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Neuroscience

Valutazione bilaterale delle vie Corticospinal dei muscoli della caviglia utilizzando navigato la stimolazione magnetica transcranica

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

Il presente protocollo descrive la valutazione simultanea, bilaterale della risposta corticomotoria del soleo e tibiale anteriore durante l'attivazione volontaria resto e tonico usando una stimolazione magnetica transcranica di singolo impulso e la neuronavigazione sistema.

Abstract

I muscoli delle gambe distale ricevano input neurali da aree corticali motorie attraverso il tratto corticospinale, che è uno del pathway discendente motore principale in esseri umani e possono essere valutati utilizzando la stimolazione magnetica transcranica (TMS). Dato il ruolo dei muscoli delle gambe distale in verticale attività posturale e dinamica, come camminare, un crescente interesse di ricerca nella valutazione e nella modulazione dei tratti corticospinal riguardante la funzione di questi muscoli è emersa nell'ultimo decennio. Tuttavia, i parametri metodologici utilizzati nel precedente lavoro hanno variato attraverso gli studi facendo l'interpretazione dei risultati da studi trasversali e longitudinali meno robusto. Di conseguenza, uso di un protocollo standardizzato di TMS specifico per la valutazione della risposta di corticomotoria dei muscoli delle gambe (CMR) permetterà per un confronto diretto dei risultati attraverso gli studi e le coorti. L'obiettivo di questa carta è di presentare un protocollo che fornisce la flessibilità necessaria per valutare simultaneamente la CMR bilaterale dei muscoli antagonisti a due principali alla caviglia, il tibiale anteriore e il soleo, utilizzo singolo impulso TMS con un sistema di neuronavigazione. Il presente protocollo è applicabile, mentre il muscolo esaminato è completamente rilassato o isometricamente contratto a una percentuale definita di massima contrazione isometrica volontaria. Usando MRI strutturale di ogni oggetto con il sistema di neuronavigazione garantisce accurato e preciso posizionamento della bobina sopra le rappresentazioni corticali gamba durante la valutazione. Dato l'incoerenza nelle misure di CMR derivato, questo protocollo descrive anche un calcolo standardizzato di queste misure utilizzando algoritmi automatizzati. Anche se questo protocollo non è condotto durante attività posturale o dinamica verticale, può essere utilizzato per valutare bilateralmente qualsiasi coppia di muscoli delle gambe, o antagonisti o sinergici, in soggetti sia normali e cerebrolesi.

Introduction

Tibiale anteriore (TA) e soleo (SOL) sono i muscoli antagonistici caviglia situati nel vano anteriore e posteriore della parte inferiore della gamba, rispettivamente. Entrambi i muscoli sono uniarticular, mentre la funzione principale di TA e SOL è a dorsiflettere e plantarflex il giunto talocrural, rispettivamente1. Inoltre, TA è più funzionale per le escursioni lungo muscolo e meno importante per la produzione di forza, mentre SOL è un muscolo antigravità progettato per generare alta forza con piccola escursione del muscolo2. Entrambi i muscoli sono particolarmente rilevanti durante verticale attività posturale e dinamica (ad es., camminare)3,4. Per quanto riguarda controllo neurale, le piscine di motoneurone di entrambi i muscoli ricevono unità neurali dal cervello tramite il motore discendente vie5,6, oltre a vari gradi di unità sensoriale.

Il motore principale scendendo via è il tratto corticospinale, che proviene dalle zone motore primarie, premotorie e supplementari e termina nel motoneurone spinale piscine7,8. In esseri umani, lo stato funzionale di questo tratto (corticomotoria risposta - CMR) può essere valutato concretamente utilizzando la stimolazione magnetica transcranica (TMS), stimolazione cerebrale non invasiva strumento9,10. Dall'introduzione di TMS e dato loro significato funzionale durante attività posturale in posizione verticale e camminare, CMR di TA e SOL sono stati valutati in varie coorti e attività11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

In contrasto con la valutazione della CMR in muscoli del superiore-estremità33, nessun protocollo universale di TMS è stato stabilito per la valutazione della CMR in muscoli del basso-estremità. A causa della mancanza di un protocollo stabilito e la grande variabilità metodologica nell'ambito degli studi precedenti (ad esempio, tipo di bobina, uso di neuronavigazione, livello di attivazione tonica, test lato e muscoli, utilizzare e calcolo della CMR misura, ecc. ), l'interpretazione dei risultati attraverso studi e coorti possono essere ingombrante, complicati e imprecise. Come le misure sono funzionalmente rilevanti in vari compiti motori, un protocollo TMS stabilito specifico per abbassare la valutazione dell'estremità del CMR permetterà motori neuroscienziati e riabilitazione scienziati di valutare sistematicamente il CMR in questi muscoli attraverso sessioni e varie coorti.

Pertanto, l'obiettivo del presente protocollo è di descrivere la valutazione bilaterale di TA e SOL CMR utilizzando il sistema TMS e Neuronavigazione singolo impulso. A differenza di precedenti lavori, questo protocollo mira a massimizzare il rigore delle procedure sperimentali, acquisizione dati e analisi dei dati con l'ausilio di fattori metodologici che ottimizzano la validità e la durata dell'esperimento e standardizzare il CMR valutazione di questi due muscoli dell'arto inferiore. Dato che la CMR di un muscolo dipende se il muscolo è completamente rilassato o parzialmente è attivato, questo protocollo descrive come il TA e SOL CMR può essere valutata durante l'attivazione volontaria resto e tonico (TVA). Le seguenti sezioni descriveranno accuratamente il presente protocollo. Infine, dati rappresentativi saranno presentati e discussi. Il protocollo descritto qui è derivato da quella in Charalambous et al 201832.

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Protocol

Tutte le procedure sperimentali presentate in questo protocollo sono state approvate dal locale Institutional Review Board e sono in conformità con la dichiarazione di Helsinki.

