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Neuroscience

Navegado de evaluación bilateral de las vías corticoespinales de los músculos del tobillo mediante estimulación magnética transcraneal

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

El presente Protocolo describe la evaluación simultánea, bilateral de la respuesta corticomotor del sóleo y tibial anterior durante la activación voluntaria resto y tónico usando la estimulación magnética transcraneal solo pulso y neuronavegación sistema.

Abstract

Músculos de la pierna distal reciben entrada neural de áreas corticales del motor vía el tracto corticoespinal, que es uno de la vía descendente motor principal en los seres humanos y pueden evaluarse utilizando la estimulación magnética transcraneal (TMS). Dado el papel de los músculos distales de la pierna en vertical tareas posturales y dinámicas, como caminar, ha surgido un creciente interés en la investigación en la evaluación y modulación de los tractos corticoespinales en relación con la función de estos músculos en la última década. Sin embargo, parámetros metodológicos utilizados en trabajos previos han variado a través de estudios que la interpretación de los resultados de estudios transversales y longitudinales menos robusto. Por lo tanto, uso de un protocolo estandarizado de memorias de traducción específico para la evaluación de la respuesta de los músculos de la pierna corticomotor (CMR) permite la comparación directa de resultados a través de estudios y cohortes. El objetivo de este trabajo es presentar un protocolo que proporciona la flexibilidad para evaluar simultáneamente la CMR bilateral de dos músculos antagonistas principales del tobillo, el tibial anterior y el sóleo, usando solo pulso TMS con un sistema de Neuronavegación. El presente Protocolo es aplicable mientras que el músculo examinado completamente relajado o contraído isométrica en un porcentaje definido de máxima contracción voluntaria isométrica. Usando MRI estructural de cada sujeto con el sistema de Neuronavegación asegura la exacta y precisa colocación de la bobina sobre las representaciones corticales de pierna durante la evaluación. Dada la inconsistencia en CMR derivada medidas, este protocolo también describe un cálculo estandarizado de esas medidas mediante algoritmos automatizados. Aunque este Protocolo no se lleva a cabo durante las tareas posturales o dinámicas vertical, puede utilizarse para evaluar bilateralmente cualquier par de músculos de las piernas, antagónicos o sinérgicos, en sujetos neurológicamente intactos y deterioradas.

Introduction

Tibial anterior (TA) y soleus (SOL) son los músculos antagónicos tobillo situados en el compartimiento anterior y posterior de la pierna, respectivamente. Ambos músculos son uniarticular, mientras que la principal función de TA y SOL es dorsiflexión y plantarflex la articulación tibiotarsiana, respectivamente1. Por otra parte, TA es más funcional para las excursiones de mucho músculo y menos importante para la producción de fuerza, mientras que SOL es un músculo antigravedad diseñado para generar alta fuerza con pequeña excursión del músculo2. Ambos músculos son especialmente importantes durante las tareas postural y dinámica vertical (por ejemplo, caminar)3,4. Control neural, las piscinas del motorneuron de ambos músculos reciben unidad neural del cerebro vía el motor descendente vías5,6, además de diversos grados de unidad sensorial.

El motor principal descendente camino es el tracto corticoespinal, que origina de las áreas de motor primarias, premotora y suplementarias y termina en el espinal motorneuron piscinas7,8. En los seres humanos, el estado funcional de este tracto (corticomotor respuesta - CMR) puede ser factible evaluado usando la estimulación magnética transcraneal (TMS), una estimulación cerebral no invasiva herramienta9,10. Desde la introducción de la EMT y dada su significación funcional durante la tarea postural erguido y caminando, CMR de TA y SOL han sido evaluados en diferentes cohortes y tareas11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

En contraste con la evaluación de CMR en los músculos de la extremidad superior33, no se ha establecido ningún protocolo universal de TMS para la evaluación de CMR en los músculos de la extremidad inferior. Debido a la falta de un protocolo establecido y la gran variabilidad metodológica en los estudios anteriores (e.g., tipo de bobina, uso de Neuronavegación, nivel de activación tónica, prueba lateral y músculo, uso y cálculo de CMR mide, etcetera. ), la interpretación de los resultados a través de estudios y cohortes pueden ser engorroso, complicado e inexacto. Como las medidas son funcionalmente relevantes en diversas tareas de motor, permite a un protocolo establecido de memorias de traducción específico para bajar evaluación de CMR de extremidad motor neurólogos y científicos de rehabilitación evaluar sistemáticamente el CMR en estos músculos a través de sesiones y varias cohortes.

Por lo tanto, el objetivo de este protocolo es describir la evaluación bilateral de TA y SOL CMR solo pulso sistema TMS y Neuronavegación. En contraste con anteriores trabajos, este protocolo tiene como objetivo maximizar el rigor de los procedimientos experimentales, adquisición de datos y análisis de datos mediante el empleo de factores metodológicos que optimicen la validez y la duración del experimento y estandarizar el CMR evaluación de estos dos músculos de la extremidad inferiores. Dado que el CMR de un músculo depende de si el músculo está completamente relajado o es parcialmente activa, este protocolo describe cómo la TA y SOL CMR pueden evaluarse durante resto y tónico activación voluntaria (TVA). Las siguientes secciones describen completamente el presente Protocolo. Por último, datos representativos se presentan y discuten. El protocolo descrito aquí se deriva de Agudelo et al. 201832.

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Protocol

Todos los procedimientos experimentales presentados en este protocolo han sido aprobados por la Junta de revisión institucional local y están de acuerdo con la declaración de Helsinki.

