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 av Corticospinal veier ankel muskler med navigert 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

Nåværende protokollen beskriver samtidige, bilaterale vurdering av corticomotor svar tibialis fremre og soleus under hvile og tonic frivillig aktivisering benytter en enkelt puls Transkraniell magnetisk stimulering og neuronavigation system.

Abstract

Distale beinmuskulaturen mottar nevrale signaler fra motor kortikale områder via det corticospinal spor, hvilke er en av de viktigste motor synkende tursti hos mennesker og kan bli vurdert ved hjelp Transkraniell magnetisk stimulering (TMS). Gitt rollen distale beinmuskulaturen i oppreist postural og dynamisk aktiviteter, som gåing, en voksende forskningsinteresse for vurdering og modulering av corticospinal strøk i forhold til funksjonen til disse musklene har dukket opp i det siste tiåret. Imidlertid har metodologiske parametere brukes i tidligere arbeid variert over studier gjør tolkningen av resultater fra cross-sectional og longitudinelle studier mindre robust. Derfor vil en standardisert TMS-protokollen som er spesifikke for vurdering av beinmuskulaturen corticomotor svaret (CMR) tillate direkte sammenligning av resultatene på tvers av studier og kohorter. Målet med denne utredningen er å presentere en protokoll som gir fleksibilitet til å samtidig vurdere bilaterale CMR av to viktigste ankel antagonistiske muskler, tibialis fremre og soleus, enkelt puls TMS med en neuronavigation system. Nåværende protokollen gjelder mens undersøkt muskelen er helt avslappet eller isometrically kontrakt ved definerte til maksimal isometrisk frivillig sammentrekning. Hvert emne strukturelle MRI sikrer med neuronavigation-systemet nøyaktig og presis posisjonering av spolen over Ben kortikale representasjoner under vurdering. Denne protokollen gitt inkonsekvensen i CMR avledet tiltak, og beskriver også en standardisert beregning av disse tiltakene ved hjelp av automatisert algoritmene. Men denne protokollen ikke er utført under oppreist postural eller dynamisk oppgaver, kan det brukes til å vurdere bilateralt noen par beinmuskulaturen, antagonistiske eller synergistisk, i både nevrologisk intakt og svekket fag.

Introduction

Fremre tibialis (TA) og soleus (SOL) er ankelen antagonistiske muskler ligger i fremre og bakre rommet i leggen, henholdsvis. Både muskler er uniarticular, mens den viktigste funksjonen til TA og SOL er dorsiflex og plantarflex talocrural felles, henholdsvis1. Videre er TA mer funksjonell for lang muskel utflukter og mindre viktig for kraft produksjon, mens SOL er en antigravitasjon muskel designet til generere høy kraft med små turbåter av muskel2. Både muskler er særlig relevant i oppreist postural og dynamisk oppgaver (f.eks walking)3,4. Om neural kontroll får motorneuron bassengene av både muskler nevrale stasjonen fra hjernen via motoren synkende veier5,6, i tillegg til varierende grad av sensoriske stasjonen.

Hovedmotor synkende veien er det corticospinal spor, hvilke stammer fra de primære, premotor og supplerende motoriske og avsluttes i spinal motorneuron bassenger7,8. Hos mennesker, kan funksjonelle tilstanden til dette heftet (corticomotor svar - CMR) feasibly vurderes bruker Transkraniell magnetisk stimulering (TMS), en ikke-invasiv hjernen stimulering verktøyet9,10. Siden introduksjonen av TMS og deres funksjonelle betydning under oppreist postural oppgaven og gå, har CMR av TA og SOL vurdert i ulike kohorter og oppgaver11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

I motsetning til vurdering av CMR i øvre ekstremitet muskler33, er ingen universell TMS-protokoll etablert for vurdering av CMR i nedre ekstremitet muskler. På grunn av mangel på en etablert protokoll og store metodologiske variasjon over de tidligere studiene (f.eks typen coil, bruk av neuronavigation, tonic aktivisering, testing side og muskler, bruk og beregning av CMR måler, osv. ), tolkningen av resultater på tvers av studier og kohorter kan tungvinte, komplisert og unøyaktig. Tiltakene er funksjonelt relevant i ulike finmotoriske oppgaver, vil en etablert TMS protokoll gjelder nedre ekstremitet CMR vurdering tillate motor nevrologer og rehabilitering forskere å systematisk vurdere CMR musklene over økter og ulike kohorter.

Målet med denne protokollen er derfor å beskrive bilaterale vurdering av TA og SOL CMR bruker enkelt puls TMS og neuronavigation system. I motsetning til tidligere arbeid mål denne protokollen å maksimere rigor av eksperimentelle prosedyrer, datainnsamling og dataanalyse ved hjelp av metodologiske faktorer som optimaliserer gyldigheten og varigheten av forsøket, og standardisere CMR vurdering av disse to nedre ekstremitet musklene. Gitt at CMR på en muskel, avhenger av om muskelen helt avslappet eller aktiveres delvis, beskriver denne protokollen hvordan TA og SOL CMR kan vurderes under hvile og tonic frivillig aktivering (TVA). Delene nedenfor beskriver grundig stede protokollen. Til slutt, representant dataene presentert og drøftet. Protokollen beskrevet her er avledet fra det i Charalambous et al. 201832.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle eksperimentelle prosedyrer i denne protokollen er godkjent av lokale institusjonelle gjennomgang styret og er i tråd med erklæringen i Helsinki.