1. consenso processo e sicurezza questionari

  1. Prima di qualsiasi esperimento, spiegare a ciascun soggetto persegue dello studio, le principali procedure sperimentali e qualsiasi potenziali fattori di rischio associati partecipano allo studio. Dopo aver risposto alle domande o preoccupazioni che possono avere soggetti, chiedere soggetti a riconoscere il processo di consenso e firmare il modulo di consenso informato.
  2. Amministrare MRI34 e TMS35 questionari di schermatura di sicurezza per garantire la sicurezza degli oggetti e la qualificazione per test di TMS e di MRI. Escludere tutti i soggetti che non soddisfano tutti i criteri di sicurezza da valutazioni di TMS e di MRI.

2. MRI e la preparazione del sistema di neuronavigazione

  1. Amministrare la valutazione di MRI prima del TMS valutazione32. Sono soggetti si trovano in posizione supina con un cuscino sotto le ginocchia per garantire una postura comoda. Istruire soggetti per mantenere ancora nello scanner.
    1. Fornire una protezione acustica ai soggetti per attenuare il rumore dello scanner. Preferenzialmente utilizzare tappi per le orecchie sopra paraorecchie dovute all'uso di supratragic bilaterale tacca per la registrazione di immagine del soggetto del sistema di neuronavigazione (vedere 5.2).
    2. Ottenere immagini ad alta risoluzione di anatomico del cervello T-1 ponderata (requisiti minimi: fetta di 1 mm di spessore e completo del cervello e copertura cerebellare), sia come file NFTI o DICOM. Garantire che il naso è completamente incluso nelle immagini a causa dell'uso della punta del soggetto del naso per la registrazione di immagine del soggetto nel sistema di neuronavigazione (vedere 5.2).
  2. Caricare file di MRI in un sistema di neuronavigazione. Co-registrazione manuale MRI di ogni oggetto al commissure anteriore e posteriore, così MRI del soggetto possono essere mappati utilizzando l'Atlante di Montreal Neurological Institute.
    1. Ricostruire la pelle e il cervello curvilineo modello regolando il riquadro di delimitazione intorno al tessuto del cranio e del cervello, rispettivamente. Identificare i quattro punti di riferimento anatomici (punta del naso, nasion - ponte del naso e della tacca di supratragic dell'orecchio destro e sinistro) utilizzando la pelle modello (vedere Figura 1A).
    2. Posizionare una griglia rettangolare sopra area corticale motoria gamba presso ogni emisfero usando il cervello curvilineo ricostruito (cfr. Figura 1B). Posizionare la riga al centro della griglia al centro e sopra il gyrus del piedino area corticale motoria dove i tratti corticospinal che innervano gamba motore piscine provengono36. Posizione della colonna mediale della griglia parallela e adiacente alla parete mediale dell'emisfero ipsilateral.
    3. Utilizzare un approccio basato su corteccia in cui errore nell'orientamento ha un effetto trascurabile sul sito di stimolazione37 invece di utilizzare un approccio di destinazione basata sul cuoio capelluto in cui qualsiasi errore in orientamento può alterare il sito di stimolazione. Utilizzare questa griglia per trovare il punto caldo. Per la mappatura del motore, utilizzare griglie più ampie o di aggiunta di più macchie e/o aumentare la distanza tra punti (ad esempio, 10 mm).

3. argomento preparazione e posizionamento

  1. Misurare le risposte elettrofisiologiche di singolo impulso TMS usando un totale di 4 elettrodi di EMG di superficie. Per la preparazione e posizionamento degli elettrodi, è necessario utilizzare linee guida pubblicate38,39 e posizionamento completo mentre il soggetto è in posizione eretta.
    1. Preparare l'area su cui ciascun elettrodo sarebbe stato posto da rasatura e leggermente esfoliante eventuali cellule morte della pelle e oli utilizzando tamponi imbevuti di alcool.
      Attenzione: Per i soggetti su fluidificanti del sangue (ad es., persone post-ictus), prestare attenzione durante la preparazione della pelle a causa del rischio potenziale di sanguinamento.
    2. Collegare gli elettrodi bilateralmente su TA. Mentre in posizione eretta, chiedere soggetti per sollevare le dita dei piedi verso l'alto e quindi posizionare l'elettrodo al terzo superiore della linea tra la testa del perone e malleolo mediale (cioè, muscolo pancia immediatamente laterale alla cresta tibiale).
    3. Collegare gli elettrodi bilateralmente sul SOL. Mentre in posizione eretta, chiedere al soggetto di eseguire tacco rilancio e quindi posizionare l'elettrodo al terzo inferiore della linea tra il condilo femorale laterale e il malleolo laterale.
    4. Collegare l'elettrodo di terra riferimento passivo sulla rotula o malleolo laterale. A seconda dell'unità di acquisizione di EMG, posizionare gli elettrodi di terra unilateralmente o bilateralmente.
  2. Test di posizionamento degli elettrodi e la qualità del segnale.
    1. Test di posizionamento degli elettrodi (ad es., per evidente visivamente rilevabili scoppi di EMG) chiedendo al soggetto di dorsiflettere o plantarflex la caviglia in una postura eretta durante la visualizzazione del segnale EMG grezzo di tutti i muscoli provata sullo schermo del computer. Nel caso di un elettrodo fuori luogo, rimuovere e sostituire fino a quando non vi è chiari scoppi di EMG visivamente rilevabili con rumore di fondo minimo. Un adeguato rapporto segnale-rumore è critico nel rilevare una risposta motoria (> 50 µV).
    2. Testare la qualità del segnale (ad esempio, per il rumore della linea di base) scaricando le unità TMS per un paio di volte mentre la bobina TMS è tenuta lontano dal soggetto seduto e con i muscoli a riposo. Verificare che il segnale di linea di base per ogni canale EMG è vicino allo zero (cioè, l'ampiezza di picco-picco dovrebbe essere meno di 50 µV e non c'è nessun rumore di linea di base, ad esempio 50 o 60 Hz il brusio della linea alimentazione). Se il rumore della linea di base è presente in un canale, rimuovere l'elettrodo corrispondente e ripetere le procedure di preparazione della pelle. Se il rumore è ancora presente (cioè, ampiezza picco-picco > 50 µV), regolare la posizione dell'elettrodo di riferimento e sostituire il gel elettrolita.
  3. Fissare tutti gli elettrodi utilizzando nastro pre-wrap schiuma leggera. In tutto l'esperimento, controllare periodicamente per assicurarsi che gli elettrodi siano saldamente collegati e che il segnale è di buona qualità.
  4. Il soggetto in una sedia del sedile. Per garantire piedi coerente collocazione tra i soggetti, sicuri entrambi i piedi a pochi passi di stivali (cioè, caviglia piede ortesi) che consentono la ROM della caviglia essere regolato in una posizione specifica e fornire resistenza durante i test di TVA. Regolare gli angoli di anca e di ginocchio per evitare il disagio del soggetto. Chiedere al soggetto di mantenere ancora in tutto l'esperimento. Utilizzare un periodo di riposo di fronte associata alla sedia di mantenere i soggetti ancora durante l'applicazione TMS, se disponibile.