1. consentimiento de proceso y seguridad cuestionarios

  1. Antes de cualquier experimento, explicar cada tema del aim(s) del estudio, los principales procedimientos experimentales y cualquier posibles factores de riesgo asociados a participar en el estudio. Después de responder a cualquier pregunta o preocupación que tengan temas, pedir temas para reconocer el proceso de consentimiento y firmar el formulario de consentimiento informado.
  2. Administrar MRI34 y cuestionarios de investigación de seguridad de35 TMS para garantizar seguridad y calificación para MRI y TMS pruebas sujetos. Excluir a todos los temas que no cumplen todos los criterios de seguridad de las evaluaciones de MRI y TMS.

2. resonancia magnética y la preparación del sistema de neuronavegación

  1. Administrar la evaluación de MRI antes de TMS evaluación32. Tiene temas se encuentran en una posición supina con una almohada bajo sus rodillas para garantizar una postura cómoda. Instruir a sujetos para mantener todavía en el escáner.
    1. Proporcionar protección auditiva a los sujetos para atenuar el ruido del escáner. Preferentemente usar tapones para los oídos en orejeras debido al uso de notch bilateral supratragic de registro de tema de imagen en el sistema de Neuronavegación (véase 5.2).
    2. Obtener imágenes de alta resolución T-1 ponderado anatómica cerebral (requisitos mínimos: 1 mm de espesor de rebanada y cerebro completo y cobertura cerebelosa), ya sea como archivos NFTI o DICOM. Asegurar esa nariz esta totalmente incluida en las imágenes debido al uso de la punta del sujeto de la nariz para el registro de tema de imagen en el sistema de Neuronavegación (véase 5.2).
  2. Subir archivos de MRI en un sistema de Neuronavegación. Co registro manualmente MRI de cada tema a las comisuras anteriores y posteriores, por lo que MRI del tema puede asignarse mediante el atlas del Instituto neurológico de Montreal.
    1. Reconstrucción de la piel y el modelo del cerebro completo curvilíneas mediante el ajuste del cuadro delimitador alrededor del tejido de cerebro y cráneo, respectivamente. Identificar cuatro puntos anatómicos (punta de la nariz, nasion - puente de la nariz y la muesca supratragic de la oreja derecha e izquierda) usando la piel del modelo (ver figura 1A).
    2. Coloque una cuadrícula rectangular sobre el área cortical motora pierna en cada hemisferio, utilizando el cerebro curvilíneo reconstruido (ver figura 1B). Coloque la fila centrada de la rejilla en el centro y sobre el giro pata motor cortical del área de donde originan los tractos corticoespinales que inervan la pierna motor piscinas36. Posición de la columna medial de la red de paralela y adyacente a la pared medial del hemisferio ipsilateral.
    3. Utilizar un enfoque basado en la corteza en que error en la orientación tiene un efecto insignificante en el sitio de estimulación37 en lugar de utilizar un enfoque de destino basado en el cuero cabelludo en la que cualquier error de orientación puede alterar el sitio de estimulación. Utilice esta cuadrícula para encontrar el punto caliente. Para el mapeo motor, usar cuadrículas más grandes ya sea por adición de más puntos o aumentando la distancia entre puntos (p. ej., 10 mm).

3. preparación y colocación del sujeto

  1. Medir las respuestas electrofisiológicas solo pulso TMS con un total de 4 electrodos de EMG superficiales. Para la preparación y colocación de los electrodos, use directrices publicadas38,39 y colocación completa mientras que el tema está en una posición de pie.
    1. Preparar la zona sobre la que se colocaba cada electrodo por afeitado y ligeramente exfoliantes cualquier células de piel muerta y aceites usando hisopos de alcohol.
      PRECAUCIÓN: Para temas de anticoagulantes (por ejemplo, la gente posterior al accidente cerebrovascular), tenga cuidado durante la preparación de la piel debido al riesgo potencial de sangrado.
    2. Conectar electrodos bilateral en TA. Mientras que en la posición de pie, pedir temas para levantar sus dedos del pie hacia arriba y luego coloque el electrodo en el tercio superior de la línea entre la cabeza del peroné y el maléolo medial (es decir, vientre muscular inmediatamente lateral a la cresta tibial).
    3. Conectar electrodos bilateral en SOL. Mientras que en la posición de pie, pedir el tema para realizar aumento de talón y luego coloque el electrodo en el tercio inferior de la línea entre el cóndilo femoral lateral y el maléolo lateral.
    4. Colocar el electrodo pasivo de referencia tierra a la rótula o el maléolo lateral. Según la unidad de adquisición de EMG, coloque los electrodos de tierra bilateral o unilateralmente.
  2. Prueba de colocación de los electrodos y la calidad de la señal.
    1. Prueba de colocación de los electrodos (por ejemplo, para las explosiones del EMG claro visualmente perceptibles) preguntando el tema a dorsiflexión o plantarflex el tobillo en una postura erguida mientras se muestra la señal de EMG raw de todos los músculos probado en una pantalla de ordenador. En el caso de un electrodo fuera de lugar, quitar y reemplazar hasta que se claro visualmente perceptibles explosiones del EMG con ruido de fondo mínimo. Una adecuada relación señal a ruido es fundamental en la detección de una respuesta de motor (> 50 μV).
    2. Probar la calidad de la señal (por ejemplo, para ruido de línea de base) por descarga de las unidades de memorias de traducción para un par de veces mientras que la bobina TMS se lleva a cabo el sujeto sentado y con los músculos en reposo. Compruebe que la señal de referencia para cada canal de EMG es cercano a cero (es decir, la amplitud de pico a pico debe ser menos de 50 μV y no ruido de línea de base, como 50 o 60 Hz hum potencia línea). Si hay ruido basal en un canal, retire el electrodo correspondiente y repita los procedimientos de preparación de la piel. Si el ruido persiste (es decir, amplitud de pico a pico > 50 mV), ajuste la posición del electrodo de referencia y cambie el gel de electrolitos.
  3. Asegure todos los electrodos con cinta de la espuma ligera. Periódicamente durante todo el experimento, comprobar que los electrodos estén bien sujetas y que la señal tiene buena calidad.
  4. El sujeto en una silla de asiento. Para garantizar la colocación de pies consistentes a través de temas, seguros ambos pies camina en botas (es decir, ortosis del pie del tobillo) que permiten el tobillo ROM para ajustarse a una posición específica y resistencia durante la prueba de TVA. Ajustar ángulos de cadera y rodilla para evitar el malestar del sujeto. Indique el tema a mantener aún durante todo el experimento. Uso un resto frente atado a la silla para mantener a sujetos aún durante la aplicación de TMS, si está disponible.