1. samtykke prosessen og sikkerhet spørreskjemaer

  1. Før noen forsøk, Forklar hvert emne aim(s) studien, de viktigste eksperimentelle prosedyrene og alle mulige risikofaktorer forbundet med delta i studien. Etter spørsmål eller kommentarer som fag kan ha, spør fag å anerkjenne godkjenningsprosessen og signere skjemaet samtykke.
  2. Administrere MRI34 og TMS35 sikkerhet-screening spørreskjemaer å sikre fag sikkerhet og kvalifisering for både Mr og TMS testing. Ekskludere alle fag som ikke oppfyller alle sikkerhet vilkår fra både Mr og TMS vurderinger.

2. Mr og forberedelse av Neuronavigation

  1. Administrere MRI vurdering før TMS vurdering32. Har fag ligge i supine posisjon med en pute plassert under knærne å sikre en komfortabel holdning. Instruere fag å holde fortsatt i skanneren.
    1. Gi Hørselvern til emner attenuere høy lyd på skanneren. Fortrinnsvis bruk ørepluggene over Ørevarmere skyldes bruk av bilaterale supratragic hakk for emne-image registrering i neuronavigation systemet (se 5.2).
    2. Få T-1 vektet anatomiske hjernen oppløsning (Minimumskrav: 1 mm skive tykkelse og full hjernen og lillehjernen dekning), enten som NFTI eller DICOM-filer. Sikre at nesen er fullt inkludert i bilder på grunn av bruk av motivets spissen av nesen for emne-image registrering i neuronavigation systemet (se 5.2).
  2. Last opp MRI filer i et neuronavigation. Co registrere manuelt hver motivets MRI til fremre og bakre commissures, så fagets Mr kan kartlegges ved hjelp av Montreal nevrologiske Institute atlas.
    1. Rekonstruere huden og full kurvelineæritet hjernen modellen ved å justere markeringsrammen rundt skallen og hjernen vev, henholdsvis. Identifisere fire anatomiske landemerker (spissen av nesen, nasion - broen på nesen og supratragic hakk til høyre og venstre øre) bruker huden modell (se figur 1A).
    2. Plassere et rektangulært rutenett over Ben motor kortikale området hver halvkule bruker rekonstruert kurvelineæritet hjernen (se figur 1B). Plasser sentrert raden i rutenettet i sentrum og over gyrus av Ben motor kortikale området hvor de corticospinal strøk som innervate Ben motor bassenger kommer36. Plasser den mediale kolonnen i rutenettet parallelle og tilstøtende på medial veggen av ipsilateral halvkule.
    3. Bruk en cortex tilnærming der feil i orientering har en ubetydelig effekt på stimulering området37 istedenfor å bruke en hodebunnen-baserte målet tilnærming der feil i retning kan endre webområdet stimulering. Bruk dette rutenettet for å finne hot spot. Bruk større rutenett enten ved å legge til flere steder og/eller øke avstanden mellom stedene for motor kartlegging, (f.eks 10 mm).

3. underlagt forberedelse og plassering

  1. Måle elektrofysiologiske svarene enkelt puls TMS med totalt 4 overflate EMG elektroder. Bruke publisert retningslinjer38,39 og fullstendig plassering og plasseringen av elektrodene, mens motivet er i en stående posisjon.
    1. Forberede området som hver elektrode plasseres ved barbering og lett peeling alle døde hudceller og olje bruker alkohol vattpinner.
      Advarsel: For fag på blodfortynnende (f.eks folk etter slag), vær forsiktig under huden forberedelse på grunn av den potensielle risikoen for blødning.
    2. Fest elektrodene bilateralt på TA. Mens i stående posisjon, spør fag å løfte sine tær oppover og plasser elektroden på den øvre tredjedelen av linjen mellom hodet av fibula og mediale malleolus (dvs. muskel magen umiddelbart lateralt tibial toppen).
    3. Fest elektrodene bilateralt på SOL. Mens i stående posisjon, spør du emnet å utføre heel høyning og plasser elektroden i nedre tredjedel av linjen mellom den laterale femur condyle og lateral malleolus.
    4. Fest bakken referanse passiv elektroden patella eller sideveis malleolus. Avhengig EMG oppkjøpet, plasser bakken elektrodene enten bilateralt eller ensidig.
  2. Test elektrodene plassering og kvaliteten på signalet.
    1. Teste elektrodene plassering (f.eks for klart visuelt synlig EMG pakker) ved å spørre emnet enten dorsiflex eller plantarflex ankelen i en oppreist holdning mens rå EMG signalet av alle musklene testet på en dataskjerm. Ved en feilplassert elektrode, fjerne og erstatte det før det er klart visuelt synlig EMG serieopptak med minimal bakgrunnsstøy. Et tilstrekkelig signal til støyforhold er avgjørende i å oppdage motor svar (> 50 µV).
    2. Test kvaliteten på signalet (f.eks for planlagte støy) ved lossing TMS enhetene for et par ganger mens TMS spolen holdes fra sittende emnet og med musklene på resten. Kontroller at den opprinnelige signalet for hver EMG kanal er nær null (dvs. topp-til-topp amplituden bør være mindre enn 50 µV og det er ingen planlagte støy, som 50 eller 60 Hz makt line hum). Hvis planlagt støy i en kanal, fjerne tilsvarende elektroden og gjenta huden forberedelse prosedyrene. Hvis støyen er fortsatt til stede (dvs. topp-til-peak amplitude > 50 µV), justere referanse elektrode posisjon og erstatter elektrolytt gel.
  3. Sikre alle elektroder med lett skum pre vikle båndet. Regelmessig gjennom hele eksperimentet, kontroller at elektrodene er riktig festet og at signalet har god kvalitet.
  4. Plass motivet i en stol. Å sikre konsekvent føtter plassering over fag, sikre begge beina i gåing støvler (dvs ankelen foten ortose) at ankelen ROM justeres til en bestemt posisjon og gir motstand under TVA testing. Justere både hofte og kne vinkler for å unngå emnet ubehag. Instruere emnet å holde fortsatt hele eksperimentet. Bruk pannen hvile knyttet til stolen holde fag fortsatt under TMS program, hvis tilgjengelig.