4. TVA test

  1. Bilateralmente determinano la contrazione isometrica volontaria massima (MVIC) di ogni muscolo. Per ogni movimento (cioè, dorsiflessione e plantarflexion), istruire soggetti al massimo contrarre il muscolo esaminato controlaterale (ad es., destra TA) 4 volte (contrazioni s ~ 5 separati da 60 s di riposo) quando il soggetto è seduto nella postura descritto in precedenza.
  2. Calcolare il valore di attività muscolare massima durante ogni MVIC (cioè, la media all'interno di una finestra di 100 ms centrata attorno la massima EMG rettificato e levigato) delle ultime tre prove, la media dei tre valori e il 15 ± 5% di ciascun muscolo di media MVIC.
    Attenzione: Una maggiore % MVIC può essere utilizzato, ma può non essere fattibile in coorti cliniche (ad es., persone post-ictus).

5. la registrazione nel sistema di neuronavigazione

  1. Posizionare il tracker di soggetto, o una fascia per capelli o occhiali, con marcatori riflettenti sulla testa del soggetto sul lato opposto dall'emisfero stimolato così il tracker non ostruisca posizionamento della bobina durante la stimolazione di ogni spot di griglia.
    Attenzione: Nel caso che un archetto è utilizzato, assicurarsi che è aderente su soggetto testa, ma non eccessivamente stretto perché può causare un mal di testa dopo un periodo di tempo prolungato.
  2. Verificare la corretta posizione della fotocamera cattura movimento inserendo il tracker di argomento, il puntatore e il tracker di bobina nel suo spazio di volume di cattura. Eseguire la registrazione di immagine del soggetto inserendo la punta del puntatore sul 4 landmaks anatomiche (Vedi Figura 1A).
  3. Una volta che tutti i punti di riferimento anatomici vengono campionati, verificare se la registrazione è stata accuratamente inserendo la punta del puntatore su diversi punti sul cranio del soggetto (cioè, fase di validazione). Se la distanza dalla punta del puntatore alla pelle ricostruita è inferiore a 3 mm, procedere alla TMS esperimento; in caso contrario, ripetere la registrazione di immagine del soggetto fino a quando si ottengono i valori di errore desiderato. Durante l'esperimento, ripetere l'iscrizione se il tracker di soggetto è accidentalmente spostato.

