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Neuroscience

Navegou de avaliação bilateral das vias corticoespinhal dos músculos do tornozelo utilizando estimulação magnética transcraniana

doi: 10.3791/58944 Published: February 19, 2019

Summary

O presente protocolo descreve a avaliação simultânea, bilateral da resposta corticomotor do sóleo e tibial anterior durante a ativação voluntária resto e tônico, usando uma estimulação magnética de transcranial de pulso único e neuronavigation sistema.

Abstract

Os músculos da perna distal recebem entrada neural do motor áreas corticais através do trato corticoespinhal, que é um do caminho descendente motor principal em seres humanos e podem ser avaliados usando a estimulação magnética transcraniana (TMS). Dado o papel dos músculos da perna distal em tarefas posturais e dinâmicas na posição vertical, como caminhar, um crescente interesse de pesquisa em avaliação e modulação do trato corticoespinhal em relação a função destes músculos surgiu na última década. No entanto, parâmetros metodológicos utilizados em trabalhos anteriores têm variado através de estudos, fazendo com que a interpretação dos resultados de estudos transversais e longitudinais menos robusto. Portanto, o uso de um protocolo padronizado de TMS específico para a avaliação da resposta de corticomotor dos músculos da perna (CMR) permitirá comparação direta dos resultados através de estudos e coortes. O objetivo deste trabalho é apresentar um protocolo que fornece a flexibilidade para avaliar simultaneamente a CMR bilateral dos dois músculos tornozelo principal antagonista, o tibial anterior e sóleo, usando o pulso único TMS com um sistema de neuronavigation. O presente protocolo é aplicável enquanto o músculo examinado é totalmente relaxado ou isometricamente contraiu um percentual definido de contração voluntária isométrica máxima. Usar ressonância magnética do cada sujeito com o sistema neuronavigation garante exatos e precisos de posicionamento da bobina sobre as representações corticais da perna durante a avaliação. Dada a inconsistência na CMR derivado medidas, este protocolo descreve também um cálculo padronizado destas medidas usando algoritmos automatizados. Embora este protocolo não é conduzido durante tarefas posturais ou dinâmicas na posição vertical, ele pode ser usado para avaliar bilateralmente qualquer par de músculos da perna, ou antagônicos ou sinérgicos, em indivíduos neurologicamente intactos e prejudicados.

Introduction

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Tibial anterior (TA) e sóleo (SOL) são músculos antagónicos do tornozelo, localizados no compartimento anterior e posterior da perna, respectivamente. Ambos os músculos são uniarticular, enquanto a principal função do TA e o SOL é dorsiflex e plantarflex articulação talocrural, respectivamente1. Além disso, TA é mais funcional para excursões de músculo longo e menos importante para a produção de força, Considerando que o SOL é um músculo de antigravidade projetado para gerar força elevada com pequena excursão do músculo2. Ambos os músculos são especialmente relevantes durante tarefas de postural e dinâmica vertical (por exemplo, andar)3,4. Em matéria de controlo neural, as piscinas motorneuron de ambos os músculos recebem unidade neural do cérebro através do motor decrescente5,vias6, além de vários graus de unidade sensorial.

O motor principal, descendo o caminho é o trato corticoespinhal, que origina as áreas motor primárias, cortéx e complementares e termina no espinhal motorneuron piscinas7,8. Em humanos, o estado funcional deste trato (corticomotor resposta - CMR) pode ser viável avaliado utilizando estimulação magnética transcraniana (TMS), uma estimulação cerebral não-invasiva ferramenta9,10. Desde a introdução da TMS e dada a sua importância funcional durante tarefas postural na posição vertical e andando, CMR de TA e SOL foram avaliadas em várias tarefas e coortes11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,,27,28,29,30,31,32 .

Em contraste com a avaliação da CMR na extremidade superior músculos33, nenhum protocolo universal de TMS foi estabelecido para a avaliação da CMR, nos músculos da baixo-extremidade. Devido à falta de um protocolo estabelecido e a grande variabilidade metodológica através de estudos anteriores (por exemplo, o tipo de bobina, uso de neuronavigation, nível de ativação tônica, testes de lado e músculo, usar e medidas de cálculo da CMR, etc. ), a interpretação dos resultados através de estudos e coortes podem ser complicado, complicado e impreciso. Como as medidas são funcionalmente relevantes em várias tarefas motoras, um protocolo estabelecido de TMS específico para reduzir a avaliação de extremidade CMR permitirá neurocientistas motor e cientistas de reabilitação avaliar sistematicamente a CMR nestes músculos através sessões e várias coortes.

Portanto, o objetivo do presente protocolo é descrever a avaliação bilateral de TA e SOL CMR usando sistema TMS e neuronavigation de pulso único. Em contraste com o trabalho anterior, este protocolo visa maximizar o rigor dos procedimentos experimentais, aquisição de dados e análise de dados empregando fatores metodológicos que otimizam a validade e a duração do experimento e padronizar a CMR avaliação destes dois músculos de extremidade inferior. Dado que a CMR de um músculo depende do músculo é totalmente relaxado ou é parcialmente ativado, este protocolo descreve como o TA e o SOL CMR podem ser avaliada durante a ativação voluntária do resto e tônico (TVA). As seções a seguir descreverá minuciosamente o presente protocolo. Finalmente, dados representativos serão apresentados e discutidos. O protocolo descrito aqui é derivado que em Charalambous et al . 201832.

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Protocol

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Todos os procedimentos experimentais apresentados no presente protocolo tenham sido aprovados pelo Conselho de revisão institucional local e estão em conformidade com a declaração de Helsinque.

