Waiting
Login processing...

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

Behavior

Stående neurofysiologisk vurdering af nedre ekstremitetsmuskler efter slagtilfælde

Published: July 26, 2021 doi: 10.3791/62601
Automatic Translation
1,2, 3, 3, 1,2,3
1Department of Research and Development, Ralph H. Johnson Veterans Administration Medical Center, 2College of Health Professions, Department of Rehabilitation Sciences, Division of Physical Therapy, Medical University of South Carolina, 3College of Health Professions, Department of Health Sciences and Research, Medical University of South Carolina

Summary

Denne protokol beskriver processen for at udføre en neurofysiologisk vurdering af de nedre ekstremitetsmuskler, skinneben forreste og soleus, i stående stilling ved hjælp af TMS hos mennesker efter slagtilfælde. Denne position giver en større sandsynlighed for at fremkalde en post-stroke TMS respons og giver mulighed for brug af reduceret stimulator magt under neurofysiologiske vurderinger.

Abstract

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er et almindeligt værktøj, der bruges til at måle adfærden af motorkredsløb i sunde og neurologisk svækkede populationer. TMS anvendes i vid udstrækning til at studere motorisk kontrol og reaktionen på neurorehabilitering af de øvre ekstremiteter. Men, TMS har været mindre udnyttet i undersøgelsen af lavere ekstremitet postural og walking-specifikke motor kontrol. Den begrænsede anvendelse og de yderligere metodiske udfordringer i forbindelse med TMS-vurderinger af underekstremitet har bidraget til den manglende sammenhæng i TMS-procedurerne i underekstremitet i litteraturen. Inspireret af den reducerede evne til at registrere lavere ekstremitet TMS motor fremkaldte potentialer (MEP), denne metodiske rapport detaljer skridt til at muliggøre post-stroke TMS vurderinger i en stående stilling. Den stående kropsholdning giver mulighed for aktivering af det neuromuskulære system, der afspejler en tilstand, der er mere beslægtet med systemets tilstand under posturale og gå-opgaver. Ved hjælp af dual-top kraft plader, instruerede vi deltagerne til lige dele deres vægt mellem deres paretic og ikke-paretiske ben. Der blev givet visuel feedback på deltagernes vægtfordeling. Ved hjælp af billedvejledningssoftware leverede vi enkelt TMS-impulser via en dobbelt keglespole til deltagernes læsionerede og ikke-læsionerede halvkugler og målte den kortikomotoriske respons fra de paretiske og ikke-paretiske skinnebensfori og soleus muskler. Udførelse af vurderinger i stående stilling øgede TMS-responsraten og gjorde det muligt at anvende de lavere stimuleringsintensiteter sammenlignet med standard siddende/hvilepositionen. Udnyttelse af denne TMS-protokol kan give en fælles tilgang til at vurdere den nedre ekstremitet kortikomotoriske respons efter slagtilfælde, når neurorehabilitering af posturale og ganglige funktionsnedsættelser er af interesse.

Introduction

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er et instrument, der anvendes til at måle adfærd neurale kredsløb. De fleste TMS-undersøgelser med fokus på undersøgelse af motorstyring/ydeevne er blevet gennemført i de øvre ekstremiteter. Ubalancen mellem de øvre og nedre ekstremitetsundersøgelser skyldes til dels de yderligere udfordringer med at måle den nedre ekstremitetskorticomotoriske respons (CMR). Nogle af disse metodiske forhindringer omfatter de mindre kortikale repræsentationer af de nedre ekstremitetsmuskler i motorbarken og den dybere placering af repræsentationerne i forhold til hovedbunden1. I populationer med neurologisk skade er der også yderligere forhindringer. For eksempel viser ca. halvdelen af individerne efter slagtilfælde ingen reaktion på TMS i hvile i nedre ekstremitetsmuskler2,3. Manglen på post-stroke respons på TMS ses endda, når patienterne opretholder en vis viljekontrol af musklerne, hvilket indikerer mindst en delvist intakt korticospinal tarmkanalen.

Manglen på målbare TMS-reaktioner med vedligeholdt motorisk funktion bidrager til vores reducerede forståelse af postural og gangspecifik motorisk kontrol efter slagtilfælde og neurofysiologiske virkninger af neurorehabilitering. Men, nogle af udfordringerne ved lavere ekstremitet post-stroke neurofysiologiske vurderinger er blevet overvundet. For eksempel kan en dobbelt keglespole bruges til pålideligt at aktivere de nedre ekstremitets motoneuroner placeret dybt i den interhemisfæriske revne1. Den dobbelte kegle spole producerer et større og stærkere magnetfelt, der trænger dybere ind i hjernen end den mere almindeligt anvendte figur-of-otte spole4. En anden metodologisk ændring , der kan implementeres for at øge reaktionsevnen over for TMS, er måling af CMR under en lille frivillig sammentrækning5. Generelt udføres denne sammentrækning på et forudbestemt niveau af enten maksimalt frivilligt ledmoment eller maksimal elektromyografisk (EMG) muskelaktivitet. Perifer nerve stimulation kan også bruges til at fremkalde en maksimal muskel respons og den registrerede EMG af dette svar kan bruges til at indstille den målrettede frivillige aktivering af musklen.