6. TMS

  1. Utilizzare gli stessi parametri metodologici durante il riposo e TVA.
    1. Applicare stimoli singolo impulso sul sito ottimo (vale a dire, il punto caldo; Vedi paragrafo successivo per maggiori dettagli) del muscolo esaminato. Applicare ogni stimolo in modo casuale ogni 5-10 s per evitare anticipazione di stimolo e per ridurre al minimo gli effetti di trascinamento dell'impulso precedente per i successivi40.
    2. Nel caso che due unità di TMS sono utilizzati contemporaneamente, impostare le unità sia presso la modalità standard o simultanea41. La modalità standard si applica un impulso più debole rispetto a una singola unità, mentre la modalità simultanea si applica un impulso più forte rispetto a una singola unità. L'uso di uno dei due potrebbe essere basato sulle esigenze del protocollo e il numero totale di stimoli.
    3. Utilizzare una bobina di doppio cono per indurre una corrente intracranica posteroanterior. Se necessario, utilizzare il sistema di neuronavigazione per controllare manualmente la bobina e corretta posizione rispetto il desiderato stimolato spot prima di ogni stimolo.
    4. Tra sessioni e soggetti, randomizzare l'ordine del muscolo esaminato ed emisfero. Somministrare sempre la condizione di TVA dopo la condizione di riposo per evitare qualsiasi interferenza con test a riposo (ad es., affaticamento delle vie discendente dovuto prova TVA).
  2. Bilateralmente determinare il punto caldo di entrambi i muscoli.
    1. Trovare l'intensità di suprathreshold, che verrà utilizzato durante la caccia di punto caldo, applicando un singolo stimolo sul fixing centrato accanto la Scissura interemisferica (vedere quadrati blu e rossi in Figura 1B). Utilizzare questo posto perché si trova a livello del locus della gamba zona motore36,42.
    2. Iniziare a bassa intensità (ad es., uscita di stimolatore massimo 30%; MSO) e aumentare gradualmente l'intensità TMS di incrementi del 5%, fino a raggiungere l'intensità che suscita un potenziali evocati motori (MEP) con un'ampiezza di picco-picco maggiore di 50 µV in tutti i muscoli esaminati controlaterali per 3 consecutivi stimoli.
    3. Determinare immediatamente dopo ogni stimolo se un deputato è stato suscitato basato sul crude forme d'onda e ampiezza picco-picco (box di ricerca: insorgenza post-TMS 20-60 ms) tutti i muscoli esaminati.
    4. Applicare un impulsi TMS su ogni punto della griglia (Totale 36 stimoli). Dopo il completamento del protocollo punto caldo, trasferire i valori di ampiezza e latenza di ogni spot per i muscoli tutti controlaterali in un foglio di calcolo e ordinamento ampiezza da alta a bassa e la latenza dal più basso al più alto. Identificare il punto caldo della controlaterale TA e SOL come la posizione della griglia con l'ampiezza più grande e la più breve latenza43.
      Attenzione: Se il più grande ampiezza e la latenza più breve non sono nello stesso punto, definire il punto caldo utilizzando l'ampiezza più grande.
  3. Determinare bilateralmente che ogni muscolo riposa soglia del motore (RMT).
    1. Selezionare il punto di griglia del sistema di neuronavigazione che corrisponde al punto caldo del muscolo esaminato.
    2. Utilizzare un metodo di soglia-caccia adattivo per la determinazione di RMT dei muscoli esaminati44. Impostare la dimensione iniziale di intensità e passaggio a 45 e 6% MSO, rispettivamente32. Eseguire la caccia di RMT due volte per ogni muscolo e utilizzare la media per la successiva valutazione di CMR.
  4. Valutare bilateralmente TA e SOL CMR durante il riposo.
    1. Selezionare il punto di griglia del sistema di neuronavigazione che corrisponde al punto caldo del muscolo esaminato. Applicare 10 singoli impulsi TMS a 1,2 RMT del muscolo esaminato.
    2. Prima di ogni stimolo, chiedere al soggetto di stare fermo e rilassare i muscoli esaminati bilateralmente e monitorare l'attività di tutti i muscoli utilizzando un feedback visivo di tempo reale visualizzati sullo schermo del computer. Nel caso in cui qualsiasi muscolo è attivo prima o dopo la TMS, scartare quella prova e applicare un ulteriore singolo impulso. Ripetere fino a 10 forme d'onda per ogni muscolo esaminato controlaterale a riposo sono stati raccolti.
  5. Valutare durante TVA bilateralmente la TA e SOL CMR.
    1. Selezionare il punto di griglia del sistema di neuronavigazione che corrisponde al punto caldo del muscolo esaminato.
    2. Chiedi a in soggetti a contrarre il muscolo esaminato a 15 ± 5% MVIC e applicare 10 singoli impulsi TMS a 1,2 RMT. Istruire soggetti a mantenere la linea in movimento lisciata (radice quadrata media ampiezza di 0.165 s) del muscolo esaminato, o TA o SOL, all'interno di due cursori orizzontali (gamma MVIC: 15 ± 5%) e sostenere che la contrazione a quel livello per alcuni secondi.
    3. Quando TA è il muscolo esaminato, chiedere soggetti a tirare leggermente contro il bootstraps sulla loro gamba controlaterale (cioè, la gamba con il muscolo esaminato controlaterale all'emisfero stimolato). Quando il SOL è il muscolo esaminato, Chiedi soggetti a spingere leggermente verso il basso contro l'avvio sulla gamba controlaterale.
    4. Monitorare l'attività del muscolo del muscolo esaminato attivo e visualizzare i restanti muscoli di riposo utilizzando un feedback visivo in tempo reale sullo schermo del computer. Scartare quello stimolo e applicare un ulteriore singolo impulso nuovamente nel caso in cui l'attività di muscolo esaminato è o sotto o sopra l'intervallo predeterminato o qualsiasi altro muscolo è attivato. Raccogliere 10 prove, mentre il muscolo esaminato è attivato nell'intervallo predeterminato.

7. analisi dei dati

  1. Per tutte le misure CMR tranne RMT, calcolare il valore di ogni misura da ogni sweep MEP (la durata totale dovrebbe essere almeno 500 ms con durata pre-stimolo minimo 100 ms) per tutti i muscoli e poi media questi 10 valori per ottenere un singolo valore (cioè dire)32. Ampiezza e il periodo silenzioso corticale (CSP) sono misure di eccitabilità di proxy della CMR, mentre la latenza è una misura di connettività proxy della CMR. Sia pace e TVA, normalizzare latenza rispetto all'altezza di ogni oggetto, come la latenza è influenzata dalla distanza al muscolo esaminato45.
  2. Calcolare MEP ampiezza e la latenza durante il riposo.
    1. Calcolare l'ampiezza (µV) da EMG crudo come la più grande differenza tra i picchi positivi e negativi (cioè, picco-picco) del deputato. Per questi due muscoli particolari, ricerca di picco-picco entro un intervallo di tempo di 20-60 ms dopo l'inizio di TMS.
      Attenzione: Anche se la finestra di ricerca MEP di 20-60 ms può funzionare per soggetti neurologicamente intatti e persone post-ictus, più ampia MEP ricerca windows (ad esempio, 20-75 ms) potrebbe essere richiesto per altre popolazioni neurologiche (ad es., sclerosi multipla).
    2. Calcolare la latenza (ms) da EMG rettificati come il tempo fra l'inizio TMS e insorgenza MEP (cioè, il tempo quando una EMG rettificate prima traccia attraversa una soglia predeterminata - media plus tre deviazioni standard di 100 ms pre-stimolo EMG)32 , 46.
  3. Calcolare ampiezza MEP, la latenza e CSP durante TVA.
    1. Calcolare l'ampiezza (µV) da EMG crudo come la più grande differenza tra i picchi positivi e negativi (cioè, picco-picco) del deputato. Per questi due muscoli particolari, ricerca di picco-picco entro un intervallo di tempo di 20-60 ms dopo l'inizio di TMS.
    2. Calcolare la latenza (ms) da EMG rettificati come il tempo fra l'inizio TMS e insorgenza MEP.
      1. Calcolare l'insorgenza MEP diversamente in TVA rispetto a resto. Calcolare MEP inizio ed il contrappeso di trovare il tempo di due punti che la traccia di EMG rettificata attraversa la soglia predeterminata impostata sul livello di pre-stimolo 100 ms significa EMG. Quindi, trovare le cime che sono almeno maggiore rispetto alla media di EMG pre-stimolo più tre deviazioni standard e tra quelle due intervalli di tempo. Poi, Cerca il primo picco ai punti 50 dati (frequenza di campionamento di 5000 Hz) prima che il picco per la volta che la traccia di EMG rettificata prima varca la soglia della media EMG pre-stimolo. Definire quel tempo come l' inizio MEP32.
    3. Calcolare il CSP (ms) da EMG rettificati come il tempo tra l'offset MEP e la ripresa di EMG (cioè, CSP assoluto: esclusione di durata MEP)47. Cerca tra l'ultimo picco ai punti 200 dati (frequenza di campionamento di 5000 Hz) dopo che il picco per la volta che la traccia di EMG rettificata Ultima varcato la soglia del EMG pre-stimolo media; definire quel tempo come l'offset MEP. Quindi, calcolare la ripresa di EMG della linea di base, ovvero il tempo che la traccia di EMG rettificata attraversa Ultima 25% della media pre-stimolo EMG32.