4. TVA Testing

  1. Bestemme bilateralt maksimal frivillig isometrisk kontraksjon (MVIC) av hver muskel. Hver bevegelse (dvs. dorsiflexion og plantarflexion), ber fag maksimalt kontrakt kontralateral undersøkt muskelen (f.eks rett TA) 4 ganger (~ 5 s sammentrekninger atskilt med 60 s hvile) mens emne sitter i holdning beskrevet ovenfor.
  2. Beregne maksimal muskel aktivitet verdien under hver MVIC (dvs. gjennomsnittlige innenfor en 100 ms window sentrert rundt maksimal rektifiserte og glattet EMG) av tre siste, gjennomsnittet av tre verdier, og 15 ± 5% av hver muskel er gjennomsnittlig MVIC.
    FORSIKTIG: Et større % MVIC kan brukes, men det kan ikke være gjennomførbart i klinisk kohorter (f.eks folk etter slag).

5. registrering i Neuronavigation systemet

  1. Plass temaet sporing, enten et hodebånd eller briller, med reflekterende indikatorer på emnet hode på motsatt side fra den stimulerte halvkulen så sporing ikke hindrer posisjonering av spolen under stimulering av hver rutenett spot.
    Advarsel: I tilfelle at en hodebånd brukes, sikre at den er tettsittende på emnet, hodet, men ikke altfor stramt fordi det kan forårsake hodepine etter en lengre periode.
  2. Kontroller riktig plassert på motion capture kameraet ved å plassere emnet sporing, pekeren og coil tracker i sin fangst volumplass. Utføre emne-image registreringen ved å plassere spissen av pekeren på de 4 anatomiske landmaks (se figur 1A).
  3. Når alle anatomiske landemerker samples, kontroller om registrering skjedd nøyaktig ved å plassere spissen av pekeren på flere flekker over emnet skallen (dvs. validering scenen). Hvis avstanden fra spissen av pekeren til rekonstruert huden er mindre enn 3 mm, går du til TMS eksperimentet. ellers gjenta emne-image registreringen til ønsket feilverdiene er oppnådd. Under eksperimentet flyttet gjenta registrering hvis du subject sporing er uvesentlig.