Udførelse af TMS-vurdering efter slagtilfælde under aktiv muskelsammentrækning er ret almindelig i de øvre ekstremiteter, hvor isometriske opgaver kan efterligne funktionelle aktiviteter, for eksempel at gribe / holde objekter. I modsætning hertil, walking opnås gennem bilateral aktivering af flere muskelgrupper via kortikale, subkortikale, og rygmarvsstrukturer og kræver postural muskel aktivering til at modstå virkningerne af tyngdekraften. Denne aktiveringstilstand afspejles sandsynligvis ikke ved måling af isolerede muskler, der producerer en isometrisk sammentrækning. Flere tidligere undersøgelser rettet mod at forstå postural og gangspecifik motorstyring har leveret TMSpulser,mens deltagerne gik6,7,8 og stående9,10,11,12,13,14,15 . Målingen af CMR i opretstående stilling giver mulighed for aktivering af posturale muskler og subkortikale komponenter i posturale og ganglige motor-kontrol netværk. Til dato har der ikke været nogen rapporter om at udføre stående TMS-vurderinger hos enkeltpersoner efter slagtilfælde.

Denne undersøgelse foreslår en standardiseret metode, bygget på den eksisterende litteratur af stående TMS metoder6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, for stående TMS vurdering af CMR efter slagtilfælde. Denne metode kan anvendes af forskergrupper, der studerer, men ikke begrænset til, posturale underskud og gang-specifikke motoriske kontrol efter slagtilfælde og etablere større sammenhæng i TMS procedurer. Formålet med denne metodiske undersøgelse var at afgøre, om stående TMS-vurderinger er mulige hos personer efter slagtilfælde med moderate gangbesvær. Vi hypotese, at udføre vurderinger i stående stilling ville 1) øge sandsynligheden for at fremkalde en målbar respons (motor fremkaldt potentiale, MEP) og 2), at stimulator magt / intensitet, der anvendes til at udføre stående TMS vurderinger ville være lavere end for de normalt udførte siddende / hvile vurderinger. Vi mener, at en vellykket færdiggørelse og udbredt brug af denne protokol kan føre til en større forståelse af de neurofysiologiske aspekter af postural og gangspecifik motorisk kontrol efter slagtilfælde og virkningerne af neurorehabilitering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle procedurer blev godkendt af Institutional Review Board på Medical University of South Carolina og i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen.

1. Rekruttering af deltagere

  1. Rekruttér personer efter strøg fra den lokale database. Til dette eksperiment blev 16 personer rekrutteret fra en lokal elektronisk rekrutteringsdatabase. I nogle tilfælde blev deltagerne rekrutteret specifikt, fordi de ikke havde reageret på TMS i hvile i tidligere undersøgelser udført af vores forskningsgruppe.
    1. Brug følgende inklusionskriterier for denne undersøgelse: mænd og kvinder i alderen 18-85 år, mindst 6 måneder efter slagtilfælde, resterende parese af de nedre ekstremiteter og i stand til at stå 10 min uden en hjælpeanordning.
    2. Ekskluder deltagere, hvis de tidligere har haft anfald, taget receptpligtig medicin, der sænkede krampe tærskler, tidligere havde haft hjerneskade og/eller andre sygdomme i centralnervesystemet, havde implanteret udstyr eller metalgenstande i hovedet eller havde svær gigt eller ortopædiske tilstande, der begrænsede deres passive bevægelsesområde.
      BEMÆRK: Deltagernes demografi er placeret i tabel 1.
Studie-id Alder Måneder
bogfør Streg		 Køn Race Type streg Slagtilfælde
Halvkugle		 Højde
cm)		 Vægt
(kg)		 Selvvalgt ganghastighed (m/s) Gå
Hjælpe
1 67 28.7 M C Intracerebral blødning Højre 180 74.8 0.61 Ingen
2 84 55.8 F C Iskæmisk Højre 165 68.0 0.94 Ingen
3 56 262.7 F C Subaraachnoid blødning Venstre 152 59.0 1.29 Ingen
4 67 141.8 M C Intracerebral blødning Højre 180 72.6 0.27 Sukkerrør / AFO
6 48 21.6 M C Intracerebral blødning Højre 170 61.2 0.83 Ingen
7 58 93.9 M C Akut iskæmisk Venstre 168 112.5 0.77 Quad Sukkerrør / AFO
8 71 55.3 F AA Akut iskæmisk Venstre 170 68.0 1.05 Ingen
9* 65 23.7 M C Akut iskæmisk Højre 178 84.8 - Knæbøjle
10 70 26.6 M C Akut iskæmisk Venstre 173 78.9 0.81 Ingen
12 70 10.0 M C Akut iskæmisk Venstre 170 86.2 1.11 Ingen
13 65 80.6 M C Akut iskæmisk Højre 185 139.7 0.93 Stok / Krykke
14 79 83.0 M C Akut iskæmisk Højre 175 88.5 0.48 Stok
15 51 54.4 M AA Akut iskæmisk Venstre 178 90.7 1.35 Ingen
17 65 18.5 M C Akut iskæmisk Højre 170 74.8 0.28 Stok
18 63 48.8 F AA Akut iskæmisk Højre 170 83.9 1.12 Ingen
19 58 25.9 M C Akut iskæmisk Begge 183 88.5 1.10 Ingen
* Deltager fjernet fra dataanalyse på grund af manglende evne til at gennemføre de nødvendige vurderinger
AFO = ankel fod orthortic