1. autorização de processo e questionários de segurança

  1. Antes de qualquer experiência, explica a cada sujeito a aim(s) do estudo, os principais procedimentos experimentais e quaisquer potenciais fatores de risco associados participaram do estudo. Depois de responder a quaisquer questões ou preocupações que possam ter assuntos, pergunte assuntos para reconhecer o processo de consentimento e assinar o formulário de consentimento informado.
  2. Administre MRI34 e questionários de triagem de segurança35 TMS para garantir segurança e qualificação para MRI e TMS testes dos sujeitos. Exclua todos os assuntos que não satisfazem todos os critérios de segurança da avaliação tanto MRI e TMS.

2. ressonância e preparação do sistema Neuronavigation

  1. Administre a avaliação de MRI antes da TMS avaliação32. Tenho assuntos deitar em uma posição supina com uma almofada sob seus joelhos para garantir uma postura confortável. Instrua indivíduos para manter ainda no scanner.
    1. Fornece proteção de orelha para os sujeitos para atenuar o barulho do scanner. Preferencialmente, usar tampões para os ouvidos sobre aquecedores de orelha devido ao uso de entalhe supratragic bilateral para o registo de assunto-imagem no sistema neuronavigation (ver 5.2).
    2. Obter imagens de alta resolução do cérebro anatômica T-1 ponderada (requisitos mínimos: espessura da fatia de 1 mm e cérebro completo e cobertura cerebelar), ou como arquivos NFTI ou DICOM. Garantir esse nariz é totalmente incluído nas imagens devido ao uso da ponta do assunto do nariz para o registo de assunto-imagem no sistema neuronavigation (ver 5.2).
  2. Upload de arquivos de MRI em um sistema de neuronavigation. Co Registre manualmente RM do cada assunto para comissuras anteriores e posteriores, para que MRI do assunto pode ser mapeado usando o atlas do Instituto Neurológico de Montreal.
    1. Reconstrua a pele e o cérebro completo curvilínea modelo, ajustando a caixa delimitadora ao redor do tecido do crânio e cérebro, respectivamente. Identificar quatro pontos anatômicos (ponta do nariz, nasion - ponte do nariz e entalhe de supratragic da orelha esquerda e direita) usando a pele do modelo (ver figura 1A).
    2. Coloque uma grade retangular sobre área cortical motor de perna em cada hemisfério usando o cérebro curvilíneo reconstruído (ver figura 1B). Posicione a linha centrada da grelha no centro e sobre o giro da perna motor cortical área onde o trato corticoespinhal que inervam a perna motor piscinas originam36. Posição da coluna medial da grade paralela e adjacente à parede medial do hemisfério ipsilateral.
    3. Use uma abordagem baseada no córtex, no qual o erro na orientação tem um efeito negligenciável sobre a estimulação local37 em vez de usar uma abordagem de destino baseado no couro cabeludo em que qualquer erro na orientação pode alterar o local de estimulação. Use esta grade para localizar o ponto quente. Para o mapeamento do motor, usar grades maiores por somando mais pontos e/ou aumentar a distância entre pontos (por exemplo, 10 mm).

3. preparação e colocação de assunto

  1. Medir as respostas eletrofisiológicas por pulso único TMS usando um total de 4 eletrodos de EMG de superfície. Para a preparação e a colocação dos eletrodos, use orientações publicadas38,39 e colocação completa enquanto o assunto está em uma posição ereta.
    1. Prepare a área sobre a qual cada eletrodo seria colocado pelo barbear e levemente esfoliante quaisquer células mortas da pele e óleos usando cotonetes de álcool.
      Cuidado: Para os indivíduos a tomar anticoagulantes (por exemplo, pessoas acidente vascular cerebral), tenha cuidado durante a preparação da pele, devido ao potencial risco de hemorragia.
    2. Coloque eléctrodos bilateralmente na TA. Enquanto na posição em pé, pedir temas para levantar os dedos dos pés para cima e coloque o eletrodo no terço superior da linha entre a cabeça da fíbula e maléolo medial (ou seja, muscular barriga imediatamente lateral à crista da tíbia).
    3. Coloque eléctrodos bilateralmente no SOL. Enquanto na posição em pé, peça o assunto para realizar aumento de calcanhar e em seguida coloque o eletrodo no terço inferior da linha entre o maléolo lateral e o côndilo femoral lateral.
    4. Anexe o eletrodo passivo chão referência a patela ou o maléolo lateral. Dependendo da unidade de aquisição de EMG, coloque os eletrodos de terra bilateralmente ou unilateralmente.
  2. Teste de colocação dos eléctrodos e a qualidade do sinal.
    1. Teste de colocação dos eléctrodos (por exemplo, para impulsos de EMG claro visualmente detectáveis) pedindo o assunto para dorsiflex ou plantarflex o tornozelo em uma postura ereta enquanto exibindo o sinal EMG bruto de todos os músculos testado na tela do computador. No caso de um eletrodo descabido, remover e substituí-lo até que haja claras rajadas de EMG visualmente detectáveis com ruído de fundo mínimo. Um sinal adequado à relação de ruído é crítico na detecção de uma resposta motora (> 50 µV).
    2. Teste a qualidade do sinal (por exemplo, para o ruído da linha de base), descarregando as unidades TMS para algumas vezes enquanto a bobina do TMS é mantida longe o sujeito sentado e com os músculos em repouso. Verifique se o sinal de linha de base para cada canal de EMG é próximo de zero (ou seja, a amplitude pico-a-pico deve ser inferior a 50 µV e não há nenhum ruído de linha de base, tais como 50 ou 60 Hz zumbido de linha de energia). Se o ruído da linha de base está presente em um canal, remover o eletrodo correspondente e repita os procedimentos de preparação de pele. Se o ruído ainda está presente (ou seja, a amplitude pico-a-pico > 50 µV), ajuste a posição do eletrodo de referência e substituir o gel de eletrólito.
  3. Prenda todos os eletrodos, usando fita de espuma leve Pre-wrap. Durante todo o experimento, verificar periodicamente para assegurar que os eletrodos são encaixados e que o sinal tem boa qualidade.
  4. O assunto em uma cadeira do assento. Para garantir a colocação de pés consistente em temas, seguros os dois pés no andar de botas (ou seja, órtese tornozelo pé) que permitem que o tornozelo ROM ser ajustado para uma posição específica e fornecer resistência durante o teste de TVA. Ajuste os ângulos do quadril e o joelho para evitar o desconforto do assunto. Instrua o sujeito a manter ainda durante todo o experimento. Use um resto de testa anexado à cadeira para manter assuntos ainda durante a aplicação do TMS, se disponível.