4. TVA pruebas

  1. Determinar bilateralmente la contracción isométrica voluntaria máxima (MVIC) de cada músculo. Para cada movimiento (por ejemplo, la dorsiflexión y plantarflexion), instruir a sujetos a máximo contraiga el músculo examinado contralateral (por ejemplo, derecha TA) 4 veces (contracciones de s ~ 5 separaron por 60 s de descanso) mientras el sujeto esté sentado en la postura descrito anteriormente.
  2. Calcular el valor de actividad muscular máxima durante cada MVIC (es decir, la media dentro de una ventana de 100 ms centrada en el EMG máxima de rectificado y suavizado) de los tres últimos ensayos, la media de los tres valores y el 15 ± 5% de cada músculo de promedio MVIC.
    PRECAUCIÓN: Puede utilizarse un mayor % MVIC, pero puede no ser factible, en cohortes clínicas (por ejemplo, la gente posterior al accidente cerebrovascular).

5. registro en el sistema de neuronavegación

  1. Coloque el seguidor del tema, una diadema o gafas, con marcadores reflectantes en cabeza del sujeto en el lado opuesto del hemisferio estimulado por lo que el tracker no obstaculice la colocación de la bobina durante la estimulación de cada punto de rejilla.
    PRECAUCIÓN: En el caso que se utiliza una diadema, asegúrese de que esté apretado un poco en tema cabeza, pero no demasiado apretado ya que puede causar un dolor de cabeza tras un largo periodo de tiempo.
  2. Verifique la posición correcta de la cámara de captura de movimiento colocando el tema, el puntero y el perseguidor perseguidor bobina en su espacio de volumen de captura. Realizar el registro de tema de imagen colocando la punta de la aguja en los 4 estábamos anatómicas (ver figura 1A).
  3. Una vez que todos los puntos anatómicos se muestrean, verificar si registro ocurrió exactamente colocando la punta de la aguja en varios puntos sobre el cráneo del sujeto (es decir, la etapa de validación). Si la distancia desde la punta de la aguja a la piel reconstruida es inferior a 3 mm, continúe con el experimento TMS; de lo contrario, repita el registro de tema de imagen hasta que se obtienen los valores de error deseado. Durante el experimento, repetir registro si el tema es accidentalmente movido.

