhed, mens den samtidig mode gælder en stærkere puls end en enkelt enhed. Brug af enten en kunne baseres på behov i protokollen og det samlede antal stimuli.
    3. Bruge en dobbelt kegle spole til at fremkalde en posteroanterior intrakraniel strøm. Hvis det er nødvendigt, bruge neuronavigation system til at styre spolen manuelt og korrekte sin holdning i forhold til den ønskede stimuleret spot før hver stimulus.
    4. På tværs af sessioner og fag, randomisere rækkefølgen af de undersøgte muskel og halvkugle. Altid administrere TVA tilstand efter resten betingelse at undgå enhver indblanding med testning på rest (f.eks. træthed af den faldende veje skyldes TVA test).
  2. Bestemme bilateralt hot spot af begge muskler.
    1. Find suprathreshold intensitet, som vil blive brugt under hotspot jagt, ved at anvende en enkelt stimulus over centreret stedet ved siden af den interhemispheric revne (Se blå og røde firkanter i figur 1B). Brug dette sted, fordi det er placeret på locus af ben motoriske område36,42.
    2. Start ved lav intensitet (f.eks. 30% maksimum stimulator output; MSO) og gradvist øge TMS intensiteten i 5% trin, indtil at nå intensiteten, der fremkalder en motor evoked potentiale (MEP) med en top til top amplitude større end 50 µV i alle kontralaterale undersøges muskler til 3 på hinanden følgende stimuli.
    3. Bestemme umiddelbart efter hver stimulus uanset om et medlem har været fremkaldte baseret på både rå waveforms og top til top amplituder (søgevinduet: 20-60 ms post-TMS debut) af alle undersøgte muskler.
    4. Anvende en TMS puls på hver plet af gitteret (total 36 stimuli). Efter afslutningen af hotspot protokollen, overføre amplitude og latenstid værdier af hvert spot for alle kontralaterale muskler i et regneark og sortere amplitude fra høj til lav og ventetid fra lav til høj. Identificere hot spot af kontralaterale TA og SOL som placering i gitteret med den største amplitude og den korteste ventetid43.
      Forsigtig: Hvis den største amplitude og kortest ventetid ikke er på det samme sted, definere hotspottet ved hjælp af den største amplitude.
  3. Bestemme bilateralt hver muskel hvilende motor tærskel (RMT).
    1. Vælg gitter stedet i ordningen neuronavigation, der svarer til de undersøgte muskel hot spot.
    2. Bruge en adaptive tærskel-jagt metode for RMT bestemmelse af undersøges muskler44. Sæt den oprindelige intensitet og trin størrelse på 45 og 6% MSO, henholdsvis32. Køre RMT jagt to gange for hver muskel, og brug gennemsnittet for den efterfølgende CMR vurdering.
  4. Vurdere bilateralt TA og SOL CMR i løbet af resten.
    1. Vælg gitter stedet i ordningen neuronavigation, der svarer til de undersøgte muskel hot spot. Anvende 10 enkelt TMS pulser på 1,2 RMT undersøgt musklen.
    2. Før hver stimulus, instruere emnet at stå stille og slappe af undersøgte musklerne bilateralt og overvåge aktiviteten på alle muskler ved hjælp af en reel tid visuel feedback visning på en computerskærm. I tilfælde af enhver muskel er aktiv, før eller efter TMS, kassere retssagen og anvende en ekstra enkelt puls. Gentag indtil 10 bølgeformer for hvert kontralaterale undersøgt muskel i hvile er blevet indsamlet.
  5. Vurdere bilateralt TA og SOL CMR under TVA.
    1. Vælg gitter stedet i ordningen neuronavigation, der svarer til de undersøgte muskel hot spot.
    2. Spørg emner til kontrakt undersøgt musklen på 15 ± 5% MVIC og anvende 10 enkelt TMS pulser på 1,2 RMT. Instruere fag til at holde den glattede bevægelige linje (kvadratiske amplitude af 0.165 s) af de undersøgte muskel, enten TA eller SOL, inden for de to vandrette markører (MVIC range: 15 ± 5%) og opretholde denne sammentrækning på dette niveau for få sekunder.
    3. Når TA er de undersøgte muskel, anmode emner at trække lidt op mod bootstraps på deres kontralaterale ben (dvs. leg med de undersøgte muskel kontralaterale til stimuleret halvkugle). Når SOL er den undersøgte muskel, anmode emner at skubbe lidt mod boot på de kontralaterale ben.
    4. Overvåg muskel aktivitet af den aktive undersøges muskler og de resterende hvilende muskler ved hjælp af en reel tid visuel feedback vises på en computerskærm. Kassér at stimulus og anvende en ekstra enkelt puls igen i tilfælde af de undersøgte muskel aktivitet er enten under eller over det forudbestemte interval eller nogen andre muskler aktiveres. Indsamle 10 forsøg, mens de undersøgte muskel aktiveres på rækken forudbestemt.