4. TVA testes

  1. Determine bilateralmente a contração isométrica voluntária (CIVM) máxima de cada músculo. Para cada movimento (i.e., dorsiflexão e plantarflexion), instruir assuntos màxima contrair o músculo examinado contralateral (por exemplo, TA certo) 4 vezes (~ 5 contrações de s separaram por 60 s de resto) enquanto o sujeito está sentado na postura acima descrito.
  2. Calcular o valor de atividade muscular máximo durante cada CIVM (ou seja, a média dentro de uma janela de 100 ms, centralizada em torno do EMG retificado e suavizado máximo) dos três últimos ensaios, a média dos três valores e os 15 ± 5% de cada músculo é média CIVM.
    Cuidado: Pode ser usado um maior % CIVM, mas pode não ser viável em coortes clínicas (por exemplo, pessoas acidente vascular cerebral).

5. registo no sistema de Neuronavigation

  1. Coloque o rastreador de assunto, uma bandana ou copos, com marcadores reflexivos sobre a cabeça do lado oposto do hemisfério estimulado para que o tracker não constitua posicionamento da bobina durante a estimulação de cada ponto de grade.
    Atenção: No caso que um arco é usado, certifique-se que é confortavelmente sobre o assunto cabeça, ainda não excessivamente apertado porque pode causar uma dor de cabeça após um período prolongado de tempo.
  2. Verificar a posição correta da câmara de captura de movimento, colocando o tracker do assunto, o ponteiro e o rastreador de bobina em seu espaço de volume de captura. Execute o registro do assunto-imagem, colocando a ponta do ponteiro sobre os 4 landmaks anatômicas (ver figura 1A).
  3. Uma vez que todos os pontos anatômicos são amostrados, verificar se o registro ocorreu com precisão, colocando a ponta do ponteiro em vários pontos sobre o crânio do sujeito (ou seja, fase de validação). Se a distância entre a ponta do ponteiro para a pele reconstruída é inferior a 3 mm, proceder-se à experiência TMS; caso contrário, repita o registro do assunto-imagem até são obtidos os valores de erro desejado. Durante o experimento, mudou-se a repetição registro se o tracker do assunto é acidentalmente.