6. TMS

  1. Bruk samme metodologiske parametere under hvile og TVA.
    1. Bruk enkelt puls stimuli optimale området (dvs. aktiveringspunkt, se neste avsnitt for ytterligere detaljer) av undersøkt muskel. Bruke hver stimulans tilfeldig hvert 5-10 s unngå stimulans forventning og minimere bære-over virkningene av tidligere pulsen til de etterfølgende en40.
    2. I tilfelle sette at brukes samtidig to TMS enheter, enhetene enten standard eller samtidige41. Standardmodus brukes en svakere puls enn en enkelt enhet, mens samtidig modus bruker en sterkere puls enn én enhet. Bruk av en kan være basert på behovene til protokollen og antall stimuli.
    3. Bruk en dobbel membran coil for å indusere en posteroanterior intrakranielt strøm. Om nødvendig bruker neuronavigation systemet styre spolen manuelt og riktig stimulert sin posisjon i forhold til ønsket sted før hver stimulans.
    4. Økter og fag, tilfeldig rekkefølgen på undersøkt muskel- og halvkule. Alltid administrere betingelsen TVA etter betingelsen resten å unngå interferens med testing på rest (f.eks tretthet av synkende veier på grunn av TVA testing).
  2. Bestemme bilateralt hot spot av både muskler.
    1. Finne suprathreshold intensiteten, som skal brukes under aktiveringspunktet jakt, ved å bruke en enkelt stimulans over midtstilt stedet ved interhemispheric sprekken (se blå og røde firkanter i figur 1B). Bruk denne sted fordi det ligger på locus etappe motoriske området36,42.
    2. Starte lav intensitet (f.eks 30% maksimum stimulator utdataene. MSO) og gradvis øke intensiteten TMS med 5% trinn, inntil nå intensiteten som utløser en motor evoked potensial (MEP) med en topp-til-peak amplitude større enn 50 µV i alle kontralateral undersøkt muskler for 3 sammenhengende stimuli.
    3. Bestemme umiddelbart etter hver stimulans om medlem har vært elicited basert på både rå bølgeformer og topp-til-topp amplituder (søkevinduet: 20-60 ms innlegg-TMS utbruddet) av alle undersøkt muskler.
    4. Bruke en TMS støtpuls på hver spot i rutenettet (totalt 36 stimuli). Etter ferdigstillelse av aktiveringspunktet protokollen, overføre amplitude og ventetid verdiene for hver spot for alle kontralateral musklene i et regneark og sortere amplituden fra høy til lav og ventetid fra lav til høy. Identifisere aktiveringspunktet kontralateral TA og SOL som plassering i rutenettet med største amplituden og den korteste ventetiden43.
      Advarsel: Hvis største amplituden og korteste ventetiden ikke er på samme sted, definere aktiveringspunktet bruker største amplituden.
  3. Bestemme bilateralt hver muskel er hviler motor terskelen (RML).
    1. Velg rutenett stedet i neuronavigation som tilsvarer det undersøkt muskelen aktiveringspunktet.
    2. Bruk en adaptiv terskel-jakt måte for RMT besluttsomhet undersøkt muskler44. Angi innledende intensitet og trinn på 45 og 6% MSO, henholdsvis32. Kjør RMT jakte to ganger hver muskel og bruk gjennomsnittet for påfølgende CMR vurderingen.
  4. Vurder bilateralt TA og SOL CMR under hvile.
    1. Velg rutenett stedet i neuronavigation som tilsvarer det undersøkt muskelen aktiveringspunktet. Bruke 10 enkelt TMS pulser på 1,2 RMT av undersøkt muskel.
    2. Før hver stimulans, instruere emnet å bli stille og slappe av undersøkt musklene bilateralt og overvåke aktiviteten til alle musklene bruker en sanntid visuell tilbakemelding vises på en dataskjerm. I tilfelle noen muskler er aktiv før eller etter TMS, forkaste at rettssaken og bruke en ekstra enkelt puls. Gjenta til 10 bølgeformer for hver kontralateral undersøkt muskel på resten har vært samlet.
  5. Vurdere bilateralt TA og SOL CMR under TVA.
    1. Velg rutenett stedet i neuronavigation som tilsvarer det undersøkt muskelen aktiveringspunktet.
    2. Spør fag kontrakt undersøkt muskelen på 15 ± 5% MVIC og bruke 10 enkelt TMS pulser på 1,2 RMT. Instruere fag å holde buede linjen (rot betyr kvadratisk amplituden til 0.165 s) av undersøkt muskler, TA eller SOL, innen to vannrette pekere (MVIC rekkevidde: 15 ± 5%) og opprettholde at sammentrekning på dette nivået i noen sekunder.
    3. Når TA er undersøkt muskelen, spør fag å trekke litt mot håret på sine kontralateral ben (dvs. beinet med undersøkt muskler kontralateral til stimulert halvkule). Når SOL er undersøkt muskelen, spør fag å skyve litt nedover mot støvelen kontralateral beinet.
    4. Bruke muskel aktive undersøkt muskelen og gjenværende hvile musklene bruker en sanntid visuell tilbakemelding vises på en dataskjerm. Forkast det stimulans og bruke en ekstra enkelt puls igjen undersøkt muskelaktivitet er under eller over forhåndsbestemte området eller noen andre muskler er aktivert. Samle 10 forsøk mens undersøkt muskelen er aktivert på forhåndsbestemte området.

7. dataanalyse

  1. For alle CMR mål unntatt RMT, beregne verdien for hvert mål fra hver MEP feie (den totale varigheten må være minst 500 ms med minimum 100 ms pre stimulans varighet) for alle musklene og deretter finne disse 10 verdiene for å få en enkeltverdi (dvs. mener)32. Amplitude og kortikale stille periode (CSP) er proxy excitability av CMR, mens ventetid er en proxy-tilkobling mål CMR. For både hvile og TVA, normalisere ventetid i forhold til hvert emne høyde, som ventetid er påvirket av avstanden til undersøkt muskel45.
  2. Beregne MEP amplitude og ventetid under hvile.
    1. Beregne amplituden (µV) fra rå EMG som den største forskjellen mellom positive og negative toppene (dvs. topp-til-peak) av MEP. To bestemte musklene, søke etter topp-til-topp i en tidsvindu på 20-60 ms etter TMS utbruddet.
      Advarsel: Selv om vinduet MEP av 20-60 ms fungerer for nevrologisk intakt fag og folk etter hjerneslag, bredere MEP søk i windows (f.eks 20-75 ms) kan være nødvendig for andre nevrologiske befolkninger (f.eks multippel sklerose).
    2. Beregne ventetid (ms) fra rektifiserte EMG som tiden mellom TMS utbruddet og MEP utbruddet (dvs. tid når en rektifiserte EMG spore først krysser en forhåndsbestemt grense - snitt pluss tre standardavvik av 100 ms pre stimulans EMG)32 , 46.
  3. Beregne MEP amplitude, ventetid og CSP under TVA.
    1. Beregne amplituden (µV) fra rå EMG som den største forskjellen mellom positive og negative toppene (dvs. topp-til-peak) av MEP. To bestemte musklene, søke etter topp-til-topp i en tidsvindu på 20-60 ms etter TMS utbruddet.
    2. Beregne ventetid (ms) fra rektifiserte EMG som tiden mellom TMS utbruddet og MEP utbruddet.
      1. Beregne MEP starten annerledes i TVA enn resten. Beregne MEP utbruddet og forskyvning av å finne to tid poeng at rektifiserte EMG sporet krysser forhåndsbestemt grensen angitt til nivået av 100 ms pre stimulans mener EMG. Deretter finner toppene som er minst større enn gjennomsnittet av pre stimulans EMG pluss tre standardavvik og mellom de to tid poeng. Deretter Søk fra første toppen til 50 datapunkt (samplingsfrekvens på 5000 Hz) før at peak for gang at rektifiserte EMG spor først krysser dørstokken til mener pre stimulans EMG. Definere tidsrommet som MEP utbruddet32.
    3. Beregne CSP (ms) fra rektifiserte EMG som tiden mellom MEP forskyvning og EMG Gjenopptagelse (dvs. absolutt CSP: utelukkelse av MEP varighet)47. Søke fra siste toppen til 200 datapunkt (samplingsfrekvens på 5000 Hz) etter at peak for gang at rektifiserte EMG spor sist krysset terskelen mener pre stimulans EMG; define den tiden som MEP motkonto. Deretter beregne gjenopptakelse av planlagte EMG, som er tiden at rektifiserte EMG spor sist krysser 25% av gjennomsnittlig pre stimulans EMG32.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tallene 2-4 presentere data fra en representant nevrologisk intakt 31 år gammel mann med høyde og vekt 178 cm og 83 kg, henholdsvis.