7. dataanalyse

  1. For alle CMR foranstaltninger undtagen RMT, beregne værdien af hver foranstaltning fra hver MEP sweep (samlede varighed skal være mindst 500 ms med minimum 100 ms før stimulus varighed) for alle muskler og derefter disse 10 middelværdier for at få en enkelt værdi (dvs. betyde)32. Amplitude og kortikale stille periode (CSP) er proxy ophidselse foranstaltninger af CMR, latenstid er en proxy-forbindelse foranstaltning af CMR. For både hvile og TVA, normalisere ventetid i forhold til hvert emne højde, så ventetid er påvirket af afstanden til de undersøgte muskel45.
  2. Beregne MEP amplitude og latenstid i løbet af resten.
    1. Beregne amplitude (µV) fra den rå EMG som den største forskel mellem positive og negative toppe (dvs., top-til-top) af Parlamentsmedlemmet. Disse to bestemt muskler, at søge efter top til top indenfor et tidsvindue på 20-60 ms efter TMS debut.
      Forsigtig: Selvom MEP ransage rude 20-60 MS kan arbejde for neurologisk intakte emner og folk efter slagtilfælde, bredere MEP søgning windows (f.eks. 20-75 ms) kan være påkrævet for andre neurologiske populationer (f.eks. multipel sklerose).
    2. Beregne latency (ms) fra den rektificeret EMG som tiden mellem TMS debut og MEP debut (dvs. den tid, da en rektificeret EMG spore først krydser en forudbestemt tærskel - gennemsnit plus tre standardafvigelser af 100 ms før stimulus EMG)32 , 46.
  3. Beregne MEP amplitude, ventetid og CSP under TVA.
    1. Beregne amplitude (µV) fra den rå EMG som den største forskel mellem positive og negative toppe (dvs., top-til-top) af Parlamentsmedlemmet. Disse to bestemt muskler, at søge efter top til top indenfor et tidsvindue på 20-60 ms efter TMS debut.
    2. Beregne latency (ms) fra den rektificeret EMG som tiden mellem TMS debut og MEP debut.
      1. Beregne MEP indsættende forskelligt i TVA end i resten. Beregne MEP debut og forskydning ved at finde to tid punkter at rektificeret EMG spor krydser den forudbestemt tærskel fastsat til niveauet for 100 ms før stimulus mener EMG. Derefter finde de toppe, der er i det mindste større end middelværdien af pre stimulus EMG plus tre standardafvigelser og mellem de to gang point. Søg derefter fra den første top 50 data punkter (samplefrekvensen 5000 Hz) før at peak for tiden at sporingen af rektificeret EMG først krydser tærsklen til den gennemsnitlige pre stimulus EMG. Definere dette tidspunkt som MEP indsættende32.
    3. Beregne CSP (ms) fra den rektificeret EMG som tiden mellem MEP forskydning og EMG genoptagelse (dvs. absolut CSP: udelukkelse af MEP varighed)47. Søg fra den sidste top 200 data punkter (samplefrekvensen 5000 Hz) efter at peak for tiden at sporingen af rektificeret EMG sidst krydsede grænsen for den gennemsnitlige pre stimulus EMG; definere dette tidspunkt som MEP forskydning. Derefter beregne genoptagelsen af baseline EMG, som er den tid, at sporingen af rektificeret EMG sidst krydser 25% af den gennemsnitlige pre stimulus EMG32.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tallene 2-4 præsentere data fra en repræsentativ neurologisk intakte 31 år gammel mandlige med højde og vægt på 178 cm og 83 kg, henholdsvis.