6. MEMORIAS DE TRADUCCIÓN

  1. Utilice los mismos parámetros metodológicos durante resto y TVA.
    1. Aplicar estímulos de pulso único en el sitio óptimo (es decir, el punto caliente; véase el párrafo siguiente para más detalles) del músculo examinado. Aplique cada estímulo al azar cada 5-10 s para evitar la anticipación de estímulos y para minimizar los efectos de arrastre del pulso anterior a la posterior un40.
    2. En caso de que simultáneamente se utilizan dos unidades TMS, definir las unidades en tanto el modo estándar o simultánea41. El modo estándar aplica un pulso más débil que una sola unidad, mientras que el modo simultáneo aplica un pulso más fuerte que una sola unidad. El uso de cualquiera de los dos podría estar basado en las necesidades del protocolo y el número total de estímulos.
    3. Utilizar una bobina de doble cono para inducir una corriente intracraneal posteroanterior. Si es necesario, utilice el sistema de Neuronavegación para controlar la bobina manualmente y correcta su posición en relación con el deseado estimula punto antes de cada estímulo.
    4. A través de sesiones y temas, aleatorizar el orden del músculo examinado y hemisferio. Administrar siempre la condición de TVA después de la condición del resto para evitar cualquier interferencia con las pruebas en reposo (p. ej., fatiga de los caminos descendentes debido a pruebas de TVA).
  2. Determinar bilateralmente el punto caliente de ambos músculos.
    1. Encontrar la intensidad del suprathreshold, que se utilizará durante la caza del punto caliente, mediante la aplicación de un solo estímulo sobre el punto centrado al lado de la grieta interhemispheric (ver cuadros azul y rojo en la figura 1B). Utilice este lugar ya se encuentra en el lugar geométrico de la pierna zona motor36,42.
    2. Empezar a baja intensidad (p. ej., salida del estimulador máximo 30%; MSO) y aumentar gradualmente la intensidad de la TMS en incrementos de 5%, hasta alcanzar la intensidad que provoca un potencial evocado motor (MEP) con una amplitud pico a pico mayor de 50 μV en todos los músculos examinados contralaterales para estímulos consecutivos 3.
    3. Determinar inmediatamente después de cada estímulo si un diputado ha sido suscitado basado en las formas de onda de materia prima y las amplitudes pico a pico (ventana de búsqueda: Inicio de 20-60 ms post-TMS) de todos los examinados los músculos.
    4. Aplicar un pulso TMS en cada punto de la cuadrícula (total 36 estímulos). Después de completar el protocolo de punto caliente, transferir los valores de amplitud y latencia de cada lugar para todo contralaterales músculos en una amplitud de hoja de cálculo y tipo de alto a bajo y latencia de bajo a alto. Identificar el punto caliente de contralateral TA y SOL como la ubicación en la red con la mayor amplitud y la latencia más corto43.
      PRECAUCIÓN: Si la mayor amplitud y la latencia más corta no están en el mismo lugar, definir el punto con la mayor amplitud.
  3. Determinar bilateralmente que cada músculo de descanso umbral motor (RMT).
    1. Seleccione el lugar de la red en el sistema de Neuronavegación que corresponde al punto del músculo examinado.
    2. Utilizar un método de caza del umbral adaptable para la determinación de RMT de los músculos examinados44. Establecer el tamaño inicial de la intensidad y la paso a 45 y 6% MSO, respectivamente32. Ejecutar la caza RMT dos veces para cada músculo y usar el medio para la posterior evaluación de CMR.
  4. Evaluar bilateralmente TA y CMR de SOL durante el resto.
    1. Seleccione el lugar de la red en el sistema de Neuronavegación que corresponde al punto del músculo examinado. Se aplican pulsos TMS solo 10 en RMT 1.2 del músculo examinado.
    2. Antes de cada estímulo, indíquele el tema permanecer todavía y relajar los músculos examinados bilateral y supervisar la actividad de todos los músculos mediante una retroalimentación visual de tiempo real mostrando en una pantalla de ordenador. En caso de cualquier músculo activa antes o después de la TMS, deseche ese juicio y aplicar un solo pulso adicional. Repita hasta que se han recogido 10 formas de onda para cada músculo examinado contralateral en reposo.
  5. Evaluar bilateralmente la TA y SOL CMR durante el TVA.
    1. Seleccione el lugar de la red en el sistema de Neuronavegación que corresponde al punto del músculo examinado.
    2. Preguntar temas que contraiga el músculo examinado 15 ± 5% MVIC y aplicar 10 solo impulsos TMS en RMT 1,2. Instruir a los sujetos a mantener la línea móvil suavizada (raíz cuadrada media amplitud de 0.165 s) del músculo examinado, TA o SOL, dentro de los dos cursores horizontales (gama MVIC: 15 ± 5%) y sostener esa contracción en ese nivel durante unos segundos.
    3. Cuando la TA es el músculo examinado, pedir temas para tirar ligeramente con las correas de la bota en la pierna contralateral (es decir, la pierna con el músculo examinado contralateral al hemisferio estimulado). Cuando el SOL está el músculo examinado, pedir temas para empujar ligeramente hacia abajo contra la bota en la pierna contralateral.
    4. Supervisar la actividad del músculo del músculo examinado activo y los restantes músculos descanso mediante una retroalimentación visual de tiempo real mostrarán en una pantalla de ordenador. Descartar que el estímulo y volver a aplicar un solo pulso adicional en caso de que la actividad del músculo examinado está por debajo o por encima del rango predeterminado o cualquier otro músculo se activa. Recoger 10 ensayos mientras se activa el músculo examinado en un rango predeterminado.

7. Análisis de datos

  1. En todas las medidas CMR, excepto RMT, calcular el valor de cada medida de cada barrido MEP (la duración total debe ser al menos 500 ms con duración de estímulo anterior mínimo 100 ms) para todos los músculos y luego media de estos 10 valores para obtener un único valor (es decir, decir)32. Amplitud y período de silencio cortical (CSP) son medidas de excitabilidad proxy de CMR, mientras que la latencia es una medida de conectividad de proxy de CMR. Tanto para descanso como TVA, normalizar la latencia en relación con la altura de cada sujeto, como latencia está influenciada por la distancia a los45del músculo examinado.
  2. Calcular MEP amplitud y latencia durante el descanso.
    1. Calcular amplitud (μV) del EMG crudo como la más grande diferencia entre picos positivos y negativos (es decir, pico a pico) del MEP. Para estos dos músculos particulares, búsqueda de pico a pico en un intervalo de tiempo de 20-60 ms después del inicio del TMS.
      PRECAUCIÓN: Aunque la ventana de búsqueda de diputado al Parlamento Europeo de 20-60 ms puede funcionar para sujetos neurológicamente intactos y gente posterior al accidente cerebrovascular, más ancha MEP búsqueda windows (por ejemplo, 20-75 ms) pueden ser necesarios para otras poblaciones neurológicas (p. ej., esclerosis múltiple).
    2. Calcular la latencia (ms) del EMG rectificado como el tiempo entre el inicio TMS y aparición MEP (es decir, el tiempo cuando un EMG rectificado trazar primero cruza un umbral predeterminado - promedio más tres desviaciones estándar de la EMG de pre-estímulo de 100 ms)32 , 46.
  3. Calcular el MEP de amplitud, latencia y CSP durante el TVA.
    1. Calcular amplitud (μV) del EMG crudo como la más grande diferencia entre picos positivos y negativos (es decir, pico a pico) del MEP. Para estos dos músculos particulares, búsqueda de pico a pico en un intervalo de tiempo de 20-60 ms después del inicio del TMS.
    2. Calcular latencia (ms) del EMG rectificado el tiempo entre el inicio TMS y aparición MEP.
      1. Calcular el inicio MEP diferentemente en TVA que en resto. Calcular MEP Inicio y compensación por encontrar el tiempo de dos puntos que el rastro de EMG rectificado cruza el umbral predeterminado para el nivel de pre-estímulo de 100 ms significan EMG. Entonces, encontrar los picos al menos superiores a la media del EMG de los estímulo más tres desviaciones estándar y entre los dos puntos de tiempo. Luego, buscar desde el primer pico a 50 puntos (tasa de muestreo de 5000 Hz) antes eso pico durante el tiempo que el rastro de EMG rectificado primero cruza el umbral del EMG de pre-estímulo media. Definir aquel momento como el MEP Inicio32.
    3. Calcular CSP (ms) del EMG rectificado como el tiempo entre el offset MEP y reanudación de EMG (es decir, absoluto CSP: exclusión de duración MEP)47. Buscar desde el último pico a 200 los puntos de datos (muestreo de 5000 Hz) después de ese pico por el tiempo que el rastro de EMG rectificado último cruzó el umbral del EMG de pre-estímulo media; definir aquel momento como el desplazamiento MEP. Luego, calcular la reanudación de la EMG de línea de base, que es el tiempo que el rastro de EMG rectificado última cruza el 25% de la media estímulo previo EMG32.