6. TMS

  1. Use os mesmos parâmetros metodológicos durante o descanso e TVA.
    1. Aplicam-se estímulos de impulso único no local ideal (ou seja, o ponto quente; ver o parágrafo seguinte para mais detalhes) do músculo examinado. Aplica a cada estímulo aleatoriamente cada 5-10 s para evitar a antecipação de estímulo e para minimizar os efeitos de transição do impulso anterior os subsequentes um40.
    2. No caso que duas unidades TMS são usadas simultaneamente, definir as unidades em qualquer o modo padrão ou simultânea41. O modo padrão se aplica um pulso mais fraco do que uma única unidade, Considerando que o modo simultâneo se aplica um pulso mais forte do que uma única unidade. O uso de qualquer um podia ser baseado nas necessidades do protocolo e o número total de estímulos.
    3. Use uma bobina de duplo cone para induzir uma corrente intracraniana posteroanterior. Se necessário, use o sistema de neuronavigation para controlar a bobina manualmente e correto sua posição em relação a desejada estimulada local antes de cada estímulo.
    4. Através de sessões e assuntos, randomize a ordem do músculo examinado e hemisfério. Sempre Administre a condição de TVA após a condição de descanso para evitar qualquer interferência com o teste em repouso (por exemplo, a fadiga das vias decrescentes devido a TVA testes).
  2. Determine bilateralmente o ponto quente de ambos os músculos.
    1. Encontrar a intensidade de suprathreshold, que será usada durante a caça do ponto quente, aplicando um único estímulo sobre o ponto centralizado ao lado da fissura inter-hemisféricas (ver quadrados azuis e vermelhos na figura 1B). Usar este ponto porque ele está localizado no locus da perna área motor36,42.
    2. Começar em baixa intensidade (por exemplo, saída de estimulador de máximo de 30%; MSO) e aumentar gradualmente a intensidade do TMS por incrementos de 5%, até atingir a intensidade que elicia um potencial evocado motor (MEP) com uma amplitude de pico-a-pico maior que 50 µV em todos os músculos examinados contralaterais para 3 estímulos consecutivos.
    3. Determinar imediatamente após cada estímulo se um MEP suscitou baseado em ambas as formas de onda crus e amplitudes de pico-a-pico (janela de pesquisa: início de post-TMS de 20-60 ms) de todos os examinados os músculos.
    4. Aplica um pulso TMS em cada ponto da grade (totais 36 estímulos). Após a conclusão do protocolo de ponto quente, transferi os valores de amplitude e latência de cada ponto para músculos todos contralaterais em uma planilha e tipo amplitude de alta para baixa e latência de baixa para alta. Identifica o ponto quente do contralateral TA e SOL como a localização na grade com a amplitude maior e a menor latência de43.
      Atenção: Se a maior amplitude e latência mais curta não são no mesmo lugar, defina o ponto de acesso usando a maior amplitude.
  3. Determine bilateralmente que cada músculo descanso do limiar motor (RMT).
    1. Selecione o ponto de grade no sistema neuronavigation que corresponde ao ponto do músculo examinado.
    2. Use um método de caça-limiar adaptativo para determinação de RMT dos músculos examinados44. Definir o tamanho inicial da intensidade e passo em 45 e 6% MSO, respectivamente,32. Execute a caça RMT duas vezes para cada músculo e use a média para a avaliação subsequente do CMR.
  4. Avalie bilateralmente TA e SOL CMR durante o resto.
    1. Selecione o ponto de grade no sistema neuronavigation que corresponde ao ponto do músculo examinado. Aplica 10 pulsos único do TMS no RMT 1.2 do músculo examinado.
    2. Antes de cada estímulo, instrua o sujeito a ficar quieto e relaxar os músculos examinados bilateralmente e monitorar a atividade de todos os músculos usando um feedback visual em tempo real exibindo na tela do computador. No caso de qualquer músculo é ativo, antes ou depois da TMS, descartar o julgamento e aplicar um pulso único adicional. Repita até 10 formas de onda para cada músculo contralateral examinado no resto foram recolhidas.
  5. Avalie bilateralmente o TA e o SOL CMR durante a TVA.
    1. Selecione o ponto de grade no sistema neuronavigation que corresponde ao ponto do músculo examinado.
    2. Pergunte sujeitos a contrair o músculo examinado em 15 ± 5% CIVM e aplicar 10 pulsos TMS único em 1.2 RMT. Instruir indivíduos para manter a linha móvel suavizada (raiz quadrada amplitude de 0.165 s) do músculo examinado, SOL, ou TA dentro os dois cursores horizontais (gama de CIVM: 15 ± 5%) e sustentar essa contração nesse nível por alguns segundos.
    3. Quando TA é o músculo examinado, pergunte assuntos para puxar ligeiramente contra baixo em sua perna contralateral (ou seja, a perna com o músculo examinado contralateral hemisfério estimulado). Quando o SOL é o músculo examinado, pergunte-se temas para empurrar um pouco para baixo contra a bota na perna contralateral.
    4. Monitorar a atividade muscular do músculo ativo examinada e os restantes músculos repouso usando um feedback visual em tempo real exibir na tela do computador. Descartar que o estímulo e aplicar um pulso único adicional novamente no caso de atividade do músculo examinado está abaixo ou acima do intervalo predeterminado ou qualquer outro músculo é ativado. Colete 10 ensaios enquanto o músculo examinado é ativado no intervalo predeterminado.

7. análise de dados

  1. Para todas as medidas CMR exceto RMT, calcular o valor de cada medida de cada varredura MEP (a duração total deve ser de pelo menos 500 ms, com duração de pre-estímulo mínimo 100 ms) para todos os músculos e então a média desses 10 valores para obter um valor único (ou seja, dizer)32. Amplitude e período de silêncio cortical (CSP) são medidas de excitabilidade proxy da CMR, Considerando que a latência é uma medida de conectividade do proxy da CMR. Para descanso e TVA, normalize a latência em relação à altura de cada sujeito, como latência é influenciada pela distância para o músculo examinado45.
  2. Calcule a amplitude do MEP e latência durante o resto.
    1. Calcule a amplitude (MV) partir do EMG bruto como a maior diferença entre picos positivos e negativos (ou seja, pico-a-pico) do Eurodeputado. Para estes dois músculos particulares, procure pico-a-pico dentro de uma janela de tempo de 20-60 ms após o início da TMS.
      Atenção: Embora a janela de busca do MEP de 20-60 ms pode funcionar para indivíduos neurologicamente intactos e pessoas acidente vascular cerebral, mais amplo MEP busca windows (por exemplo, 20-75 ms) podem ser necessárias para outras populações neurológicas (por exemplo, esclerose múltipla).
    2. Calcular a latência (ms) partir do EMG retificado como o tempo entre o início do TMS e aparecimento MEP (ou seja, o tempo quando um EMG retificado traçar primeiro cruza um limite predeterminado - dizer mais três desvios-padrão de EMG de pre-estímulo a 100 ms)32 , 46.
  3. Calcule a amplitude, latência e CSP MEP durante a TVA.
    1. Calcule a amplitude (MV) partir do EMG bruto como a maior diferença entre picos positivos e negativos (ou seja, pico-a-pico) do Eurodeputado. Para estes dois músculos particulares, procure pico-a-pico dentro de uma janela de tempo de 20-60 ms após o início da TMS.
    2. Calcule a latência (ms) partir do EMG retificado como o tempo entre o início do TMS e aparecimento MEP.
      1. Calcule o aparecimento MEP diferentemente na TVA do que no resto. Calcular o aparecimento do MEP e deslocamento, encontrando o tempo dois pontos que o rastreamento de EMG retificado cruza o limiar pré-determinado definido com o nível de pre-estímulo 100 ms dizer EMG. Em seguida, encontrar os picos que são pelo menos maiores que a média de EMG o pre- estímulo mais três desvios-padrão e entre aqueles dois tempo pontos. Em seguida, procurar do primeiro pico para pontos de 50 dados (taxa de amostragem de 5000HZ) antes de pico para o tempo que o rastreamento de EMG retificado primeiro cruza o limiar do médio pre-estímulo EMG. Defina esse tempo como o aparecimento MEP32.
    3. Calcular CSP (ms) a partir do EMG retificado como o tempo entre o deslocamento do MEP e a retomada de EMG (i.e., CSP absoluto: exclusão da duração do MEP)47. Busca do último pico de 200 os pontos de dados (taxa de amostragem de 5000HZ) após esse pico para o tempo que o rastreamento de EMG retificado última cruzou o limiar da EMG de pre-estímulo a média; Defina o tempo como o deslocamento do MEP. Em seguida, calcule a retomada do EMG da linha de base, que é o tempo que o rastreamento de EMG retificado última cruza 25% da média EMG pre-estímulo32.