Figur 2 præsenterer bilaterale hotspots og RMT hver ankel muskler. Bruge stedet ligger på midten af området ben i hver halvkugle (se firkanter i figur 1B), intensiteten af 45% MSO anvendtes bilateralt for hotspot jagt. Hot spot placering for hver muskel afveg mellem hjernehalvdele, men som forventede alle fire Hotte steder var beliggende i ben motor kortikale områder. Dette fund tyder på, at TA og SOL ikke kan dele den samme hotspot; CMR af hver muskel bør derfor vurderes ved hjælp af hver muskel hotspot i modsætning til ved hjælp af samme hot spot for både muskler. Bilaterale RMT blev fastsat for hver muskel, ved hjælp af en adaptiv tærskel-jagt metode. Antallet af stimuli ansøgte RMT bestemmelse varierede fra 6 til 22 stimuli. Forskellen mellem de to RMT værdier for hver muskel varierede fra 1% til 3% MSO. Kombinere disse resultater tyder på, at ved hjælp af en adaptiv tærskel-jagt metode kan være en effektiv tilgang til at bestemme RMT en ankel muskler med lav variabilitet. Desuden, alle RMTs var lavere end den intensitet, der anvendes til hot spot jagt (stiplet linje i figur 2). Dette fund tyder på at bruge stedet ligger på ben motoriske område (se firkanter i figur 1B) til at bestemme en "ægte" suprathreshold intensitet er muligt.

Figur 3 præsenterer de bilaterale svar TA og SOL når hot spot af hver muskel blev stimuleret i løbet af resten. For alle bilaterale stimuleret hotspots, blev kontralaterale parlamentsmedlemmer fremkaldt i både TA og SOL. Svar og ventetid var imidlertid altid større og kortere i TA end i SOL, henholdsvis, uanset hvilken muskel hot spot var stimuleret. Ipsilaterale svar var hovedsagelig i TA og når stimuleret hot spot var proksimalt for interhemispheric fissur (Se figur: 2A -TA hotspot, 2B – begge muskler hotspot). Omvendt, ipsilaterale svar var fraværende i begge muskler når stimuleret siden blev yderligere laterale fra interhemispheric revne (> 10 mm) (Se figur 2A -SOL hotspot).

Figur 4 præsenterer de bilaterale svar TA og SOL når hot spot af hver muskel blev stimuleret under TVA. Som i øvrigt var kontralaterale parlamentsmedlemmer fremkaldte i både TA og SOL for alle bilaterale stimuleret websteder under en 15 ± 5% MVIC. Kun undersøgt musklen blev aktiveret; Derfor, de resterende tre muskler var i hvile. CSP fandtes kun i de undersøgte aktiveret muskel, både TA og SOL. Som resten fremkaldte TMS over højre TA og venstre SOL hotspots også ipsilaterale svar; disse svar fandtes kun i den ipsilaterale TA (jf. figur 4A,D). Omvendt, TMS over den rigtige SOL og venstre TA hotspots fremkaldte kun kontralaterale medlemmer. Interessant, sene svar i kontralaterale SOL var til stede, når TA blev aktiveret; disse svar var til stede bilateralt, fandt sted mellem 80-100 ms post-TMS og havde større amplituder end parlamentsmedlemmerne (Se † i figur 4A, C ). Disse sene svar med vifte 70-100 ms post-TMS er tidligere blevet rapporteret til at være fremherskende i SOL kun med TA TVA (0-40% MVIC)48,49.

Både hvile og TVA betingelser var ens i den ipsilaterale svar blev fremkaldt når visse brændpunkter blev stimuleret. Tilstedeværelsen af ipsilaterale svar kunne potentielt være resultatet af stimulation af en oligosynaptic vej (fx cortico-indeholdt-spinal-tarmkanalen) eller spredning af pulsen 's nuværende. En tilgang til at skelne mellem de to mulige årsager er at beregne forskellen i latenstid mellem de kontralaterale og ipsilaterale svar. Tidligere TMS undersøgelser har spekuleret at en ipsilaterale svar > 3 ms forsinkelse i forhold til de kontralaterale svar er en ipsilaterale MEP (iMEP), og den potentielle vej kunne være cortico-indeholdt-spinal-tarmkanalen (dvs. oligosynaptic vej )50,51,52,53,54. Omvendt, enhver ipsilaterale svar med en kortere forsinkelse kan være resultatet af pulse's nuværende; Sådan en reaktion kan derfor ikke være en iMEP. Under hvile havde ipsilaterale svar lignende ventetid som kontralaterale svar (Se figur 3A, C og D). Således, disse svar var højst sandsynligt ikke iMEPs, men var sandsynligvis fremkaldt på grund af spredningen af pulsen er aktuelle anvendes støder op til den interhemispheric revne. Når den rigtige TA og venstre SOL blev aktiveret under TVA, ipsilaterale svar var kun fremkaldes i TA og blev forsinket af > 3 ms i forhold til de kontralaterale svar (jf. figur 4A, D). Disse svar kan være iMEPs, hvilket kan indikere stimulation af cortico-indeholdt-spinal-tarmkanalen. I sammendrag er ipsilaterale svar fælles, når benet motoriske område er stimuleret55; Derfor bør udvises forsigtighed, når disse svar tolkes som iMEPs.