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Representative Results

Figuras 2-4 presentan los datos de un representante varón de 31 año de edad neurológicamente intacto con altura y un peso de 178 cm y 83 kg, respectivamente.

Figura 2 presenta los focos bilaterales y RMT de cada músculo de tobillo. Utilizando el punto situado en el centro de la zona de la pierna en cada hemisferio (ver cuadros en la figura 1B), la intensidad del 45% MSO bilateral fue utilizado para la caza del punto caliente. La ubicación del punto caliente para cada músculo difiere entre los hemisferios, sin embargo, como los cuatro focos fueron ubicados en las zonas cortical motor de pierna. Este hallazgo indica que TA y SOL no pueden compartir el mismo punto; por lo tanto, CMR de cada músculo debe evaluarse usando punto de cada músculo en lugar de utilizar el mismo punto para ambos músculos. RMT bilateral se determinó para cada músculo, utilizando un método de caza de umbral adaptativo. El número de estímulos aplicados para la determinación de RMT osciló entre 6 y 22 estímulos. La diferencia entre los dos valores RMT de cada músculo entre 1% y 3% MSO. Combinando estos resultados sugiere que utilizando un método de caza de umbral adaptativo puede ser un enfoque eficaz para determinar la RMT de un músculo de tobillo con baja variabilidad. Además, los grupos fueron menores que la intensidad utilizada para la caza de punto caliente (línea punteada en la figura 2). Este hallazgo indica que utilizando el punto situado en el área motora de la pierna (ver cuadros en la figura 1B) para determinar una intensidad suprathreshold "verdadero" es factible.

Figura 3 presenta las respuestas bilaterales de TA y SOL cuando se estimula el punto caliente de cada músculo durante resto. Para todos bilaterales estimulados focos, los eurodiputados contralaterales fueron sacados en TA y SOL. Sin embargo, las respuestas y las latencias eran siempre más grande y más corto en TA que en SOL, respectivamente, a pesar de todo fue estimulado el punto caliente que la de los músculos. Respuestas ipsilaterales estaban presentes principalmente en TA y cuando el punto estimulado era próximo a la fisura longitudinal del cerebro (ver figura: 2A – TA hot spot, 2B – ambos músculos punto caliente). Por el contrario, las respuestas ipsilaterales eran ausentes en ambos músculos cuando el lado estimulado más lateral de la fisura longitudinal del cerebro (> 10 mm) (ver figura 2A – punto caliente de SOL).

Figura 4 presenta las respuestas bilaterales de TA y SOL cuando se estimula el punto caliente de cada músculo durante el TVA. Como en resto, diputados contralaterales fueron sacados en TA y SOL para todos los sitios estimulados bilaterales durante 15 ± 5% MVIC. Se ha activado sólo el músculo examinado; por lo tanto, los restantes tres músculos estaban en reposo. CSP estaba presente sólo en el músculo activado examinado, TA y SOL. Como en resto, TMS sobre TA derecha e izquierda SOL focos también produce respuestas ipsilaterales; las respuestas estaban presentes sólo en la TA ipsolateral (ver Figura 4A,D). Por el contrario, TMS sobre el SOL derecho e izquierdos focos TA había sacada solamente los diputados contralaterales. Curiosamente, las respuestas tardías en SOL contralateral estaba presente solamente cuando la TA se ha activado; las respuestas estaban presentes bilateral ocurrió entre 80-100 ms post-TMS y tenía amplitudes más grandes que los diputados (ver † en la Figura 4A, C ). Estas respuestas tardías con rango 70-100 ms post-TMS se han divulgado previamente para estar en el SOL solamente con TA TVA (0-40% MVIC)48,49.

Descanso y condiciones de TVA eran similares las respuestas ipsilaterales fueron sacadas cuando se estimulan ciertos puntos calientes. La presencia de respuestas ipsilaterales podría ser el resultado de la estimulación de una vía de oligosynaptic (p. ej., tracto córtico-retículo-espinal) o actual de la propagación del pulso. Un enfoque para distinguir entre las dos posibles causas es calcular la diferencia de latencia entre las respuestas contralaterales e ipsolaterales. Estudios previos de TMS han especulado que una respuesta ipsilateral > 3 ms retraso en relación con la respuesta contralateral es diputado ipsolateral (iMEP), y la vía potencial podría ser el tracto córtico-retículo-espinal (es decir, oligosynaptic vía )50,51,52,53,54. Por el contrario, cualquier respuesta ipsolateral con un retraso más corto podría ser el resultado de la corriente de pulso; por lo tanto, tal respuesta puede no ser un plan. Durante el descanso, respuestas ipsilaterales tenían latencias similares como respuestas contralaterales (ver Figura 3A, C y D). Así, estas respuestas eran probablemente no iMEPs, pero eran probablemente provocada por la propagación del pulso de corriente aplicada junto a la fisura longitudinal del cerebro. Cuando la TA derecha y la izquierda SOL fueron activadas durante el TVA, respuestas ipsilaterales sólo fueron sacadas en la TA y se retrasaron por > 3 ms en comparación con la respuesta contralateral (ver Figura 4A, D). Estas respuestas podrían ser iMEPs, que puede indicar estimulación del tracto córtico-retículo-espinal. En Resumen, las respuestas ipsolaterales son comunes cuando el área motora de la pierna estimulada55; por lo tanto, se debe tener precaución cuando estas respuestas se interpretan como iMEPs.