Figur 2 viser den bilaterale aktiveringspunkt og RMT hver ankel muskler. Bruke stedet ligger på midten av skiområdet etappe i hver halvkule (se torg figur 1B), intensiteten av 45% MSO bilateralt gjelder aktiveringspunktet jakt. Aktiveringspunkt plasseringen for hver muskel differansen imellom halvkuler, men som forventet alle fire hot spots ble plassert i beinet motor kortikale områder. Dette funnet angir at TA og SOL ikke kan dele samme aktiveringspunktet; Derfor bør CMR av hver muskel vurderes med hver muskel aktiveringspunkt i motsetning bruker samme hot spot for både muskler. Bilaterale RMT er bestemt for hver muskel, bruker en adaptiv terskel-jakt måte. Antall stimuli søkt om RMT besluttsomhet varierte fra 6 til 22 stimuli. Forskjellen mellom de to RMT verdiene av hver muskel varierte fra 1% til 3% MSO. Kombinere disse resultatene tyder på at bruke en adaptiv terskel-jakt måte kan være en effektiv tilnærming til å bestemme RMT en ankel muskler med lite variasjon. Videre, alle RML var lavere enn intensiteten brukes for aktiveringspunktet jakt (stiplet linje i figur 2). Dette funnet angir at bruke stedet ligger på ben motor området (se torg figur 1B) til å fastslå en "ekte" suprathreshold intensitet er mulig.

Figur 3 viser bilaterale svarene på TA og SOL når et populært sted for hver muskel ble stimulert under resten. For alle bilaterale stimulert hot spots, var kontralateral MEPs skapte både TA og SOL. Svar og ventetider var imidlertid alltid større og kortere TA enn sol, henholdsvis, uansett hvilken muskel hot spot ble stimulert. Ipsilateral svar var hovedsakelig i TA og når stimulert aktiveringspunktet var proksimale til interhemispheric sprekk (se figur: 2A -TA aktiveringspunktet, 2B -både muskler aktiveringspunktet). Derimot ipsilateral svar var fraværende i både muskler når stimulert siden var lateral interhemispheric kom ut (> 10 mm) (se figur 2A -SOL aktiveringspunktet).

Figur 4 presenterer bilaterale svarene på TA og SOL når et populært sted for hver muskel ble stimulert under TVA. Som resten, kontralateral MEPs var skapte både TA og SOL for alle bilaterale stimulert områder under en 15 ± 5% MVIC. Bare undersøkt muskelen ble aktivert; Derfor var de resterende tre musklene på resten. CSP var bare i undersøkt aktivert muskler, både TA og SOL. Som resten skapt TMS over høyre TA og venstre SOL aktiveringspunkt også ipsilateral svar; responsen var bare i ipsilateral TA (se figur 4A,D). Derimot vakte TMS over høyre SOL og venstre TA aktiveringspunkt bare kontralateral parlamentsmedlemmer. Interessant, sent svar kontralateral sol finnes bare når TA ble aktivert; responsen var tilstede bilateralt, skjedde mellom 80-100 ms innlegg-TMS og hadde større amplituder enn parlamentsmedlemmer (se † i figur 4A, C ). Disse sen svar med området 70-100 ms innlegg-TMS tidligere er rapportert å være utbredt i SOL bare med TA TVA (0-40% MVIC)48,49.

Både hvile og TVA forhold var like i at ipsilateral svar var skapte når visse aktiveringspunkt ble stimulert. Tilstedeværelsen av ipsilateral svar kan være et resultat av stimulering av en oligosynaptic sti (f.eks cortico-reticulo-spinal luftveiene) eller spredning av pulsen er gjeldende. En tilnærming til å skille mellom de to mulige årsakene er å beregne forskjellen i ventetid mellom kontralateral og ipsilateral-svar. Tidligere TMS studier har spekulert på at et ipsilateral svar > 3 ms forsinkelse i forhold til kontralateral svaret er en ipsilateral MEP (iMEP), og potensielle veien kan være cortico-reticulo-spinal luftveiene (dvs. oligosynaptic veien )50,51,52,53,54. Derimot kan ipsilateral svar med en kortere forsinkelse være et resultat av pulsens nåværende; slik respons kan derfor ikke være en iMEP. Resten hadde ipsilateral svar lignende latencies som kontralateral svar (se figur 3A, C og D). Dermed disse svarene var sannsynligvis ikke iMEPs, men var sannsynlig skapte på grunn av spredning av pulsen er gjeldende brukt ved interhemispheric sprekken. Når høyre TA og venstre SOL var aktivert under TVA, ipsilateral svar var bare skapte i TA og ble forsinket av > 3 ms sammenlignet kontralateral svaret (se figur 4A, D). Disse svarene kan være iMEPs, indikere stimulering av cortico-reticulo-spinal luftveiene. I sammendraget er ipsilateral svar vanlig når benet motor området er stimulert55; Derfor bør være forsiktig når disse svarene blir tolket som iMEPs.