Tabel 1: Deltagernes demografi.

  1. Tag indledende kontakt med deltagerne via telefon og forklar kort testprocedurerne. Inviter interesserede personer til laboratoriet.
    1. Ved ankomsten til forskningsfaciliteten skal et medlem af forskningspersonalet fuldt ud forklare den eksperimentelle protokol til de potentielle deltagere.
    2. Når en potentiel deltager bekræfter, at vedkommende er villig til at deltage i undersøgelsen, skal vedkommende indhente skriftligt informeret samtykke, der er godkendt af den lokale institutionsundersøgelseskomité.

2. Billedvejledningssystem og deltageropsætning

  1. Brug billedvejledningssoftware til at sikre ensartet levering af TMS-pulserne under vurderingen.
    1. Start et nyt projekt ved hjælp af den MNI-hovedmodel, der er oprindelig til billedstyringssystemet. Åbn softwaren , og vælg Nyt MNI Head Project.
    2. Klik på fanen Mål i pop op-vinduet , og klik derefter på Konfigurer mål. Bestem hovedbunden placering direkte overlegen i forhold til den præ-centrale gyrus og 0,5 cm laterale til midsagittal linje.
    3. Når placeringen er visuelt identificeret, skal du tilføje et nyt rektangulært gitter ved at klikke på det nyeog derefter på det rektangulære gitter. Gitteret skal vises på skærmen, og den mediale række skal være 0,5 cm lateral til den midsagittale linje.
    4. Tilpas størrelsen på gitteret ved at skrive 3 og 5 i gitterstørrelsesboksene. Indstil gitterafstanden til 10 med 10 mm ved at skrive i gitterafstandsboksene. Marker markørværktøjet, og flyt derefter markøren til hovedbundsbilledet.
    5. Tryk og hold museknappen nede for at rotere hovedbundsbilledet for at sikre, at alle gitterpunkter rører huden. Hvis gitterpunkterne ikke er på hovedbunden, skal du justere gitterets krumning ved at flytte krumningsskyderen.
    6. Gentag disse procedurer for at placere et andet 3 x 5 gitter over den modsatte halvkugle.
      BEMÆRK: Dette kan udføres, før en deltager tilmelder sig undersøgelsen og ankommer til laboratoriet. Derudover kan en deltagers anatomiske T1-vægtede billede bruges, hvis det er tilgængeligt. Specifikke oplysninger om brug af anatomiske MRI'er til navigation kan findes i den tidligere offentliggjorte artikel16.
  2. Start en ny session i billedvejledningssoftwaren ved at vælge fanen Sessioner, når softwaren er åben.
    1. Klik på Nyog derefter på Online Session. Marker de to gitre, der er oprettet i forrige afsnit (afsnit 2.1), i det næste vindue ved at klikke på dem, og klik derefter på Tilføj.
    2. Markér afkrydsningsfeltet ud for Brug switch (Skift til) under TTL-udløserindstillinger under fanen IOBox og input 0 ms i feltet Dødt tidspunkt. Klik på knappen Næste øverst. Sørg visuelt for, at billedstyringssystemets kamera er aktivt.
  3. Begynd deltagerregistrering ved at placere emne tracker, der leveres med billedet vejledningssystem, omkring deltagerens pande.
    1. Juster manuelt kameraet for at sikre, at deltagertrackeren er midt i kameraets synsfelt. Klik derefter på fanen Registrering øverst i softwaren.
    2. Placer billedstyringssystemets pointer/markør på registreringsmærkerne: nasion og højre og venstre vinkelret. Når markøren er placeret på huden, skal du klikke på knappen Næste for at registrere deltagerens hudplaceringer til billedvejledningssoftwaren.
    3. Når registreringsmærkerne er blevet fanget, skal du klikke på fanen Skalering øverst i softwarevinduet. Placer markøren på de højre, venstre, øverste, forreste og bageste steder i deltagerens hovedbund.
    4. Klik på knappen Næste på hvert sted for at skalere billedstyringssystemet til deltagerens hoved. Når skaleringen er fuldført, skal du klikke på fanen Udfør øverst i softwaren. Billedstyringssystemet er nu klar.