Figure 1
Figur 1: rekonstrueret hud og krum hjernen modeller. (A) en hudmodel med fire anatomiske landemærker (spidsen af næsen, nasion og supratragic hakket i det højre og venstre øre) bruges til at beregne emne-billede registrering under vurderingen ved at placere spidsen af en markør på hver vartegn. (B) en 4 x 9 rektangulært gitter placeret bilateralt over benet motor kortikale område. Firkanter betegne steder bruges til at bestemme suprathreshold intensitet bruges til hotspot jagt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Bilateral TA og SOL hotspots og RMT. På begge halvkugler betegner den stjerne symbol hot spot af hver muskel. Bar parceller nuværende anvendes den gennemsnitlige RMT af to vurderinger (åben hvid cirkel) for hver muskel, mens værdier under hver cirkel angiver antallet af stimuli til at bestemme RMT ved hjælp af en adaptiv tærskel-jagt metode. Den stiplede linje angiver intensiteten bruges til hotspot jagt (45% MSO). (A) Hot spots og RMTs af højre/kontralaterale TA og SOL mens TMS blev anvendt over venstre hjernehalvdel. TA var hot spot over det motoriske område, ben og proksimalt for den interhemispheric revne SOL hotspot var 10 mm lateral til TA hot spot. Antallet af stimuli bruges til at bestemme TA og SOL RMT varierede 6-21 og 9-11, henholdsvis. (B) Hot spots og RMTs af den venstre/kontralaterale TA og SOL mens TMS blev anvendt over højre hjernehalvdel. Som i den venstre hjernehalvdel var TA hotspot over det motoriske område, ben og proksimalt for den interhemispheric revne. SOL hotspot var 7.1 mm posterior-lateral til TA hot spot. Antallet af stimuli bruges til at bestemme TA og SOL RMT var i intervallerne 10-22 og 10-11, henholdsvis. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: bilaterale TA og SOL CMR vurdering - hvile. Stimulation af hvert hotspot, EMG bilaterale hvilende TA og SOL blev indsamlet mens den gennemsnitlige bølgeform af hver muskel præsenteres (samlet varighed 500 ms; 100 ms pre-TMS). √ og X symboler betegne at MEP var enten nuværende (> 50 µV) eller fraværende (≤ 50 µV), henholdsvis. I tilfælde af MEPS tilstedeværelse præsenteres værdierne af peak til peak amplitude (µV) og latenstid (ms). (A) stimulering af højre/kontralaterale TA hot spot på venstre hjernehalvdel. MEP'erne blev fremkaldt i begge ret/kontralaterale ankel muskler, med rigtige TA at have større amplitude og kortere ventetid end rigtige SOL. Stimuleret hot spot er beliggende ved den interhemispheric revne og proksimalt for ben motoriske område på venstre hjernehalvdel, var MEP på venstre/ipsilaterale ankel muskler også fremkaldte (kun TA). (B) stimulering af den højre/kontralaterale SOL hot spot på venstre hjernehalvdel. MEP'erne var fremkaldes kun på de højre/kontralaterale ankel muskler; men TA havde større MEP amplitude og kortere ventetid end SOL. (C) stimulering af den venstre/kontralaterale TA'S hot spot på højre hjernehalvdel. MEP'erne blev fremkaldt i både venstre/kontralaterale og højre/ipsilaterale ankel muskler med begge TA at have større MEP amplituder og kortere ventetid end både SOL. Denne bilaterale MEP udvikling er hovedsagelig på grund af placeringen af stimuleret hot spot og suprathreshold intensitet. (D) stimulering af den venstre/kontralaterale SOL hot spot på højre hjernehalvdel. MEP'erne blev fremkaldt i venstre/kontralaterale ankel muskler og højre/ipsilaterale TA. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: bilaterale TA og SOL CMR vurdering - TVA. Stimulation af hvert hotspot, EMG bilaterale TA og SOL blev indsamlet mens de undersøgte kontralaterale muskel blev aktiveret på 15 ± 5% MVIC. Den gennemsnitlige bølgeform af hver muskel præsenteres (samlet varighed 500 ms; 100 ms pre-TMS). √ og X symboler betegne at MEP var enten nuværende (> 50 µV) eller fraværende (≤50 µV), henholdsvis. I tilfælde af MEPS tilstedeværelse præsenteres værdierne af peak til peak amplitude (µV), latenstid (ms) og CSP (ms). (A) stimulering af højre/kontralaterale TA hot spot på venstre hjernehalvdel. Højre TA MEP blev efterfulgt af CSP. MEP blev fremkaldt i kontralaterale/højre SOL i som en forsinket reaktion (†) også blev fremkaldt (amplitude: 563 µV; ventetid: 82,8 ms). Medlem af Parlamentet var også fremkaldte i venstre/ipsilaterale TA, hvis latency er forsinket af 5,2 ms i forhold til den højre/kontralaterale tas ventetid. (B) stimulering af den højre/kontralaterale SOL hot spot på venstre hjernehalvdel. Ret/kontralaterale SOL MEP blev efterfulgt af CSP, og medlem af Parlamentet var også fremkaldes i kontralaterale/højre TA. Ingen venstre/ipsilaterale parlamentsmedlemmer blev fremkaldt. (C) stimulering af venstre/kontralaterale TA hot spot på højre hjernehalvdel. Venstre TA MEP blev efterfulgt af CSP. MEP blev fremkaldt i venstre/kontralaterale SOL i som en forsinket reaktion (†) også blev fremkaldt (amplitude: 465 µV; ventetid: 96.3 ms). Ingen medlemmer blev fremkaldt i højre/ipsilaterale muskler. (D) stimulering af den venstre/kontralaterale SOL hot spot på højre hjernehalvdel. Venstre SOL MEP blev efterfulgt af CSP. MEP'erne blev fremkaldt i venstre/kontralaterale SOL og højre/ipsilaterale TA, hvis latency er forsinket af 4,7 ms i forhold til den venstre/kontralaterale tas ventetid. Ingen MEP blev fremkaldt i højre/ipsilaterale SOL. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I betragtning af den spirende interesse i hvordan den motoriske hjernebark bidrager til den motorisk kontrol af benmusklerne under dynamisk opgaver i forskellige kohorter, er et standardiseret TMS-protokollen, der beskriver en grundig vurdering af disse muskler nødvendig. Derfor, for første gang, denne protokol giver standardiserede metodologiske procedurer på bilaterale vurdering af to ankel antagonistiske muskler, SOL og TA, under to muskel stater (resten og TVA) bruger en enkelt puls TMS med neuronavigation.