Figure 1
Figur 1: rekonstruert hud og beregner hjernen modeller. (A) huden modell med fire anatomiske landemerker (spissen av nesen, nasion og supratragic hakket på høyre og venstre øret) brukes til å beregne emne-image registrering under vurderingen ved å plassere spissen av en peker på hvert landemerke. (B) et 4 x 9 rektangulære rutenett plassert bilateralt over beinet motor kortikale området. Rutene betegne stedene til å bestemme suprathreshold intensiteten brukes for aktiveringspunktet jakt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: bilaterale TA og SOL aktiveringspunkt og RMT. I begge halvkuler betyr stjerne symbol hot spot av hver muskel. Bar tomter stede mener RMT av to vurderinger (åpen hvit sirkel) for hver muskel, mens verdiene under hver sirkel betegne antall stimuli brukt bestemme RMT bruker en adaptiv terskel-jakt måte. Den stiplede linjen angir intensiteten brukes for aktiveringspunktet jakt (45% MSO). (A) Hot spots og RML høyre/kontralateral TA og SOL mens TMS ble brukt over venstre halvkule. TA var aktiveringspunktet over Ben motor området og proksimale til interhemispheric sprekken mens SOL aktiveringspunktet var 10 mm lateral til TA hot spot. Antall stimuli brukes til å bestemme TA og SOL RMT varierte 6-21 og 9-11, henholdsvis. (B) Hot spots og RML venstre/kontralateral TA og SOL mens TMS ble brukt over den høyre hjernehalvdelen. I den venstre halvkulen var TA aktiveringspunktet over Ben motor området og proksimale til interhemispheric kom ut. SOL aktiveringspunktet var 7.1 mm bakre-lateral til TA hot spot. Antall stimuli brukes til å bestemme TA og SOL RMT var i områdene 10-22 og 10-11, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: bilaterale TA og SOL CMR vurdering - hvile. Stimulering av aktiveringspunkt, EMG bilaterale hvile TA og SOL ble samlet inn mens gjennomsnittlig bølgeform av hver muskel blir presentert (total varighet 500 ms, 100 ms pre-TMS). √ og X symboler betegne at MEP var tilstede (> 50 µV) eller fraværende (≤ 50 µV), henholdsvis. Ved MEPs tilstedeværelse presenteres verdiene for topp-til-topp amplituden (µV) og ventetid (ms). (A) stimulering av høyre/kontralateral TA hot spot på venstre halvkule. Parlamentet var vakte i både høyre/kontralateral ankel muskler, med riktig TA større amplitude og kortere ventetid enn høyre SOL. Gitt at stimulert aktiveringspunktet er ligger ved interhemispheric rennen og proksimale til beinet motor området på venstre halvkule, var MEP på venstre/ipsilateral ankel musklene også fremkalte (bare TA). (B) stimulering av den høyre/kontralateral SOL hot spot på venstre halvkule. Parlamentet var skapte bare på høyre/kontralateral ankel muskler; men TA hadde større MEP amplitude og kortere ventetid enn SOL. (C) stimulering av den venstre/kontralateral tas aktiveringspunkt på høyre hjernehalvdelen. Parlamentet var vakte i både venstre/kontralateral og høyre/ipsilateral ankel muskler med begge TA har større MEP amplitudes og kortere ventetider enn både SOL. Denne bilaterale MEP elicitation skyldes hovedsakelig plasseringen av det stimulert aktiveringspunktet og suprathreshold intensitet. (D) stimulering av den venstre/kontralateral SOL hot spot på høyre hjernehalvdelen. Parlamentet var vakte i venstre/kontralateral ankel muskler og høyre/ipsilateral TA. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: bilaterale TA og SOL CMR vurdering - TVA. Stimulering av aktiveringspunkt, EMG bilaterale TA og SOL ble samlet inn mens undersøkt kontralateral muskelen ble aktivert på 15 ± 5% MVIC. Gjennomsnittlig bølgeform av hver muskel blir presentert (total varighet 500 ms, 100 ms pre-TMS). √ og X symboler betegne at MEP var tilstede (> 50 µV) eller fraværende (≤50 µV), henholdsvis. Ved MEPs tilstedeværelse presenteres verdiene av topp-til-peak amplitude (µV), ventetid (ms) og CSP (ms). (A) stimulering av høyre/kontralateral TA hot spot på venstre halvkule. Høyre TA MEP ble etterfulgt av CSP. MEP var vakte i kontralateral/høyre SOL i som et sent svar (†) var også skapt (amplituden: 563 µV; ventetid: 82.8 ms). MEP var også skapt i venstre/ipsilateral TA, hvis ventetiden forsinkes 5,2 ms sammenlignet den høyre/kontralateral tas ventetid. (B) stimulering av den høyre/kontralateral SOL hot spot på venstre halvkule. Høyre/kontralateral SOL MEP ble etterfulgt av CSP, og MEP var også skapt i kontralateral/høyre TA. Ingen venstre/ipsilateral MEPs var vakte. (C) stimulering av venstre/kontralateral TA hot spot på høyre hjernehalvdelen. Venstre TA MEP ble etterfulgt av CSP. MEP var vakte i venstre/kontralateral SOL i som et sent svar (†) var også skapt (amplituden: 465 µV; ventetid: 96.3 ms). Ingen MEPs var vakte i høyre/ipsilateral muskler. (D) stimulering av den venstre/kontralateral SOL hot spot på høyre hjernehalvdelen. Venstre SOL MEP ble etterfulgt av CSP. Parlamentet var vakte i venstre/kontralateral SOL og høyre/ipsilateral TA, hvis ventetiden forsinkes 4.7 ms sammenlignet med den venstre/kontralateral tas ventetid. Ingen MEP var vakte i høyre/ipsilateral SOL. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Gitt den voksende interessen i hvordan motorisk cortex bidrar til motor kontroll av beinmuskulaturen under dynamisk oppgaver i ulike kohorter, er en standardisert TMS-protokoll som beskriver grundig vurdering av disse musklene nødvendig. Nåværende protokollen gir derfor standardisert metodologiske prosedyrer for første gang, bilaterale vurdering av to ankel antagonistiske muskler, SOL og TA, under to muskel stater (resten og TVA) bruker en enkelt puls TMS med neuronavigation.