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Representative Results

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Figuras 2-4 apresentam dados de um homem de 31 ano de idade neurologicamente representativo com altura e peso de 178 cm e 83 kg, respectivamente.

A Figura 2 apresenta os focos bilaterais e RMT de cada músculo do tornozelo. Usar o ponto localizado no centro da área de perna em cada hemisfério (ver quadrados na figura 1B), a intensidade de 45% MSO bilateralmente foi usado para a caça de ponto quente. A localização do ponto de acesso para cada músculo diferia entre os hemisférios, no entanto, como antecipado todos os quatro pontos de acesso foram localizados em áreas corticais motor de perna. Esta constatação indica que TA e o SOL não podem compartilhar o mesmo ponto quente; Portanto, CMR de cada músculo deve ser avaliada usando o ponto de acesso de cada músculo em vez de usar o mesmo ponto de acesso para ambos os músculos. RMT bilateral foi determinado para cada músculo, usando um método de caça-limiar adaptativo. O número de estímulos aplicados para determinação de RMT variou de 6 a 22 estímulos. A diferença entre os dois valores RMT de cada músculo variou entre 1% e 3% MSO. Combinar estes resultados sugere que usar um método de caça-limiar adaptativo pode ser uma abordagem eficiente para determinar o RMT de um músculo do tornozelo com baixa variabilidade. Além disso, todos os RMTs foram inferiores a intensidade usada para caça de ponto quente (linha tracejada na Figura 2). Esta constatação indica que usar o local situado na área de motor de perna (ver quadrados na figura 1B), para determinar uma intensidade suprathreshold "verdade" é viável.

A Figura 3 apresenta as respostas bilaterais de TA e SOL quando o ponto de acesso de cada músculo foi estimulado durante o resto. Para todos bilaterais pontos quentes estimulados, contralaterais deputados foram eliciados em TA e SOL. No entanto, as respostas e latências eram sempre maiores e mais curto em TA do que no SOL, respectivamente, independentemente ponto quente do músculo que foi estimulado. Ipsilaterais respostas estavam presentes principalmente em TA e quando estimulado hot spot foi proximal à fissura inter-hemisféricas (ver Figura: 2A – TA hot spot, 2B – ambos os músculos ponto quente). Por outro lado, respostas ipsilaterais estavam ausentes em ambos os músculos quando o lado estimulado ainda mais era lateral da fissura inter-hemisféricas (> 10 mm) (ver Figura 2A – ponto quente do SOL).

A Figura 4 apresenta as respostas bilaterais de TA e SOL quando o ponto de acesso de cada músculo foi estimulado durante a TVA. Como no resto, contralaterais deputados foram eliciados em TA e SOL para todos os sites estimulados bilaterais durante um 15 ± 5% CIVM. Apenas o músculo examinado foi ativado; Portanto, os restantes três músculos estavam em repouso. CSP estava presente apenas no músculo ativado examinado, tanto o TA e o SOL. Como no resto, TMS sobre TA certo e esquerda SOL hot spots também suscitou respostas ipsilaterais; as respostas estavam presentes apenas no TA ipsilateral (ver Figura 4A,D). Por outro lado, TMS sobre o SOL direito e esquerdo TA hot spots suscitou apenas os deputados contralaterais. Curiosamente, respostas tardias no SOL contralateral estava presente somente quando TA foi ativado; as respostas estavam presentes bilateralmente, ocorreu entre 80-100 ms post-TMS e tinha amplitudes maiores do que os deputados (ver † na Figura 4A, C ). Estas respostas tardias com faixa de 70-100 ms post-TMS anteriormente foram relatadas para ser prevalente em SOL apenas com TA TVA (0-40% CIVM)48,49.

Descansando e condições TVA foram semelhantes em que respostas ipsilaterais foram eliciadas quando certos pontos quentes foram estimulados. A presença de respostas ipsilaterais potencialmente poderia ser o resultado da estimulação de uma via de oligosynaptic (por exemplo, do trato córtico-retículo-espinhal) ou a propagação do pulso é atual. É uma abordagem para distinguir entre as duas causas possíveis para calcular a diferença de latência entre as respostas ipsilaterais e contralaterais. Estudos anteriores do TMS têm especulado que uma resposta ipsilateral de > 3 ms de atraso em relação a resposta contralateral é Eurodeputado ipsilateral (iMEP), e o pathway potencial poderia ser o trato córtico-retículo-espinhal (i.e., oligosynaptic via )50,,51,52,53,54. Por outro lado, qualquer resposta ipsilateral com um atraso mais curto pode ser o resultado da corrente do pulso; Consequentemente, tal resposta não pode ser um iMEP. Durante o resto, respostas ipsilaterais tinham latências semelhantes como respostas contralaterais (ver Figura 3A, C e D). Assim, estas respostas foram, provavelmente, não iMEPs, mas eram provavelmente provocada devido à propagação do pulso de corrente aplicada adjacente à fissura inter-hemisféricas. Quando o TA certo e o SOL esquerdo foram activadas durante a TVA, ipsilaterais respostas eram apenas suscitou no TA e foram atrasadas por > 3 ms em comparação com a resposta contralateral (ver Figura 4A, D). Estas respostas podem ser iMEPs, o que pode indicar a estimulação do tracto córtico-retículo-espinhal. Em resumo, respostas ipsilaterais são comuns quando a área de motor de perna é estimulada,55; Portanto, devem ser tomadas precauções quando estas respostas são interpretadas como iMEPs.