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Representative Results

Figure 2-4 presentano i dati da un rappresentanza maschio 31 anni neurologico intatto con altezza e peso di 178 cm e 83 kg, rispettivamente.

Figura 2 presenta i punti caldi bilaterale e RMT di ogni muscolo della caviglia. Utilizza il posto che si trova al centro della zona delle gambe in ogni emisfero (vedere piazze in Figura 1B), l'intensità del 45% MSO bilateralmente è stato usato per la caccia di hot spot. La posizione del punto caldo per ogni muscolo differiva tra gli emisferi, ma come anticipato tutti i quattro punti caldi sono stati situati nelle aree corticali motore gamba. Ciò che trova indica che TA e SOL non può condividere il punto caldo stesso; di conseguenza, CMR di ciascun muscolo dovrebbe essere valutata utilizzando il punto caldo di ogni muscolo anziché utilizzare il punto caldo stesso per entrambi i muscoli. RMT bilaterale è stata determinata per ogni muscolo, utilizzando un metodo adattivo di soglia-caccia. Il numero di stimoli applicati per la determinazione di RMT ha variato da 6 a 22 stimoli. La differenza tra i due valori RMT di ogni muscolo ha variato da 1% a 3% MSO. Combinando questi risultati suggerisce che usando un metodo adattivo di soglia-caccia può essere un approccio efficace per determinare la RMT di un muscolo di caviglia con bassa variabilità. Inoltre, tutti i RMTs erano inferiori l'intensità usata per hot spot caccia (linea tratteggiata nella Figura 2). Ciò che trova indica che utilizza il posto si trova in zona di motore gamba (vedere piazze in Figura 1B) per determinare un'intensità di suprathreshold "vero" è fattibile.

Figura 3 presenta le risposte bilaterali di TA e SOL quando l'area sensibile di ogni muscolo è stata stimolata durante il riposo. Per tutti i punti caldi stimolati bilaterali, i deputati controlaterali sono stati suscitati in TA e SOL. Tuttavia, le risposte e le latenze erano sempre più grandi e più corto in TA rispetto a SOL, rispettivamente, indipendentemente da ciò posto caldo di quale muscolo è stata stimolata. Ipsilaterale risposte erano presenti principalmente in TA e quando il punto caldo stimolato era prossimale alla Scissura interemisferica (Vedi Figura: 2A – TA hot spot, 2B – entrambi muscoli hot spot). Al contrario, le risposte ipsilaterale erano assenti in entrambi i muscoli quando il lato stimolato ulteriormente era laterale dal Scissura interemisferica (> 10 mm) (Vedi Figura 2A – SOL hot spot).

Figura 4 presenta le risposte bilaterali di TA e SOL quando l'area sensibile di ogni muscolo è stata stimolata durante la TVA. Come resto, deputati controlaterali sono stati suscitati sia TA che SOL per tutti i siti stimolati bilaterali durante un 15 ± 5% MVIC. È stato attivato solo il muscolo esaminato; di conseguenza, i muscoli restanti tre erano a riposo. CSP era presente solo nel muscolo attivato esaminato, sia TA e SOL. Come resto, TMS sopra TA destra e sinistra SOL hot spot ha suscitato anche le risposte ipsilaterale; tali risposte erano presenti solo in TA ipsilateral (Vedi Figura 4A,D). Al contrario, TMS sul SOL destro e sinistro TA hot spot ha suscitato solo i deputati controlaterali. Interessante, tardo responses in SOL controlaterale era presente solo quando è stato attivato TA; tali risposte erano presenti bilateralmente, si è verificato tra 80-100 ms post-TMS e aveva grandi ampiezze che i deputati europei (vedere † in Figura 4A, C ). Queste risposte tardi con gamma di 70-100 ms post-TMS precedentemente sono state segnalate per essere prevalente in SOL solo con TA TVA (0-40% MVIC)48,49.