Figure 1
Figura 1: reconstruir el cerebro piel y curvilíneas modelos. (A) un modelo de piel con cuatro puntos anatómicos (extremo de la muesca de la nariz, nasion y supratragic del oído derecho e izquierdo) se utiliza para calcular el registro de tema de imagen durante la evaluación colocando la punta de una aguja en cada punto de referencia. (B) una cuadrícula rectangular de 4 x 9 colocados bilateral sobre la pierna área cortical del motor. Cuadrados denotan los puntos utilizados para determinar la intensidad del suprathreshold utilizada para la caza del punto caliente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: TA Bilateral y SOL focos y RMT. En ambos hemisferios, el estrella símbolo denota el punto caliente de cada músculo. Bar parcelas presente la RMT promedio de dos evaluaciones (círculo blanco abierto) para cada músculo, mientras que los valores por debajo de cada círculo indican el número de estímulos aplicados para determinar la RMT utilizando un método de caza de umbral adaptativo. La línea discontinua indica la intensidad utilizada para la caza de punto caliente (45% MSO). (A) puntos calientes y grupos de la derecha contralateral TA y SOL mientras que el TMS se aplicó sobre el hemisferio izquierdo. TA punto fue sobre el área motora de la pierna y próximo a la fisura longitudinal del cerebro mientras que punto caliente de SOL fue lateral de 10 mm a TA punto de caliente. El número de estímulos para determinar TA y SOL RMT se extendió 6-21 y 9-11, respectivamente. (B) puntos calientes y grupos de la izquierda contralateral TA y SOL mientras que el TMS se aplicó sobre el hemisferio derecho. Como en el hemisferio izquierdo, TA caliente punto fue sobre el área motora de la pierna y próximo a la fisura longitudinal del cerebro. Punto caliente de SOL fue de 7,1 mm posterior-lateral a TA punto. El número de estímulos para determinar TA y SOL RMT estaba en los rangos de 10-22 y 10-11, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: TA Bilateral y evaluación SOL CMR - descansar. Para la estimulación de cada punto caliente, el EMG de la TA de reposo bilateral y SOL fueron recogidos mientras se presenta la forma de onda media de cada músculo (duración total 500 ms, 100 ms pre-TMS). √ los símbolos X indican que el diputado era presente (> 50 μV) o ausente (≤ 50 μV), respectivamente. En caso de presencia de diputado, se presentan los valores de la amplitud pico a pico (μV) y latencia (ms). (A) estimular el punto TA contralateral derecha en el hemisferio izquierdo. Los diputados fueron sacados en ambos músculos del tobillo derecho contralateral, con TA derecha con mayor amplitud y menor latencia de SOL adecuado. Dado que el punto estimulado es situado por la fisura longitudinal del cerebro y próximo al área motora de la pierna en el hemisferio izquierdo, MEP en los músculos del tobillo izquierda/ipsolateral fue también provocó (sólo at). (B) estimulación de la derecha contralateral SOL caliente en el hemisferio izquierdo. Los diputados fueron sacados solamente en los músculos del tobillo contralateral derecho; sin embargo TA tenía mayor amplitud MEP y latencia más corto que el sol (C) estimulación del punto caliente la izquierda contralateral de TA en hemisferio derecho. Los diputados fueron sacados en ambos músculos del tobillo contralateral izquierda y derecha/ipsolateral con ambos TA tener MEP más grande amplitudes y latencias más cortas que tanto SOL. Esta estimulación bilateral de MEP es principalmente debido a la ubicación del punto estimulado y suprathreshold intensidad. (D) estimulación de la izquierda contralateral SOL caliente en el hemisferio derecho. Los diputados fueron sacados en los músculos del tobillo contralateral izquierda y derecha, ipsolateral TA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: evaluación de SOL CMR - TVA y TA Bilateral. Para la estimulación de cada punto caliente, el EMG de los bilaterales TA y SOL fueron recogidos mientras el músculo contralateral examinado fue activado en 15 ± 5% MVIC. Se presenta la forma de onda media de cada músculo (duración total 500 ms, 100 ms pre-TMS). √ los símbolos X indican que el diputado era presente (> 50 μV) o ausente (≤50 μV), respectivamente. En caso de presencia de diputado, se presentan los valores de la amplitud pico a pico (μV), latencia (ms) y CSP (ms). (A) estimular el punto TA contralateral derecha en el hemisferio izquierdo. Derecho TA MEP fue seguido por CSP. MEP fue sacada en contralateral derecha SOL en que una respuesta tardía (†) también fue sacada (amplitud: 563 μV; latencia: 82,8 ms). Diputado también fue sacada en izquierda/ipsolateral TA, cuya latencia es retrasado por ms de 5,2 en comparación con la latencia la derecha contralateral de TA. (B) estimulación de la derecha contralateral SOL caliente en el hemisferio izquierdo. Derecho contralateral SOL MEP fue seguida por la CSP, y diputado al Parlamento Europeo también fue sacada en TA contralateral derecha. No izquierda/ipsolateral diputados fueron sacados. (C) estimular el punto TA contralateral izquierda en el hemisferio derecho. MEP TA de izquierda fue seguido por CSP. MEP fue sacada en contralateral izquierda SOL en que una respuesta tardía (†) también fue sacada (amplitud: 465 μV; latencia: 96,3 ms). No hay diputados fueron sacados de los músculos derecho/ipsolateral. (D) estimulación de la izquierda contralateral SOL caliente en el hemisferio derecho. Izquierda SOL MEP fue seguido por CSP. Los diputados fueron sacados en derecho/TA, cuya latencia es retrasado por 4,7 ms en comparación con la izquierda contralateral de TA latencia ipsolateral y contralateral izquierda SOL. No MEP fue sacada en derecho, ipsilateral sol haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Dado el interés emergente en cómo la corteza de motor contribuye al control motor de músculos de la pierna durante tareas dinámicas en diversas cohortes, se necesita un protocolo estandarizado de TMS que describe la evaluación completa de estos músculos. Por lo tanto, por primera vez, el presente Protocolo proporciona procedimientos metodológicos estandarizados en la evaluación bilateral de los dos músculos antagónicos de tobillo, SOL y TA, durante los dos Estados del músculo (resto y TVA) utilizando un solo pulso TMS con Neuronavegación.