Figure 1
Figura 1: reconstruída modelos cerebrais pele e curvilíneo. (A) um modelo de pele com quatro pontos anatômicos (ponta do nariz, nasion e supratragic entalhe do ouvido direito e esquerdo) é usado para calcular o registro do assunto-imagem durante a avaliação, colocando a ponta de um ponteiro em cada Marco. (B) uma grade retangular de 4 x 9 colocados bilateralmente sobre a perna motor de área cortical. Praças denotam os pontos usados para determinar a intensidade do suprathreshold usada para a caça de ponto quente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: TA Bilateral e manchas de SOL quente e RMT. Em ambos os hemisférios, o símbolo estrela denota o ponto de acesso de cada músculo. Bar parcelas presentes o RMT média das duas avaliações (círculo branco aberto) para cada músculo, enquanto os valores abaixo de cada círculo denotam o número de estímulos aplicados para determinar o RMT usando um método de caça-limiar adaptativo. Linha tracejada indica a intensidade utilizada para a caça de ponto quente (45% MSO). (A) pontos quentes e RMTs do SOL enquanto TMS foi aplicada sobre o hemisfério esquerdo e TA direito/contralateral. TA hot spot foi sobre a área de motor de perna e proximal da fissura inter-hemisféricas Considerando que o ponto quente do SOL foi lateral de 10 mm para TA hot spot. O número de estímulos utilizados para determinar a TA e SOL RMT variou de 6-21 e 9-11, respectivamente. (B) pontos quentes e RMTs do SOL enquanto TMS foi aplicada sobre o hemisfério direito e TA esquerda/contralateral. Como no hemisfério esquerdo, TA hot spot foi sobre a área de motor de perna e proximal da fissura inter-hemisféricas. Ponto quente do SOL foi 7,1 mm póstero-lateral para TA hot spot. O número de estímulos utilizados para determinar a TA e SOL RMT estavam em intervalos de 10-22 e 10-11, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: TA Bilateral e avaliação de SOL CMR - descansar. Para a estimulação de cada ponto de acesso, o EMG do TA bilateral de descanso e SOL foram coletados enquanto é apresentada a forma de onda média de cada músculo (duração total 500 ms; 100 ms pre-TMS). O √ e símbolos X denotam que o MEP ou era presente (> 50 µV) ou ausente (≤ 50 µV), respectivamente. Em caso de presença do MEP, são apresentados os valores da amplitude pico-a-pico (MV) e da latência (ms). Estimulação (A) de direito/contralateral TA hot spot no hemisfério esquerdo. Os deputados foram eliciados em ambos os músculos do tornozelo direito/contralateral, com certo TA tendo maior amplitude e latência mais curta do que o SOL. Dado que o ponto quente estimulado é localizado pela fissura inter-hemisféricas e proximal para a área de motor de perna no hemisfério esquerdo, MEP sobre os músculos do tornozelo esquerdo/ipsilateral também foi eliciada (TA única). (B) estimular o direito/contralateral SOL quente no hemisfério esquerdo local. Os deputados foram eliciados somente nos músculos do tornozelo direito/contralateral; no entanto, TA teve maior amplitude do MEP e latência mais curta do que o sol (C) estimulação de ponto de acesso a esquerda/contralateral do TA no hemisfério direito. Os deputados foram eliciados em ambos os músculos tornozelo contralateral/esquerda e direita/ipsilateral com ambos TA tendo MEP maior amplitudes e latências mais curtas do que de tanto SOL. Este levantamento bilateral de MEP é principalmente devido à localização do ponto estimulado e intensidade suprathreshold. (D) a estimulação da esquerda/contralateral SOL quente no hemisfério direito local. Os deputados foram eliciados em músculos do tornozelo contralateral/esquerda e direita/ipsilateral TA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: TA Bilateral e avaliação de SOL CMR - TVA. Para a estimulação de cada ponto de acesso, o EMG do SOL e TA bilaterais foram coletados enquanto o músculo contralateral examinado foi ativado em 15 ± 5% CIVM. A forma de onda média de cada músculo é apresentada (duração total 500 ms; 100 ms pre-TMS). O √ e símbolos X denotam que o MEP ou era presente (> 50 µV) ou ausente (≤50 µV), respectivamente. Em caso de presença do MEP, são apresentados os valores da amplitude pico-a-pico (MV), latência (ms) e CSP (ms). Estimulação (A) de direito/contralateral TA hot spot no hemisfério esquerdo. Direito TA MEP foi seguido por CSP. MEP foi provocada em contralateral/direita SOL no qual foi também suscitou uma resposta atrasada (†) (amplitude: µV 563; latência: 82,8 ms). MEP foi também suscitou em esquerda/ipsilateral TA, cuja latência é adiada por 5,2 ms em comparação com o direito/contralateral do TA latência. (B) estimular o direito/contralateral SOL quente no hemisfério esquerdo local. Direito/contralateral SOL MEP foi seguido por CSP, e MEP foi também suscitou no contralateral/direita TA. Não há esquerda/ipsilateral deputados foram eliciadas. (C) estimulação da esquerda/contralateral TA hot spot no hemisfério direito. Esquerda TA MEP foi seguido por CSP. MEP foi provocada em esquerda/contralateral SOL no qual foi também suscitou uma resposta atrasada (†) (amplitude: 465 µV; latência: ms 96,3). Não os deputados foram eliciados nos músculos direito/ipsilateral. (D) a estimulação da esquerda/contralateral SOL quente no hemisfério direito local. MEP de SOL esquerda foi seguido por CSP. Os deputados foram eliciados em esquerda/contralateral SOL e direito/ipsilateral TA, cuja latência é adiada por 4,7 ms em comparação com a esquerda/contralateral do TA latência. Não MEP foi provocada em direito/ipsilateral sol clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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Dado o interesse emergente em como o córtex motor contribui para o controle motor dos músculos da perna durante tarefas dinâmicas em várias coortes, é necessário um protocolo padronizado de TMS que descreve a avaliação completa destes músculos. Portanto, pela primeira vez, o presente protocolo fornece procedimentos metodológicos padronizados na avaliação bilateral de dois músculos do tornozelo antagônicas, SOL e TA, durante dois Estados de músculo (descanso e TVA) usando um único pulso TMS com neuronavigation.