Riposo e condizioni TVA erano simili in quanto le risposte ipsilaterale sono state suscitate quando alcuni punti caldi sono stati stimolati. La presenza di risposte ipsilaterale potenzialmente potrebbe essere il risultato della stimolazione di una via di oligosynaptic (ad es., del tratto cortico-reticolo-spinale) o la diffusione dell'impulso di corrente. Un approccio per distinguere tra le due possibili cause consiste nel calcolare la differenza di latenza tra le risposte omolaterale e controlaterale. Gli studi precedenti di TMS hanno ipotizzato che una risposta ipsilateral di > 3 ms ritardo rispetto la risposta controlaterale è un deputato ipsilateral (iMEP), e la via potenziale potrebbe essere il tratto cortico-reticolo-spinale (cioè, oligosynaptic via )50,51,52,53,54. Al contrario, qualsiasi risposta ipsilateral con un ritardo più breve potrebbe essere il risultato di corrente di impulso; Pertanto, tale risposta non può essere un iMEP. Durante il riposo ipsilaterale risposte avevano latenze simili come risposte controlaterale (Vedi Figura 3A, C e D). Così, queste risposte non erano probabilmente iMEPs, ma erano probabilmente ha suscitato a causa della diffusione dell'impulso di corrente applicata adiacente la Scissura interemisferica. Quando il TA destro e la sinistra SOL sono stati attivati durante TVA, ipsilaterale risposte solo sono state suscitate in TA e furono ritardate da > 3 ms rispetto alla risposta controlaterale (Vedi Figura 4A, D). Queste risposte potrebbero essere iMEPs, che potrebbe indicare la stimolazione del tratto cortico-reticolo-spinale. In sintesi, risposte ipsilaterale sono comuni quando la zona di motore di gamba è stimolata55; di conseguenza, deve usare cautela quando queste risposte vengono interpretate come iMEPs.

Figure 1
Figura 1: ricostruito modelli pelle e curvilineo del cervello. (A) un modello di pelle con quattro punti di riferimento anatomici (punta del naso, nasion e supratragic tacca dell'orecchio destro e sinistro) viene utilizzato per calcolare la registrazione di immagine del soggetto durante la valutazione inserendo la punta di un puntatore su ogni punto di riferimento. (B) una griglia rettangolare 4 x 9 posto bilateralmente sopra la gamba area corticale a motore. Piazze denotano i punti utilizzati per determinare l'intensità di suprathreshold utilizzata per la caccia di hot spot. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: TA bilaterale e SOL Hot spot e RMT. In entrambi gli emisferi, la stella simbolo denota il punto caldo di ogni muscolo. Bar trame presenti la RMT media delle due valutazioni (cerchio bianco aperto) per ogni muscolo, mentre i valori sotto ogni cerchio denotano il numero di stimoli applicati per determinare la RMT utilizzando un metodo adattivo di soglia-caccia. La linea tratteggiata indica l'intensità usata per la caccia di hot spot (45% MSO). (A) Hot spot e RMTs del diritto/controlaterale TA e SOL mentre TMS è stato applicato sopra l'emisfero di sinistra. TA punto caldo era sopra la zona di motore di gamba e prossimale per la Scissura interemisferica mentre SOL hot spot era 10 mm laterale a TA hot spot. Il numero di stimoli utilizzati per determinare TA e SOL RMT variava 6-21 e 9-11, rispettivamente. (B) Hot spot e RMTs della sinistra/controlaterale TA e SOL mentre TMS è stato applicato sopra l'emisfero destro. Come l'emisfero sinistro, TA hot spot era sopra la zona di motore di gamba e prossimale per la Scissura interemisferica. Punto caldo SOL era 7,1 mm posteriore-laterale a TA hot spot. Il numero di stimoli utilizzati per determinare TA e SOL RMT era nelle gamme 10-22 e 10-11, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: TA bilaterale e valutazione SOL CMR - riposare. Per la stimolazione di ogni hot spot, l'EMG del TA riposo bilaterale e SOL sono stati raccolti mentre la forma d'onda media di ciascun muscolo è presentata (durata totale 500 ms; 100 ms pre-TMS). Il √ e simboli X denotano che MEP o era presente (> 50 µV) o assente (≤ 50 µV), rispettivamente. In caso di presenza di MEP, vengono presentati i valori dell'ampiezza picco-picco (µV) e latenza (ms). (A) stimolazione del punto caldo TA destra/controlaterale emisfero sinistro. I deputati sono stati suscitati in entrambi i muscoli della caviglia destra/controlaterale, con TA destra avendo maggiore ampiezza e più breve latenza superiore destra SOL. Dato che il punto caldo stimolato si trova dal Scissura interemisferica e prossimale alla zona motore gamba sull'emisfero sinistro, MEP sui muscoli della caviglia sinistra/ipsilateral è stato anche suscitato (solo TA). (B) stimolazione della destra/controlaterale SOL hot spot su emisfero sinistro. I deputati sono stati suscitati solo sui muscoli della caviglia destra/controlaterale; Tuttavia TA aveva più grande ampiezza MEP e più breve latenza di Sol (C) stimolazione di sinistra/controlaterale di TA hot spot su emisfero destro. I deputati sono stati suscitati in entrambi i muscoli della caviglia sinistra/controlaterale e diritto/ipsilateral con entrambi TA avendo MEP più grandi ampiezze e latenze più brevi rispetto a entrambi SOL. Questo bilaterale elicitazione di MEP è principalmente a causa della posizione del punto caldo stimolata e suprathreshold intensità. (D) stimolazione della sinistra/controlaterale SOL hot spot su emisfero destro. I deputati sono stati suscitati in muscoli della caviglia sinistra/controlaterale e diritto/ipsilateral TA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: TA bilaterale e valutazione SOL CMR - TVA. Per la stimolazione di ogni hot spot, l'EMG del TA e SOL bilaterali sono stati raccolti mentre il muscolo controlaterale esaminato è stato attivato a 15 ± 5% MVIC. La forma d'onda media di ciascun muscolo è presentata (durata totale 500 ms; 100 ms pre-TMS). Il √ e simboli X denotano che MEP o era presente (> 50 µV) o assente (≤ 50 µV), rispettivamente. In caso di presenza di MEP, vengono presentati i valori dell'ampiezza picco-picco (µV), latenza (ms) e CSP (ms). (A) stimolazione del punto caldo TA destra/controlaterale emisfero sinistro. MEP TA destra era seguita da CSP. MEP è stato tratto nel controlaterale/destra SOL in cui una risposta tardiva (†) è stato anche tratto (ampiezza: 563 µV; latenza: 82,8 ms). MEP è stato anche tratto in sinistra/ipsilateral TA, cui latenza è ritardato di 5,2 ms rispetto alla latenza la destra/controlaterale di TA. (B) stimolazione della destra/controlaterale SOL hot spot su emisfero sinistro. Diritto/controlaterale SOL MEP è stata seguita da CSP, e MEP è stato anche tratto in controlaterale destra/TA. Nessuna sinistra/ipsilateral i deputati sono stati suscitati. (C) stimolazione del punto caldo TA sinistra/controlaterale emisfero destro. MEP TA di sinistra è stata seguita da CSP. MEP è stato suscitato in sinistra/controlaterale SOL in cui una risposta tardiva (†) è stato anche tratto (ampiezza: 465 µV; latenza: 96,3 ms). No i deputati sono stati suscitati nei muscoli destra/ipsilateral. (D) stimolazione della sinistra/controlaterale SOL hot spot su emisfero destro. MEP SOL di sinistra è stata seguita da CSP. I deputati sono stati suscitati in sinistra/controlaterale SOL e diritto/ipsilateral TA, cui latenza è ritardato di 4,7 ms rispetto alla latenza di sinistra/controlaterale di TA. Nessun MEP è stato tratto nel diritto/ipsilateral Sol Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Dato l'interesse emergente come la corteccia motoria contribuisce al controllo motore dei muscoli delle gambe durante le attività dinamiche in varie coorti, è necessario un protocollo standardizzato di TMS che descrive la valutazione approfondita di questi muscoli. Di conseguenza, per la prima volta, il presente protocollo fornisce procedure metodologiche standardizzate sulla valutazione bilaterale dei due muscoli antagonistici della caviglia, SOL e TA, durante due stati di muscolo (riposo e TVA) utilizzando un singolo impulso TMS con Neuronavigazione.