Los resultados descritos en la sección de resultados representativos señala varios pasos críticos que deben considerarse. En primer lugar, debe realizarse evaluación de CMR de estos músculos, así como otros músculos de las piernas, utilizando un sistema de Neuronavegación en la que MRI cada sujeto puede usarse y debe determinarse el punto de cada músculo. Neuronavegación puede guiar estimulación precisa de TMS en el área motor, y cuando se utiliza MRI del tema, el área motora de destino puede ser estimulado exactamente56,57. Trabajo anterior examinó los efectos del uso de Neuronavegación durante una evaluación de TMS de los músculos de la extremidad superior58,59,60; los resultados de esos estudios se mezclaron. Sin embargo, ningún estudio examinó este efecto para un músculo de la extremidad inferior. Dada la ubicación de las áreas corticales motor de TA y SOL (es decir,adyacente a la fisura longitudinal del cerebro en aproximadamente 3-4 cm por debajo de la superficie del cuero cabelludo)36,42,61, a la caza de la "verdadera" caliente lugar de cada músculo con una rejilla colocada sobre la anatomía de cada sujeto aumenta la probabilidad de obtención factible un diputado en cualquier músculo, especialmente en el sol usando el mismo protocolo presentado aquí, hemos demostrado recientemente que los diputados fueron sacados con éxito en dos TA y SOL en casi todos los sujetos (N = 21)32. El segundo paso crítico es la evaluación bilateral de cada músculo. En contraste con áreas del motor de la extremidad superior, las áreas de motor de dos patas son adyacentes entre sí, y cuando se aplica un pulso sobre una zona de la frente puede ser estimulada debido a la extensión actual. Por lo tanto, cualquier respuesta ipsolateral en cualquier músculo puede indicar la presencia de un plan (una aproximación del potencial de la vía córtico-retículo-espinal)50 o simplemente un estímulo directo del área motor de la pierna opuesta. En el pasado, reportaron respuestas TA ipsilaterales, sin embargo el sitio estimulado se basó en hito anatómico (10 y 15 mm posterior y lateral al vértice)62. Mediante este protocolo, puede determinarse el punto caliente de cada músculo por separado y dependiendo de la ubicación del punto caliente se pueden produce respuestas contralaterales o bilaterales (ver figura 3 y figura 4). Si la respuesta bilateral es el resultado de bajar múltiples vías o a la estimulación de una sola vía requiere más investigación.

El presente Protocolo puede ser modificado dependiendo del diseño de investigación. Mientras que solo pulso TMS se utiliza en el presente Protocolo, emparejado pulso (pulso de prueba está precedida por acondicionado pulso)63,64 también se puede utilizar para evaluar las redes intracortical de estos músculos del dos tobillo. Del mismo modo, después de punto y determinación de RMT de cada músculo, bilaterales curvas de entrada y salida de cada músculo pueden ser adquiridas para evaluar la relación entre la intensidad TMS (entrada) y la amplitud de la MEP (salida). Para evaluar el CMR de cada músculo, 10 estímulos se aplican en cada punto caliente durante resto y TVA, sin embargo, informes recientes han sugerido que más de 10 estímulos deben usarse para evaluar confiablemente el CMR de un músculo65,66. Asimismo, más de un estímulo por punto puede aplicarse durante la caza de punto caliente (por ejemplo, 2-5 estímulos/puntos) en comparación con un solo estímulo por punto utilizado en el presente Protocolo. Mediante la aplicación de más de un estímulo por punto, el punto caliente de cada músculo podría determinarse más confiablemente. Estudio reciente sugirió que como pocos como dos estímulos por punto pueden ser suficientes para la determinación de punto caliente67. Además, en comparación con el método de caza de umbral más ampliamente utilizada, la frecuencia relativa método68, que se basa en el criterio de Rothwell Rossini69,70, se utiliza el método de caza de umbral adaptativo en el presente Protocolo. Aunque el método de caza de umbral adaptativo es más eficiente (es decir, que se requieren menos estímulos para determinar RMT) que el método de frecuencia relativa, ambos métodos comparten similar precisión71. Es importante recordar que todas las modificaciones mencionadas aumenta la cuenta total de los estímulos aplicados. Por último, el protocolo actual utiliza el criterio de amplitud de pico a pico de menos de 50 μV a evaluar para ruido de línea de base y para el "verdadero" estado de reposo. Descartar cualquier señal EMG mayor que 10 μV (raíz cuadrada media calculado sobre 100 ms) es un enfoque alternativo.