Os achados descritos nos pontos de seção de resultados representativos para fora várias etapas essenciais que devem ser considerados. Primeiro, avaliação de CMR destes músculos, bem como outros músculos das pernas, deve ser realizada usando um sistema de neuronavigation, em que ressonância magnética cada sujeito deve ser usada e ponto de acesso de cada músculo deve ser determinado. Neuronavigation pode orientar estimulação de TMS precisa sobre a área de motor do alvo, e quando MRI do assunto é usado, o alvo de motor pode ser estimulada com precisão56,57. Trabalho anterior examinou os efeitos do uso de neuronavigation durante uma avaliação de TMS da extremidade superior músculos58,59,60; as conclusões desses estudos foram misturadas. No entanto, nenhum estudo examinou esse efeito por um músculo de extremidade inferior. Dada a localização das áreas corticais motor de TA e SOL (ou seja,adjacente à fissura inter-hemisféricas em aproximadamente 3-4 cm abaixo da superfície do couro cabeludo)36,42,61, caçando o "verdadeiro" quente local de cada músculo usando uma grade colocada na anatomia do cada assunto aumenta a probabilidade de viável, suscitando um MEP em qualquer músculo, especialmente em sol usando o mesmo protocolo apresentado aqui, recentemente mostramos que os deputados foram com êxito suscitou em ambos TA e o SOL em quase todos os indivíduos (N = 21)32. O segundo passo fundamental é a avaliação bilateral de cada músculo. Em contraste com áreas de motor da extremidade superior, as áreas de motor dois perna são adjacentes uns aos outros, e quando um pulso é aplicado sobre uma área a área oposta pode ser estimulada devido à propagação atual. Portanto, qualquer resposta ipsilateral em qualquer músculo pode indicar a presença de um iMEP (um proxy potencial da via córtico-retículo-espinhal)50 ou apenas uma estimulação direta da área motor oposto de perna. No passado, ipsilaterais respostas TA foram relatadas, no entanto, o site estimulado foi baseado no marco anatômico (10 a 15 mm posterior e lateral de vértice)62. Usando este protocolo, o ponto de acesso de cada músculo pode ser determinado separadamente, e dependendo da localização do ponto de acesso podem ser suscitou respostas bilaterais ou contralaterais (ver Figura 3 e Figura 4). Se a resposta bilateral é um resultado da descida de múltiplas vias ou estimulação de apenas um único percurso requer mais investigação.

O presente protocolo pode ser modificado dependendo do projeto de pesquisa. Enquanto o pulso único TMS é usado no presente protocolo, emparelhado pulso (pulso de teste é precedido por pulso de condicionamento)63,64 também pode ser usado para avaliar as redes intracortical destes músculos dois tornozelo. Da mesma forma, depois de hot spot e determinação de RMT de cada músculo, curvas de entrada-saída bilaterais de cada músculo podem ser adquiridas para avaliar a relação entre a intensidade TMS (entrada) e a amplitude MEP (saída). Para avaliar a CMR de cada músculo, 10 estímulos são aplicados em cada ponto de acesso durante o descanso e TVA, no entanto, relatórios recentes têm sugerido que mais de 10 estímulos devem ser usados para avaliar com fiabilidade o CMR de um músculo65,66. Da mesma forma, mais do que um estímulo por local pode ser aplicado durante a caça de ponto quente (por exemplo, 2-5 estímulos/spot) comparada a um único estímulo por local utilizado no presente protocolo. Aplicando mais do que um estímulo por ponto, o ponto quente de cada músculo pode ser mais determinado de forma fiável. Estudo recente sugeriu que como poucos como dois estímulos por local podem ser suficientes para determinação de ponto quente67. Além disso, em comparação com o método de caça de limiar mais amplamente utilizado, a frequência relativa método68, que se baseia o critério de Rossini-Rothwell69,70, o método de caça-limiar adaptativo é usado na presente protocolo. Embora o método de caça-limiar adaptativo é mais eficiente (ou seja, que menos estímulos são necessários para determinar a RMT) do que o método de frequência relativa, ambos os métodos compartilham semelhantes precisão71. É importante lembrar que todas as modificações acima mencionadas aumenta a contagem total de estímulos aplicados. Por último, o protocolo atual usado o critério de amplitude de pico a pico inferior a 50 µV para avaliar para o ruído da linha de base e para o "verdadeiro" estado de repouso. Descartar qualquer sinal EMG maior que 10 µV (raiz quadrada calculado mais de 100 ms) é uma abordagem alternativa.