Resultaterne er beskrevet i de repræsentative resultater afsnit påpeger flere kritiske trin, som bør overvejes. Først, CMR vurdering af disse muskler, samt andre benmusklerne, bør gennemføres ved hjælp af en neuronavigation system, hvor hvert emne MRI bør anvendes og hver muskel hotspot bør fastlægges. Neuronavigation kan guide præcise TMS stimulation over motor målområdet, og når fagets Mr bruges, motor målområdet kan blive stimuleret præcist56,57. Tidligere arbejde undersøgt effekten af at bruge neuronavigation under en TMS vurdering af øvre ekstremiteter muskler58,59,60; resultaterne fra disse studier var blandet. Endnu, ingen undersøgelse undersøgt denne effekt for en lavere ende muskel. Givet placeringen af de motoriske kortikale områder TA og SOL (dvs.,støder op til den interhemispheric revne på ca 3-4 cm under hovedbunden overfladen)36,42,61, på jagt efter "sandt" hot plet af hver muskel ved hjælp af et gitter placeret på hver genstand anatomi øger sandsynligheden for realistisk fremkalde Parlamentsmedlem i enten muskel, især i SOL. Brug samme protokol præsenteres her, vi har for nylig vist, at medlemmer med succes blev fremkaldt i begge TA og SOL i næsten alle fag (N = 21)32. Det andet kritiske trin er de bilaterale vurdering af hver enkelt muskel. I modsætning til øvre ekstremiteter motoriske områder, de to ben motoriske områder er støder op til hinanden, og når en puls er anvendt over et område det modsatte område kan blive stimuleret på grund af aktuelle opslag. Derfor kan enhver ipsilaterale svar i enten muskel angiver enten tilstedeværelsen af en iMEP (en potentiel proxy af cortico-indeholdt-spinal pathway)50 eller bare en direkte stimulering af den modsatte ben motoriske område. I fortiden, ipsilaterale TA svar blev rapporteret, men webstedet stimuleret var baseret på anatomiske landemærke (10-15 mm posteriort og lateralt for vertex)62. Ved hjælp af denne protokol, hot spot af hver muskel kan bestemmes separat, og afhængigt af hot spot placering enten kontralaterale eller bilaterale svar kan være fremkaldt (Se figur 3 og figur 4). Om den bilaterale svar er et resultat af flere faldende kræver veje eller bare stimulering af en enkelt vej yderligere undersøgelser.