I risultati descritti nella sezione risultati rappresentativi ricorda diversi passaggi critici che devono essere considerati. In primo luogo, valutazione di CMR di questi muscoli, come pure altri muscoli delle gambe, dovrebbe essere condotta utilizzando un sistema di neuronavigazione in cui MRI di ogni oggetto deve essere utilizzato e deve essere determinato il punto caldo di ogni muscolo. Neuronavigazione guida precisa stimolazione TMS sopra la zona di motore di destinazione e quando MRI del soggetto viene utilizzato, la zona di motore di destinazione può essere stimolato con precisione56,57. Lavori precedenti hanno esaminato gli effetti dell'utilizzo di neuronavigation durante una valutazione di TMS di arto superiore muscoli58,59,60; risultati di tali studi sono stati mescolati. Eppure, nessuno studio ha esaminato questo effetto per un muscolo dell'arto inferiore. Data la posizione delle aree corticali motore di TA e SOL (cioè,adiacente la Scissura interemisferica, a circa 3-4 cm sotto la superficie del cuoio capelluto)36,42,61, caccia per il "vero" caldo posto di ciascun muscolo utilizzando una griglia posta su anatomia di ogni oggetto aumenta la probabilità di tenerne suscitando un deputato in sia muscolo, specialmente in Sol usando lo stesso protocollo presentato qui, abbiamo recentemente dimostrato che i deputati con successo sono stati suscitati in entrambi TA e SOL in quasi tutti i soggetti (N = 21)32. Il secondo passaggio fondamentale è la valutazione bilaterale di ogni muscolo. In contrasto con aree motorie dell'arto superiore, le aree di motore due gambe sono adiacenti tra loro, e quando viene applicato un impulso su una zona zona opposta potrebbe essere stimolata dovuto la diffusione attuale. Pertanto, qualsiasi risposta ipsilateral in ogni muscolo può indicare la presenza di un50 di iMEP (un proxy potenziale della via cortico-reticolo-spinale) o solo una stimolazione diretta della zona di motore gamba opposta. In passato, ipsilateral TA le risposte sono state segnalate, ma il sito stimolato era basato sul punto di riferimento anatomico (10 e 15 mm posteriore e laterale al vertice)62. Usando questo protocollo, il punto caldo di ogni muscolo può essere determinato separatamente, e a seconda della posizione del punto caldo possono essere suscitate risposte o controlaterali o bilaterali (Vedi Figura 3 e Figura 4). Se la risposta bilaterale è un risultato di discendente più vie o solo stimolazione di un singolo percorso richiede ulteriori indagini.

Il presente protocollo può essere modificato a seconda del design di ricerca. Mentre singolo impulso TMS è utilizzata nel presente protocollo, accoppiato pulse (impulso di test è preceduto da condizionata impulso)63,64 può essere utilizzato anche per valutare le reti intracorticale di questi muscoli della due caviglia. Allo stesso modo, dopo hot spot e determinazione di RMT di ogni muscolo, curve di ingresso-uscita bilaterale di ciascun muscolo possono essere acquisite per valutare la relazione tra intensità TMS (ingresso) e l'ampiezza MEP (uscita). Per valutare la CMR di ogni muscolo, 10 stimoli vengono applicati ogni hot spot durante il riposo e TVA, eppure i rapporti recenti hanno suggerito che gli stimoli più di 10 dovrebbero essere usati per valutare in modo affidabile la CMR di un muscolo65,66. Allo stesso modo, può essere applicato più di uno stimolo a posto durante la caccia di punto caldo (ad esempio, 2-5 stimoli/spot) rispetto ad un singolo stimolo per punto utilizzata nel presente protocollo. Applicando più di uno stimolo per punto, il punto caldo di ciascun muscolo potrebbe essere più attendibilmente determinato. Recente studio ha suggerito che come pochi come due stimoli al posto potrebbero essere sufficienti per hot spot determinazione67. Inoltre, rispetto al metodo di caccia più ampiamente usato di soglia, la frequenza relativa metodo68, che si basa sul criterio di Rossini-Rothwell69,70, viene utilizzato il metodo di caccia alla soglia adattivo nella presente protocollo. Anche se il metodo adattivo di soglia-caccia è più efficiente (ossia, che meno stimoli sono tenuti a determinare RMT) rispetto al metodo di frequenza relativa, entrambi i metodi condividono simili precisione71. È importante ricordare che tutte le suddette modifiche aumenta il conteggio totale degli stimoli applicati. Infine, l'attuale protocollo utilizzato il criterio dell'ampiezza di picco-picco inferiore a 50 µV per valutare per il rumore della linea di base e per il "vero" stato di riposo. Scartando qualsiasi segnale EMG maggiore di 10 µV (quadratico medio calcolato oltre 100 ms) è un approccio alternativo.