Este protocolo tiene algunas consideraciones metodológicas. En primer lugar, la evaluación de estos dos músculos es en posición sentada, ya sea en reposo o TVA. Como se mencionó anteriormente, TA y SOL son crucialmente importantes durante tareas posturales vertical y caminar. Aunque estudios previos han examinado TA y SOL CMR durante tareas postural vertical14,72,73,74,75,76 y caminar20, 22 , 77 , 78 , 79, la evaluación sólo fue unilateral, y TMS no fue guiada por Neuronavegación. Por lo tanto, aunque el presente Protocolo no se usa durante estas tareas, todavía puede proporcionar una ventana no invasiva sobre la unidad cortical de los músculos del dos tobillo. En segundo lugar, no se determinó el umbral motor activado (AMT), porque no hay una metodología bien establecida para esa medida. Que AMT se correlaciona con y es menor que RMT (~ 82%)80, MEP puede ser sacados durante el TVA aun cuando se utilice una intensidad suprathreshold de RMT. En tercer lugar, uso de la RMN estructural de cada sujeto con el sistema de Neuronavegación puede no ser factible en todas las configuraciones debido al alto costo de obtención de MRI y del sistema de Neuronavegación. Sin embargo, ciertos sistemas de Neuronavegación incluidos en este protocolo, pueden utilizarse sin MRI del sujeto; pero se utiliza una IRM promedio. En este caso, la bobina puede colocarse aún precisamente en el sitio estimulado.

Mientras que el trabajo previo ha examinado TA y SOL CMR durante varias tareas en diferentes cohortes, no estudio utilizó un protocolo estandarizado que examinaron estos dos músculos bilateralmente utilizando Neuronavegación con MRI del cada sujeto. Uso de resonancia magnética estructural de cada sujeto combinado con un sistema de Neuronavegación promueve la exactitud y precisión de la estimulación de las representaciones corticales motor de ambos músculos. Esto es fundamental para las áreas corticales motores de la pierna. Además, dado que el CMR de un músculo depende de si el músculo está completamente relajado o es parcialmente activa, este protocolo describe cómo la TA y SOL CMR pueden evaluarse durante resto y TVA. Además, cada hemisferio se estimula mientras que simultáneamente se evalúa la CMR bilateral de cada músculo. Además, en lugar de utilizar el mismo punto para la evaluación de CMR de un solo músculo, punto caliente de cada músculo se determina usando una rejilla estándar, que se posó sobre la representación cortical de la pierna y se define como el lugar con la mayor amplitud y de latencia más corto43. Aunque el método de frecuencia relativa es ampliamente utilizado para medir el umbral motor de un músculo68, este protocolo utiliza un método de caza de umbral adaptativo para reducir la duración experimental y número total de estímulos por sesión44. Finalmente, para reducir la duración del análisis de datos y estandarizar el cálculo de medidas CMR, se utiliza una metodología de análisis automatizado de los datos.

Los estudios futuros pueden utilizar este protocolo para aclarar más lejos el control cortical de TA y SOL en cohortes neurológicamente intactos y deterioradas. Una tal aplicación del presente Protocolo es la asignación de estos dos músculos. Aunque pocos estudios examinan el área cortical motora de TA81,82,83,84, sólo un estudio informó el área cortical motor de SOL de un solo paciente con displasia cortical focal85. Una característica común que comparten todos estos estudios es el uso de un mismo sistema TMS neuronavigated, que es distinto que el sistema utilizado en este protocolo. Sin embargo, este sistema es muy caro, y se encuentra generalmente en contextos clínicos, como los hospitales. Modificando el presente Protocolo, futuros estudios pueden investigar sistemáticamente y establecer datos normativos de las medidas de mapeo cortical para TA y SOL en adultos neurológicamente intactos. Tales resultados establecerán qué medidas del mapeo motor deben utilizarse para cuantificar específicamente las representaciones motor de cada músculo. Otra aplicación potencial del presente Protocolo es la evaluación de estos dos músculos antes y después de una cirugía o una intervención (por ejemplo, comportamiento: ejercicio; neurofisiológico: EMT repetitiva, estimulación transcraneal por corriente directa - TDCS) y durante el período de recuperación en atléticos o clínicos cohortes. Esto permitirá a los científicos de rehabilitación determinar cómo una cirugía o una intervención puede alterar la unidad cortical de estos dos músculos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores agradecen a Dr. Jesse C. Dean para ayudar con el desarrollo metodológico y proporcionando información sobre el proyecto del manuscrito. Este trabajo fue apoyado por una VA carrera desarrollo Premio 2 RR & D N0787-W (MGB), un premio de desarrollo institucional de la nacional Instituto de General ciencias médicas del NIH grant número P20-GM109040 (SAK) y P2CHD086844 (SAK). El contenido no representa las opiniones del Departamento de asuntos de veteranos o el gobierno de 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.

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Neurociencia número 144 estimulación magnética transcraneal tractos corticoespinales tibial anterior sóleo activación voluntaria tónico Neurofisiología corticomotor respuesta Neuronavegación cerebral
Navegado de evaluación bilateral de las vías corticoespinales de los músculos del tobillo mediante estimulación magnética transcraneal
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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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