Denne protokol kan blive ændret afhængigt af forskning designet. Mens enkelt puls TMS bruges i denne protokol, parret puls (test puls indledes med konditionering puls)63,64 kan også bruges til at vurdere de intracortical netværk af disse to ankel muskler. På samme måde efter hot spot og RMT bestemmelse af hver muskel, kan bilaterale input-output kurver af hver muskel erhverves for at vurdere forholdet mellem TMS intensitet (input) og MEP amplitude (output). For at vurdere CMR i hver muskel, 10 stimuli som anvendes på hvert hotspot under hvile og TVA, men de seneste rapporter har antydet, at mere end 10 stimuli skal bruges til at vurdere pålideligt CMR af en muskel65,66. Ligeledes kan mere end ét stimulus pr. spot anvendes under hotspot jagt (f.eks. 2-5 stimuli/spot) i forhold til en enkelt stimulus pr. spot bruges i denne protokol. Ved at anvende mere end én stimulus pr. spot, kan hot spot af hver muskel blive mere pålideligt fastlagt. Undersøgelse, der foreslog, at så få som to stimuli pr. spot kunne være tilstrækkelig for hotspot bestemmelse67. Desuden, i forhold til den mest udbredte tærskel jagt metode, relative frekvens metode68, som er baseret på Rossini-Rothwell kriterium69,70, adaptive tærskel-jagt metoden bruges i den denne protokol. Selvom metoden adaptive tærskel-jagt er mere effektive (dvs. færre stimuli er forpligtet til at bestemme RMT) end relative frekvens metode, deler begge metoder lignende præcision71. Det er vigtigt at huske, at alle ovennævnte ændringer øger antallet af stimuli anvendes. Endelig, den nuværende protokol anvendes kriteriet om mindre end 50 µV peak til peak amplitude til vurdering for baseline støj og den "sande" hviletilstand. Kassere enhver EMG signal større end 10 µV (kvadratiske beregnet over 100 ms) er en alternativ tilgang.

Denne protokol har nogle metodiske overvejelser. For det første er vurderingen af disse to muskler i en siddende stilling, enten i hvile eller TVA. Som tidligere nævnt, både TA og SOL er af afgørende betydning under oprejst postural opgaver og gå. Selvom tidligere studier har undersøgt TA og SOL CMR under oprejst postural opgaver14,72,73,74,75,76 og gå20, 22 , 77 , 78 , 79, vurderingen var kun ensidige, og TMS blev ikke styret af neuronavigation. Derfor, selv om denne protokol ikke bruges under disse opgaver, kan det stadig give en non-invasiv vindue om kortikale drevet af disse to ankel muskler. Andet, den aktive motor tærskel (AMT) var ikke bestemt fordi der ikke er en veletableret metode for denne foranstaltning. AMT er korreleret med og er lavere end RMT (~ 82%)80, MEP kan fremkaldes under TVA, selvom du bruger en suprathreshold intensiteten af RMT. For det tredje kan anvendelsen af strukturelle Mr af hvert emne med neuronavigation system ikke være muligt i alle indstillinger på grund af høje omkostninger at opnå Mr og neuronavigation system. Dog kan visse neuronavigation systemer herunder den, der anvendes i denne protokol, anvendes uden fagets Mr; men en gennemsnitlig Mr bruges. I dette tilfælde kan spolen stadig netop placeret over det sted, stimuleret.