Este protocolo tem algumas considerações metodológicas. Em primeiro lugar, a avaliação destes dois músculos é na posição sentada, durante o resto ou TVA. Como mencionado anteriormente, tanto o TA e o SOL são crucialmente importantes durante tarefas posturais na posição vertical e andar. Embora estudos anteriores analisaram TA e SOL CMR durante tarefas posturais vertical14,72,73,,74,75,76 e curta20, 22 , 77 , 78 , 79, a avaliação só foi unilateral e TMS não foi guiada por neuronavigation. Portanto, mesmo se o presente protocolo não é usado durante estas tarefas, pode ainda fornecer uma janela não-invasiva sobre a unidade cortical destes músculos dois tornozelo. Em segundo lugar, o limiar motor ativo (AMT) não foi determinado, porque não há uma metodologia bem estabelecida para essa medida. Dado que AMT está correlacionada com e é inferior a RMT (~ 82%)80, MEP pode ser provocada durante a TVA mesmo quando usando uma intensidade de suprathreshold de RMT. Em terceiro lugar, o uso da ressonância magnética de cada assunto com o sistema neuronavigation pode não ser viável em todos os contextos, devido ao alto custo de obtenção de MRI e o sistema de neuronavigation. No entanto, certos sistemas de neuronavigation incluindo a moeda do presente protocolo, pode ser usado sem MRI do sujeito; Mas a ressonância média é usada. Neste caso, a bobina pode ser ainda precisamente posicionada sobre o local estimulado.

Enquanto trabalho anterior analisou TA e SOL CMR durante várias tarefas em diferentes coortes, nenhum estudo utilizou um protocolo padronizado que examinou esses dois músculos bilateralmente, usando neuronavigation com MRI do cada assunto. Uso de MRI estrutural do cada assunto combinado com um sistema neuronavigation promove a exatidão e precisão de estimulação das representações corticais motor de ambos os músculos. Isto é crucial para as áreas corticais motor de perna. Além disso, dado que a CMR de um músculo depende do músculo é totalmente relaxado ou é parcialmente ativado, este protocolo descreve como o TA e o SOL CMR podem ser avaliada durante o descanso e TVA. Além disso, cada hemisfério é estimulado enquanto o CMR bilateral de cada músculo é avaliada simultaneamente. Além disso, ao invés de usar o mesmo ponto quente para avaliar CMR de um único músculo, ponto de acesso de cada músculo é determinado usando uma grade padronizada, que foi colocada sobre a representação cortical da perna e é definida como o ponto com a maior amplitude e menor latência43. Embora o método de frequência relativa é amplamente utilizado para medir o limiar motor de um músculo68, este protocolo utiliza um método de caça-limiar adaptativo para reduzir a duração experimental e o número total de estímulos aplicados por sessão44. Finalmente, para reduzir a duração da análise de dados e padronizar o cálculo das medidas CMR, uma metodologia de análise de dados automatizado é usada.

Estudos futuros podem usar este protocolo para elucidar ainda mais o controle cortical de TA e SOL em coortes neurologicamente intactos e prejudicadas. Uma tal aplicação do presente protocolo é o mapeamento destes dois músculos. Embora poucos estudos examinaram a área cortical motor de TA81,,82,83,84, apenas um estudo relatou a motor cortical área de SOL de um único paciente com displasia cortical focal85. Uma característica comum que partilham todos estes estudos é a utilização do mesmo sistema TMS neuronavigated, que é diferente do sistema utilizado no presente protocolo. No entanto, este sistema é extremamente caro, e encontra-se geralmente em ambientes clínicos, tais como hospitais. Modificando o presente protocolo, estudos futuros podem investigar sistematicamente e estabelecer dados normativos de medidas de mapeamento cortical para TA e SOL em adultos neurologicamente intactos. Tais achados vão estabelecer quais medidas de mapeamento do motor devem ser usadas para quantificar especificamente as motor representações de cada músculo. Outro potencial de aplicação do presente protocolo é a avaliação destes dois músculos antes e depois de uma cirurgia ou uma intervenção (por exemplo, comportamentais: exercício; neurofisiológica: TMS repetitiva, transcraniana por corrente contínua estimulação - TDCS) e durante o período de recuperação em coortes atléticas ou clínicos. Isso permitirá que os cientistas de reabilitação determinar como uma cirurgia ou uma intervenção pode alterar a unidade cortical destes dois músculos.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores agradecer Dr. Jesse C. Dean para ajudar com o desenvolvimento metodológico e fornecer feedback sobre um rascunho do manuscrito. Este trabalho foi apoiado por um RR de prêmio-2 de desenvolvimento de carreira VA & D N0787-W (MGB), um prêmio de desenvolvimento institucional do Instituto Nacional de General Medical Ciências, do NIH sob número de concessão P20-GM109040 (SAK) e P2CHD086844 (SAK). O conteúdo não representa a opinião do departamento de assuntos de veteranos ou o governo dos Estados Unidos.

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

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Navegou de avaliação bilateral das vias corticoespinhal dos músculos do tornozelo utilizando estimulação magnética transcraniana
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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).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).

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