3. Forberedelse og opsætning af overfladeelektroografi

  1. Forbered deltagernes skinneben anterior (TA) og soleus (SOL) muskler til overflade elektromyografi (sEMG) elektroder. For at forberede huden til sEMG skal du rengøre området ved hjælp af alkoholpuder og om nødvendigt fjerne ethvert hår med en engangssikkerhedsskraber. Placer sEMG engangsgelelektroder i henhold til SENIAM retningslinjer17.
    BEMÆRK: Sensorplaceringen for TA'en er 1/3 af vejen ned på linjen mellem spidsen af fibulaen og spidsen af den mediale malleolus. For SOL skal du placere sensoren 2/3 af linjen mellem lårbenets mediale condyle til den mediale malleolus.
  2. Når elektroderne er fastgjort, skal du visuelt inspicere signalet for kvalitet. Fortsæt derefter med at pakke skaftene med en elastisk bandage for at minimere enhver bevægelse af elektroderne og den resulterende artefakt under test.
    BEMÆRK: Optag sEMG-signaler ved 5000 Hz i et 0,5 s vindue, der starter 0,1 s før leveringen af TMS-pulserne. Den nøjagtige prøveudtagningshyppighed og mængden af indsamlede data vil afhænge af den hardware og software, der bruges til at registrere sEMG-responsen på TMS. Yderligere oplysninger om oprettelse af EMG-optagelser og -analyser findes i Tankisi et al.18.

4. Force plade og deltager sikkerhed setup

  1. Åbn dataindsamlingssoftwaren, og start en ny prøveversion for at kalibrere dual-top-kraftpladen.
    1. Klik på Start, og start en FP Zero-prøveversion. Saml 3-5 s data uden belastning på kraftpladen, og klik derefter på Stop.
    2. Når kraftpladen er kalibreret, er deltageren blevet registreret i billedstyringssystemet (punkt 2.2), og sEMG-elektroderne er blevet placeret og testet for signalkvaliteten (afsnit 3), instruerer deltageren om at stå og montere dem med en sikkerhedssele.
    3. Få deltageren til at træde på kraftpladen og standardisere deres fodplacering med afdækningstape, der påføres kraftpladen for at betyde den forreste position af foden og de mediale kanter på fødderne lige langt fra midterlinjen.
    4. Fastgør deltagerens sikkerhedssele til loftstøtten. Placer en rollator, eller lignende enhed, omkring kraftpladen for at give deltagerne noget at stabilisere sig med under test, hvis det er nødvendigt.
      BEMÆRK: Sørg for, at deltagerne under alle stående TMS-procedurer er fastgjort til loftet via en sikkerhedssele for at forhindre et fald.
  2. Mål og indsamle deltagerens vægt, som de står på kraftpladen ved at klikke på Start og vælge en FP Statisk prøve. Optag data til en værdi af 2-5, og klik på Stop for at afslutte forsøget.
    1. Når du står på kraftpladerne, skal du sikre dig, at dataindsamlingssoftwaren viser to søjlediagrammer, der repræsenterer vægten/kraften under hver af deltagerens fødder (figur 1A). Når deltageren flytter sin vægt til den ene side, ændres søjlediagrammerne i højden (Figur 1B).
    2. Hvis en deltager fjerner vægten på benene til armene, skal du sørge for, at søjlediagramvisningen skifter farve (Figur 1C). Når en deltager bliver komfortabel stående med samme vægt fordelt mellem benene, kan måling af CMR begynde.

Figure 1
Figur 1: Repræsentativt billede af den visuelle feedback, der gives til deltagerne under den stående TMS-vurdering. De lodrette stænger repræsenterer den mængde kraft, der måles af hvert af kraftpladens områder. De faste vandrette linjer repræsenterer det område af lodret kraft målt for at sikre lastning af kropsvægt på de nedre ekstremiteter og ikke gennem armene, hvis deltagerne havde brug for at stabilisere sig med den medfølgende håndstøtte. Hvis deltagerens kropsvægt blev flyttet til den ene side mere end 5 %, ændrede de lodrette søjler farver for at informere deltageren om at læne sig mod den side, der blev fjernet, som vist i (B). Hvis deltageren læssede/lossede mere end +/- 5 % af sin kropsvægt af benene, ændres baggrundsskærmfarven som vist i (C). Klik her for at se en større version af dette tal.