Mens tidligere arbejde har undersøgt TA og SOL CMR under forskellige opgaver i forskellige kohorter, bruges ingen undersøgelse en standardiseret protokol, der undersøgte disse to musklerne bilateralt ved hjælp af neuronavigation med hvert emne Mr. Brug af hvert emne strukturelle Mr kombineret med en neuronavigation system fremmer den nøjagtighed og præcision af stimulation af de motoriske kortikale fremstillinger af begge muskler. Dette er afgørende for ben motor kortikale områder. Også, at CMR i en muskel afhænger om musklen er helt afslappet eller delvist er aktiveret, denne protokol beskriver hvordan TA og SOL CMR kan blive vurderet i resten og TVA. Derudover er hver hjernehalvdel stimuleret mens de bilaterale CMR af hver muskel vurderes samtidigt. Desuden, snarere end at bruge det samme hotspot for at vurdere en enkelt muskel CMR, hver muskel hotspot er bestemmes ved hjælp af et standardiseret net, som var lagt over ben kortikal repræsentation, og er defineret som stedet med den største amplitude og korteste ventetid43. Selvom relative frekvens metode er meget udbredt at måle motor tærsklen på en muskel68, bruger denne protokol en adaptive tærskel-jagt metode til at reducere eksperimentelle varighed og antallet af stimuli anvendes per session44. Endelig, at reducere varigheden af dataanalyse og standardisere beregningen af CMR foranstaltninger anvendes en automatiseret data analyse metodologi.

Fremtidige studier kan bruge denne protokol til yderligere belyse den kortikale kontrol af TA og SOL i neurologisk intakte og nedsat kohorter. En sådan anvendelse af denne protokol er en kortlægning af disse to muskler. Selvom få studier undersøgt det motoriske kortikale område af TA81,82,83,84, rapporterede kun én undersøgelse den motoriske kortikale område af SOL fra en enkelt patient med fokale kortikale dysplasi85. En fælles kendetegn, at alle disse undersøgelser del er brugen af det samme neuronavigated TMS system, som er forskellig fra den, der anvendes i denne protokol. Men dette system er meget dyrt, og det er normalt findes i klinisk indstillinger, såsom hospitaler. Ved at ændre denne protokol, kan fremtidige undersøgelser systematisk undersøge og etablere normative data af kortikale kortlægning foranstaltninger for TA og SOL i neurologisk intakte voksne. Sådanne resultater vil fastslå, hvilken motor kortlægning foranstaltninger bør anvendes til at specifikt kvantificere de motor repræsentationer af hver muskel. En anden potentiel anvendelse af denne protokol er vurdering af disse to muskler før og efter en operation eller en intervention (f.eks., adfærdsmæssige: motion; neurofysiologiske: gentagne TMS, transkranial jævnstrøm stimulation - TDC'ER) og i løbet af tilbagebetalingsperioden i athletic eller kliniske kohorter. Dette vil tillade rehabilitering forskere til at bestemme, hvordan en operation eller en intervention kan ændre kortikale drevet af disse to muskler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forfatterne takke Dr. Jesse C. Dean for at hjælpe med metodologiske udvikling og give feedback på et udkast af manuskriptet. Dette arbejde blev støttet af en VA karriere udvikling Award-2 RR & D N0787-W (MGB), en institutionel udvikling Award fra National Institute of General Medical Sciences af NIH under grant nummer P20-GM109040 (SAK) og P2CHD086844 (SAK). Indhold repræsenterer ikke synspunkter Department of veterananliggender eller de Forenede Staters 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

Neurovidenskab spørgsmålet 144 transkranial magnetisk stimulation corticospinal skrifter tibialis anterior soleus tonic frivillig aktivering neurofysiologi corticomotor svar hjernen neuronavigation
Bilaterale vurdering af den Corticospinal veje af ankel muskler ved hjælp af navigerede transkranial magnetisk Stimulation
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