Funnene beskrevet i representant resultater delen peker ut flere avgjørende skritt som bør vurderes. Først bør CMR vurdering av disse musklene, samt andre beinmuskulaturen, utføres med en neuronavigation system der hvert emne MRI bør brukes og hver muskel aktiveringspunktet skal bestemmes. Neuronavigation kan veilede presis TMS stimulering over motor målområdet, og når emnet MRI, motor målområdet kan være stimulert nøyaktig56,57. Tidligere arbeid undersøkt effekten av å bruke neuronavigation under en TMS vurdering av øvre ekstremitetene muskler58,59,60; resultatene fra disse studiene var blandet. Likevel undersøkte ingen studie denne effekten for en nedre ekstremitet muskel. Gitt plasseringen av motor kortikale områder TA og SOL (dvs.ved interhemispheric kom ut på ca 3-4 cm under hodebunnen overflaten)36,42,61, på jakt etter den "sanne" hot flekk av hver muskel bruker et rutenett på hvert emne anatomi øker sannsynligheten for feasibly fremlokkende en MEP i enten muskler, spesielt i SOL. bruke samme protokoll presenteres her, vi har nylig vist at parlamentet var vellykket vakte i begge TA og SOL i nesten alle fag (N = 21)32. Det andre kritiske trinnet er bilaterale vurdering av hver muskel. I motsetning til øvre ekstremitetene motor områder, to Ben motor områdene er ved siden av hverandre, og når en puls brukes over en området motsatte området kan bli stimulert på grunn av gjeldende oppslag. Ipsilateral svar i enten muskel kan derfor angi enten tilstedeværelsen av en iMEP (en potensiell proxy i cortico-reticulo-rotere banen)50 eller bare en direkte stimulering av motsatt etappe motor området. Ipsilateral TA reaksjoner ble rapportert tidligere, men stimulert området var basert på anatomiske landemerke (10 og 15 mm bakre og lateral toppunktet)62. Bruker denne protokollen, et populært sted for hver muskel kan bestemmes separat, og avhengig av aktiveringspunktets sted enten kontralateral eller bilaterale svar brakt frem (se Figur 3 og Figur 4). Om bilaterale svaret er et resultat av flere synkende krever gangstier eller bare stimulering av en enkelt sti videre etterforskning.

Nåværende protokollen kan endres avhengig av forskning utformingen. Mens enkelt puls TMS brukes i denne protokollen, sammenkoblet puls (test puls innledes med condition puls)63,64 kan også brukes til å vurdere intracortical nettverk av disse to ankel muskler. På samme måte etter hot spot og RMT fastsettelse av hver muskel, kan bilaterale inndata-utdata kurver av hver muskel anskaffes for å vurdere forholdet mellom TMS intensitet (inngang) og MEP amplituden (output). For å vurdere CMR av hver muskel, brukes 10 stimuli på aktiveringspunkt under hvile og TVA, men de siste rapporter har antydet at mer enn 10 stimuli skal brukes til å vurdere pålitelig CMR av en muskel65,66. Tilsvarende kan flere stimulans per sted brukes under aktiveringspunktet jakt (f.eks 2-5 stimuli/spot) sammenlignet med en enkelt stimulans per sted i denne protokollen. Ved å bruke flere stimulans per sted, kan hot spot av hver muskel bli mer pålitelig bestemt. Fersk studie antydet at så lite som to stimuli per sted kan være tilstrekkelig for aktiveringspunktet besluttsomhet67. Videre sammenlignet med den mest brukte terskelen jakt metoden, den relative hyppigheten metoden68, som er basert på Rossini-Rothwell kriterium69,70, metoden for dynamisk terskelverdi-jakt er brukt i den nåværende protokollen. Selv om metoden for dynamisk terskelverdi-jakt er mer effektiv (dvs færre stimuli kreves for å fastslå RMT) enn den relative hyppighet metoden, dele begge metodene lignende presisjon71. Det er viktig å huske at alle nevnte modifikasjoner øker antallet stimuli brukes. Til slutt, brukes gjeldende protokollen kriteriet for mindre enn 50 µV topp-til-peak amplitude for å vurdere for planlagte støy og den "sanne" hvile tilstand. Forkaster alle EMG signal større enn 10 µV (rot betyr kvadratisk beregnet over 100 ms) er en alternativ tilnærming.