5. Stående corticomotorisk responsvurdering

  1. Begynd de neurofysiologiske vurderinger ved at identificere en stimulatorintensitet, der producerer konsistente motoriske fremkaldte potentialer (MEP), dvs. EMG-signal amplitud > 50 μV og / eller en synlig korticosilent periode i de aktive muskler, i mål TA og SOL-musklen.
    BEMÆRK: Brug en dobbelt keglespole til at levere alle TMS-impulser, hvor strømmen bevæger sig gennem spolen i forreste retning til posterior-retning. Anvend kun TMS-pulserne, når deltageren opretholder ens vægtfordeling mellem deres paretiske og ikke-paretiske ben, som angivet af de visuelle feedback-/søjlegrafer, der er nævnt i forrige afsnit (afsnit 4.2).
    1. Test det paretiske lem først ved at anvende TMS-impulser på den læsionerede halvkugle. Begynd med at indstille TMS-stimulatorens effektniveau til 50 % maksimal stimulatoroutput (%MSO) ved at dreje på outputstyringsknappen. Påfør en enkelt puls ved 50% MSO til det midterste gitterpunkt, der er placeret lige lateralt til den langsgående revne ved at trykke på udløserknappen på stimulatoren. Påfør 2-3 pulser med et interstimulusinterval på 5-10 s.
      BEMÆRK: Hvis en deltager viser et svar på 50% MSO, skal du gå til afsnit 5.2 og begynde hotspotidentifikation.
    2. Hvis svarene ikke ses i TA og SOL, øge stimulator effekt med 10% MSO ved at dreje output control drejeknap og levere 2-3 TMS pulser som i trin 5.1.1.
    3. Hvis der ikke ses svar efter at have øget stimulatoren til 60% MSO, igen øge strømmen med 10% MSO. Hvis der ikke fremkaldes medlemmer af Europa-Parlamentet ved 70 % MSO, skal du tilfældigt vælge flere gitterpunkter og anvende TMS-impulser for at afgøre, om der er et svar ved den aktuelle strømindstilling.
    4. Hvis der ikke registreres nogen svar på et gitterpunkt ved den nuværende 70% MSO, skal du vende tilbage til det oprindelige målnetpunktsland, fortsætte med at øge stimululatoreffekten med trin på 10% MSO og anvende 2-3 stimuleringer som tidligere beskrevet.
      BEMÆRK: Gentag denne proces, indtil der registreres pålidelige svar fra målmusklerne, eller indtil det er fastslået, at deltageren ikke har noget svar på TMS. Ikke alle deltagere vil producere et målbart svar på TMS.
  2. Når stimulatoreffekten, der producerer en ensartet respons, er blevet identificeret, skal du begynde at identificere hotspottet, dvs. hovedbundsplaceringen, der producerer den største reaktion på de anvendte TMS-pulser.
    1. Start en ny hotspot-prøveversion ved at klikke på Start og vælge Hotspot. Påfør en enkelt pulsstimulering på hvert af de 15 gitterpunkter på suprathreshold-effektniveauet, der er identificeret i de foregående trin. Flyt spolen til det første gitterpunkt ved hjælp af billedstyringssystemet.
    2. Når spolen er i den rigtige position, skal du anvende TMS-pulsen ved at trykke på udløserknappen på stimulatorenheden. Flyt derefter spolen til den næste gitterplacering og anvende en anden enkelt TMS-puls. Fortsæt, indtil der er anvendt en enkelt stimulering på hvert gitterpunkt, og klik på Stop for at afslutte forsøget.
    3. Undersøg amplituderne af de sEMG-signaler, der registreres på hvert gitterpunkt. Visuelt identificere gitterpunkter med den største MEP amplitud, registreret i sEMG signaler, for hver af de målrettede muskler. De netplaceringer med de største MEP-amplituder er hotspots og vil blive brugt til at måle den kortikomotoriske respons i de følgende afsnit.
      BEMÆRK: Ved nogle lejligheder kan en enkelt netplacering give de største MEP-amplituder til både TA og SOL. I disse tilfælde bestemmes de motoriske tærskler for hver muskel separat.
  3. Dernæst bestemmes motortærsklen for den målrettede muskel ved hjælp af simpel adaptiv parameterestimering ved sekventiel test (PEST)19,20.
    1. Åbn PEST-programmet, og indstil den oprindelige stimulatorintensitet til den suprathreshold-værdi, der bruges til at identificere hotspottet ved at skrive værdien i boksen.
    2. Begynd et nyt PEST-forsøg ved at klikke på fanen Start i dataindsamlingssoftwaren, og vælg PEST.
    3. Anvend en enkelt TMS-puls på den identificerede målmuskels hotspot ved den oprindelige %MSO-intensitet, der vises i PEST-programmet. Angiv i PEST-programmet, at der blev observeret et respons i musklens sEMG-signal ved at skrive y eller n. PEST-programmet beregner automatisk den næste stimuleringsintensitet.
    4. Juster stimulatorens effektniveau, så det passer til PEST-programmet, og anvend endnu en enkelt TMS-puls. Fortsæt denne proces, indtil PEST-programmet bestemmer motortærsklen, angivet med en ændring i farven på stimuleringsintensiteten, og afslut dataindsamlingsforsøget ved at klikke på fanen Stop.
      BEMÆRK: PEST-proceduren bruger et frit tilgængeligt program, der styrer, hvor meget stimulatorkraft der skal bruges med successive pulser. Et af PEST-programmerne kan findes her: (https://www.clinicalresearcher.org/software.htm).
  4. Når målmusklens hotspot og motorgrænse er blevet identificeret, skal du begynde CMR-evalueringen. Indstil stimulatorens intensitet til 120 % af den bestemte motortærskel.
    1. Start en ny prøveversion i dataindsamlingssoftwaren ved at klikke på fanen Start, og vælg en MEP-prøveversion. Placer spolen på musklens hotspot og anvende 10-20 single-pulse stimulationer.
    2. Tillad 5-10 s mellem hver stimulering. Optag de fremkaldte sEMG-svar til offlineanalyse. Tillad deltageren at hvile ad libitum og i tilstrækkelig tid mellem testprocedurerne for at reducere sandsynligheden for, at deltageren udvikler træthed, hvilket kan påvirke resultaterne.
    3. Klik på fanen Stop, når mep'erne er optaget for at afslutte retssagen.
      BEMÆRK: Forskeren, der håndterer TMS-spolen, skal sikre, at deltagerne har samme vægtfordeling under hvert ben umiddelbart før påføring af TMS-puls. Hvis investigator mener, at stimuleringen blev anvendt, mens deltagerens vægt ikke var ligeligt fordelt, udføre en yderligere stimulation og udelukke det foregående forsøg fra fremtidig analyse. Test de ikke-paretiske muskler umiddelbart efter de paretiske muskler. Figur 2 viser forsøgsopsætningen under den stående TMS-vurdering.