Questo protocollo ha alcune considerazioni metodologiche. In primo luogo, la valutazione di questi due muscoli è in posizione seduta, sia durante il riposo o TVA. Come accennato in precedenza, sia TA e SOL sono fondamentalmente importanti durante attività posturale in posizione verticale e camminare. Sebbene gli studi precedenti hanno esaminato TA e SOL CMR durante attività posturale verticale14,72,73,74,75,76 e a piedi20, 22 , 77 , 78 , 79, la valutazione è stata solo unilaterale e TMS non fosse guidata da neuronavigation. Pertanto, anche se il presente protocollo non viene utilizzato durante queste attività, può ancora fornire una finestra non invasiva sull'unità corticale di questi muscoli della due caviglia. In secondo luogo, la soglia del motore attiva (AMT) non è stata determinata perché non esiste una metodologia consolidata per tale misura. Dato che AMT è correlata con ed è più bassa di RMT (~ 82%)80, MEP può essere suscitata durante TVA anche quando si utilizza un'intensità di suprathreshold di RMT. In terzo luogo, utilizzo della risonanza magnetica strutturale di ogni soggetto con il sistema di neuronavigazione può non essere fattibile in tutte le impostazioni a causa di alto costo di ottenere il sistema di neuronavigazione e di MRI. Tuttavia, alcuni sistemi di neuronavigazione tra cui quello utilizzato nel presente protocollo, può essere utilizzato senza MRI del soggetto; ma un MRI medio viene utilizzato. In questo caso, la bobina può essere ancora precisamente posizionata sopra il sito stimolato.

Mentre il lavoro precedente ha esaminato TA e SOL CMR durante le varie attività in gruppi differenti, nessun studio ha utilizzato un protocollo standardizzato che ha esaminato questi due muscoli bilateralmente con Neuronavigazione con MRI di ogni oggetto. Utilizzo della risonanza magnetica strutturale di ogni oggetto combinato con un sistema di neuronavigazione promuove l'accuratezza e la precisione di stimolazione delle rappresentazioni corticali motore di entrambi i muscoli. Questo è fondamentalmente importante per l'aree corticali motorie gamba. Inoltre, dato che la CMR di un muscolo dipende se il muscolo è completamente rilassato o parzialmente è attivato, questo protocollo viene descritto come il TA e SOL CMR può essere valutato durante il riposo e TVA. Inoltre, ogni emisfero è stimolata mentre la CMR bilaterale di ciascun muscolo è valutato contemporaneamente. Inoltre, anziché utilizzare lo stesso punto caldo per valutare CMR di un singolo muscolo, punto caldo di ogni muscolo è determinata utilizzando una griglia standardizzata, che fu posata sopra la rappresentazione corticale di gamba ed è definita come il luogo con la più grande ampiezza e più breve latenza43. Anche se il metodo di frequenza relativa è ampiamente usato per misurare la soglia del motore di un muscolo68, questo protocollo utilizza un metodo adattivo di soglia-caccia per ridurre la durata sperimentale e il numero totale di stimoli applicati a sessione44. Infine, per ridurre la durata dell'analisi dei dati e per standardizzare il calcolo delle misure CMR, viene utilizzata una metodologia di analisi automatica dei dati.

Gli studi futuri possono utilizzare questo protocollo più ulteriormente per delucidare del controllo corticale della TA e SOL in coorti sia normali e cerebrolesi. Una tale applicazione del presente protocollo è la mappatura di questi due muscoli. Anche se alcuni studi hanno esaminato l'area corticale motoria di TA81,82,83,84, solo uno studio ha riferito l'area corticale motore di SOL da un singolo paziente con displasia corticale focale85. Una caratteristica comune che condividono tutti questi studi è l'uso dello stesso sistema TMS neuronavigated, che è diverso dal sistema utilizzato in questo protocollo. Tuttavia, questo sistema è estremamente costoso, ed è trovato solitamente nelle regolazioni cliniche, come gli ospedali. Modificando il presente protocollo, gli studi futuri possono sistematicamente indagare e stabilire dati normativi delle misure mappatura corticale per TA e SOL negli adulti neurologico intatti. Tali risultati stabilirà quali misure di mappatura motore devono essere utilizzate per quantificare in modo specifico le rappresentazioni motorie di ogni muscolo. Un'altra potenziale applicazione del presente protocollo è la valutazione di questi due muscoli prima e dopo un intervento chirurgico o un intervento (ad es., comportamentale: esercitare; neurofisiologici: TMS ripetitiva, stimolazione transcranica diretta corrente - TDCS) e durante il periodo di recupero in coorti atletici o clinici. Questo permetterà agli scienziati di riabilitazione determinare come un intervento chirurgico o un intervento può alterare l'unità corticale di questi due muscoli.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano il Dr. Jesse C. Dean per aiutare con lo sviluppo metodologico e fornire commenti e suggerimenti su una bozza del manoscritto. Questo lavoro è stato supportato da un RR di premio-2 VA lo sviluppo di carriera & D N0787-W (MGB), un istituzionale Development Award dal National Institute of General Medical Sciences del NIH sotto concessione numero P20-GM109040 (SAK) e P2CHD086844 (SAK). Il contenuto non rappresentano le opinioni di Department of Veterans Affairs o di governo degli Stati Uniti.

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.

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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).

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