Denne protokollen har noen metodiske hensyn. Første er vurdering av disse to musklene i sittende stilling, under hvile eller TVA. Som tidligere nevnt, både TA og SOL er avgjørende viktig under oppreist postural oppgaver og gå. Selv om tidligere studier har undersøkt TA og SOL CMR oppreist postural oppgaver14,72,73,74,75,76 og gå20, 22 , 77 , 78 , 79, vurdering var bare ensidig, og TMS var ikke styres av neuronavigation. Derfor, selv om den nåværende protokollen ikke brukes under disse oppgavene, kan det fortsatt gi et ikke-invasiv vindu om kortikale stasjonen av disse to ankel muskler. Andre var aktive motor terskelen (AMT) ikke bestemt fordi det ikke er en godt etablert metode for som mål. Gitt at AMT er korrelert med og er lavere enn RMT (~ 82%)80, MEP brakt frem under TVA selv når du bruker en suprathreshold intensitet av RMT. Tredje, bruk av strukturelle MRI for hvert emne med neuronavigation systemet kan ikke være gjennomførbart i alle innstillingene på grunn av høye kostnader ved å innhente Mr og neuronavigation systemet. Imidlertid kan visse neuronavigation systemer, inkludert den som brukes i denne protokollen, brukes uten motivets MRI; men en gjennomsnittlig Mr brukes. I dette tilfellet kan CoILen være fortsatt nøyaktig plassert over stimulert området.

Mens tidligere arbeid har undersøkt TA og SOL CMR under ulike oppgaver i forskjellige kohorter, brukte ingen studien en standardisert protokoll som undersøkte disse to musklene bilateralt med neuronavigation med hvert emne MRI. Bruk av hvert emne strukturelle MRI kombinert med et neuronavigation system fremmer nøyaktighet og presisjon av stimulering av motor kortikale representasjoner av både muskler. Dette er svært viktig for Ben motor kortikale områder. Også, gitt at CMR på en muskel, avhenger av om muskelen helt avslappet eller aktiveres delvis, denne protokollen beskriver hvordan TA og SOL CMR kan vurderes under hvile og TVA. I tillegg er hver halvkule stimulert mens bilaterale CMR av hver muskel vurderes samtidig. Videre bruker samme hot spot for å vurdere en enkelt muskel CMR, hver muskel aktiveringspunktet bestemmes ved hjelp av et standardisert rutenett, som ble lagt over Ben kortikale representasjon, og er definert som øyeblikkelig med største amplituden og korteste ventetid43. Selv om den relative frekvens metoden er mye brukt til å måle motor terskelen til en muskel68, bruker denne protokollen en adaptiv terskel-jakt måte for å redusere eksperimentelle varighet og totalt antall stimuli gjelder per økt44. Redusere varigheten av dataanalyse og standardisere beregningen av CMR tiltak, brukes til slutt en automatisert analyse metode.

Fremtidige studier kan bruke denne protokollen til ytterligere belyse kortikale kontroll av TA og SOL i både nevrologisk intakt og svekket kohorter. Et slikt program finnes protokollen er tilordningen av disse to musklene. Selv om noen studier undersøkt motor kortikale området TA81,82,83,84, rapportert bare én studie i motoren kortikale området av SOL fra en enkelt pasient med fokal kortikale dysplasia85. Et vanlig kjennetegn som alle disse studiene deler er bruk av samme neuronavigated TMS-systemet, som er forskjellig fra systemet brukes i denne protokollen. Men dette systemet er svært kostbart, og det er vanligvis funnet i klinisk innstillinger, for eksempel sykehus. Ved å endre den nåværende protokollen, kan fremtidige studier systematisk undersøke og etablere normative data kortikale kartlegging tiltak for TA og SOL i nevrologisk intakt voksne. Slike funn vil etablere som motor kartlegging tiltak bør brukes spesielt kvantifisere motor representasjoner av hver muskel. En annen potensiell program av nåværende protokollen er vurdering av disse to muskler før og etter en operasjon eller en intervensjon (f.eks opptreden: utøvelse; nevrofysiologiske: repeterende TMS Transkraniell likestrøm stimulering - TDCS) og under restitusjonsperioden i atletisk eller klinisk kohorter. Dette vil tillate rehabilitering forskere til å bestemme hvordan en operasjon eller en intervensjon kan endre kortikale stasjonen av disse to muskler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker Dr. Jesse C. Dean for å hjelpe med metodiske utvikling og gi tilbakemelding på et utkast til manuskriptet. Dette arbeidet ble støttet av en VA karriere Development Award-2 RR & D N0787-W (MGB), institusjonelle Development Award fra National Institute of General Medical Sciences av NIH under bevilgning nummer P20-GM109040 (SAK) og P2CHD086844 (SAK). Innholdet representerer ikke synspunktene til Department of Veterans Affairs eller myndighetene i USA.

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

Nevrovitenskap problemet 144 Transkraniell magnetisk stimulering corticospinal strøk tibialis fremre soleus tonic frivillig aktivisering nevrofysiologi corticomotor svar hjernen neuronavigation
Bilaterale vurdering av Corticospinal veier ankel muskler med navigert 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