Figure 2
Figur 2: Billede taget under målingen af den kortikomotoriske respons (CMR) i stående stilling. Billedstyringssystemet og den indsamlede sEMG-aktivitet vises for forskningspersonalet under dataindsamlingen som vist på skærmene, der er placeret i venstre side af billedet. Visuel feedback af vægtfordelingen blev givet foran og lidt til højre for deltagerne. Deltagerne bar en sikkerhedssele, der var fastgjort til loftet for at forhindre fald, mens de stod på dual-top kraftpladen. Der blev ydet støtte til deltagernes arme for at hjælpe deltagerne med at stabilisere sig, efter at TMS-pulserne blev anvendt. Klik her for at se en større version af dette tal.

6. Vurdering af kortikomotorisk respons

  1. Når den stående TMS-vurdering er afsluttet, skal motortærsklerne og CMR'en genannes i hvile-/siddeposition.
    1. Benyt de samme procedurer, der tidligere er beskrevet (punkt 5.2-5.4). Den eneste ændring er deltageren skal sidde i en stol med benene støttet og muskler afslappet.
    2. Brug de samme hotspots, der er identificeret under stående vurdering (punkt 5.2), i siddende stilling. Udfør den neurofysiologiske test på samme måde som anvendes i stående stilling, bortset fra at bruge en stimulering intensitet på 120% af hvile / siddende motor tærskel.
      BEMÆRK: Det kan være nødvendigt at udføre yderligere test ved hjælp af en tidligere bestemt stimulatoreffekt. Hvis der f.eks. foretages sammenligninger mellem resultatet af parlamentsmedlemmet i forskellige posturale stillinger, kan det være nødvendigt at bruge en lignende absolut stimulatorkraft. Dette vil afhænge af det foreliggende forskningsspørgsmål og bør identificeres under studiedesignet.

7. Statistisk tilgang

  1. For at teste hypotesen om, at stående ville føre til en øget sandsynlighed for fremmane målbare svar konstruere en 2 x 2 tabel og teste proportionerne ved hjælp af McNemar's Test21.
  2. Hvis du vil sammenligne effektniveauerne for motortærsklerne, skal du bruge en parret t-testpå de deltagere, der havde målbare svar i begge positioner. Bestem betydningen med en alfa = 0,05.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En deltager blev fjernet fra analysen på grund af manglende evne til at tolerere den stående TMS-procedure på grund af allerede eksisterende knæsmerter og et diabetisk sår modtaget før deres ankomst til forskningslaboratoriet, hvilket efterlod en endelig prøvestørrelse på 15. Diabetisk sår var direkte over TA og udelukket enhver sEMG foranstaltninger af denne muskel. Der blev ikke rapporteret om større bivirkninger til efterforskerne under hverken mødet eller de stående TMS-procedurer. Flere mindre bivirkninger blev rapporteret, såsom nakke muskelsmerter og let hovedpine. Disse mindre hændelser blev imidlertid rapporteret i slutningen af testsessionen, og det var ikke klart, om siddende eller stående procedurer var mere ansvarlige for disse bivirkninger. Disse mindre bivirkninger ses almindeligvis efter TMS-evalueringer og inden for TMS-litteraturen22.

Den samlede belastning/losning af kropsvægt under TMS puls ansøgning var +0,4% (SD 1,8%) af kropsvægt. Dette betyder, at deltagerne ikke lossede kropsvægten fra deres ben til deres arme, når de brugte rollatoren som et middel til at forsørge sig selv under TMS-procedurerne. Den gennemsnitlige vægtfordeling af deltagernes venstre ben var 50% (SD 6%). Vi forsøgte at måle motoriske tærskler i fire separate muskler (paretisk og ikke-paretisk, TA og SOL), hvilket førte til i alt 60 motortærskler i både stående og siddende positioner. I stående stilling var vi i stand til at fremkalde og måle en motorgrænse på 90,0 % af tiden sammenlignet med 65,0 % i siddende stilling. Inden for en enkelt session var det mere sandsynligt, at en vurdering af motortærsklen i stående stilling ville resultere i et målbart svar (McNemar Chi2, Yates korrektion, χ = 8,48, P = 0,004) (Tabel 2). Dette er i overensstemmelse med vores første hypotese om, at stående position ville resultere i en øget sandsynlighed for at fremkalde målbare svar. Vores anden hypotese var, at stående ville resultere i motoriske tærskler kræver lavere stimulator effekt. Vores resultater viser, at når personer præsenteret med målbare motortærskler i siddende og stående positioner, de målte tærskler i stående stilling var lavere (N = 38, Stående MT 45% MSO SD 9, Siddende MT 53% MSO SD 11, Parret t-statistik4,99, P < 0,001). Figur 3 viser de målte motortærskler for hver muskel og tilstand for alle deltagere.

Sidder
Svar		 Stående svar
Ja Nej Total %
Ja 38 1 39 65
Nej 16 5 21 35
Total 54 6 60
% 90 10 100

Tabel 2: Den konstruerede 2 x 2-tabel viser den rapporterede evne til at producere et svar på TMS og evnen til at måle en motorisk tærskel under sidde- og stående forhold. McNemars test blev brugt til at sammenligne sandsynligheden for at fremkalde et målbart svar, og det blev konstateret, at de stående vurderinger var betydeligt mere tilbøjelige til at fremkalde et målbart svar sammenlignet med at udføre evalueringer i en siddende stilling.

Figure 3
Figur 3: Målte motortærskler i musklerne af interesse. Linjer, der forbinder venstre og højre værdier, indikerer, at personen havde målbare motortærskler for den pågældende muskel i både siddende og stående positioner. Motortærskler måles og rapporteres som en procentdel af maksimal stimulatorudgang (%MSO). (A,B) viser motoriske tærskler målt i henholdsvis paretiske og ikke-paretiske skinnebensforladte muskler. (C, D) viser de motoriske tærskler for henholdsvis de paretiske og ikke-paretiske soleusmuskler. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den eksperimentelle protokol blev veltolereret af de fleste deltagere. En person var ude af stand til at fuldføre den stående TMS evaluering på grund af allerede eksisterende decubitus sår sekundært til diabetiske komplikationer og ortopædiske problemer, der involverer allerede eksisterende knæsmerter. Mængden af lastning / losning af kropsvægt fra benene var minimal. Der var dog i gennemsnit en lidt større nedadgående kraft målt under anvendelsen af TMS-pulserne. Dette skyldes sandsynligvis spolens vægt og det nedadgående tryk, som efterforskerne anvender for at sikre, at der var tilstrækkelig kontakt mellem hovedbunden/hovedet og TMS-spolen. De minimale ændringer i kropsvægt fanget under TMS procedurer i forhold til de statiske forsøg tyder på, at ingen væsentlige virkninger af kropsvægt lastning eller losning bidraget til vores resultater. Vi undersøgte også vægtfordelingen mellem benene og fandt, at den var symmetrisk, med et gennemsnit på 50% af deltagernes vægt understøttet af deres venstre ben. Det forventes, at post-stroke personer, der kan stå i 10 min med lidt at ingen støtte kan fuldføre den beskrevne stående TMS vurderinger. Stående stilling gav mulighed for en større responsrate til TMS sammenlignet med hvile-/siddepositionen. Stigningen i TMS lydhørhed i stående stilling kan give personer, der tidligere var diskvalificeret fra neurofysiologiske undersøgelser på grund af manglende målbar TMS respons at kvalificere sig til fremtidige undersøgelser undersøge postural og walking-specifikke post-takt motorisk kontrol. Øget pulje af støtteberettigede deltagere kan føre til større generalisering af forskningsresultater på tværs af post-stroke befolkning.

Motortærskler, der blev vurderet i stående stilling, blev målt til en lavere %MSO. Motortærskler efter slagtilfælde øges ofte23 og kræver stimulering ved en høj %MSO for at måle CMR. Anvendelse af høj effekt TMS pulser med en dobbelt-kegle spole kan føre til øget ansigtsbehandling og øvre ekstremitet muskelsammentrækninger, der kan være ubehageligt for deltagerne i forskningen. Udførelse neurofysiologiske evalueringer ved en lavere intensitet kan øge tolerabiliteten af TMS procedurer i nogle post-stroke deltagere og øge deltagelsen i disse typer af undersøgelser.

Denne metode beskriver processen til måling af kortikomotorisk respons på enkeltimpuls TMS. Parrede pulsparadigmer kan dog også indsamles i stående stilling. Intrakortikatisk hæmning (SICI) og intrakorttisk facilitering (ICF) anvender to TMS-impulser leveret af samme spole med interstimulusintervaller på henholdsvis2og 10 ms . Disse intrakortikale foranstaltninger kan give yderligere oplysninger om neurofysiologisk tilstand / adfærd i nervesystemet under stående i forhold til motoriske tærskler alene.

Som med alle videnskabelige metoder er der begrænsninger i den nuværende protokol. Et vigtigt punkt at overveje er, at personer med post-stroke hemiparese ikke udfører aktiviteter på samme måde som neurologisk intakte grupper. Mennesker i den kroniske fase efter slagtilfælde har normalt udviklet kompenserende strategier til at udføre fysiske opgaver25,26, som strækker sig til at opretholde en oprejst kropsholdning. Selv med lige / symmetrisk vægtbærende mellem de paretiske og ikke-paretiske lemmer, post-stroke deltagere kan ikke være i en symmetrisk oprejst kropsholdning. Standardisering fodpositioner på kraftpladen kan hjælpe med at bremse denne begrænsning. En anden begrænsning er, at de seneste undersøgelser har antydet optagelse mere end 10 motor-fremkaldte potentialer27, på grund af den kendte variation i CMR. I denne undersøgelse valgte vi kun at registrere 10 testimpulser for at reducere deltagerbyrden, mens vi stod. Som tidligere nævnt var denne protokol veltolereret / udført af personer, der har evnen til at stå uafhængigt i mindst 10 minutter. Denne kendsgerning kan begrænse brugen af denne protokol i høj / svær handicap niveauer post-slagtilfælde eller hos personer med ortopædiske begrænsninger.

Neurofysiologiske vurderingsmetoder i de nedre ekstremiteter, og især i neurologisk svækkede populationer, har endnu ikke modtaget meget konsistens i litteraturen. Når kropsholdning og gangspecifikke funktionsnedsættelser og/eller rehabilitering af underekstremitet er det primære fokus, er der ingen konsensus om den bedste metode til brug. For eksempel er sammenligninger mellem hvilende, aktive og stående foranstaltninger, og hvordan disse foranstaltninger relaterer til klinisk handicap, ikke blevet undersøgt fuldt ud. De fleste forskere er enige om, at dobbelt-kegle spolen er den mest hensigtsmæssige enhed til at bruge til at stimulere den nedre ekstremitet kortikale repræsentationer. Uden for denne parameter udføres en stor del af de lavere ekstremitetS-TMS-undersøgelser på individuelle forskningsgruppers standarder. Den manglende sammenhæng mellem forskergrupper øger vanskeligheden ved at udføre større meta-analytiske vurderinger, der er nødvendige for at udvide forskningsresultaternes generelle anvendelighed. I denne protokol danner vi grundlag for lavere ekstremitet TMS procedurer, der kan bruges i undersøgelser, der undersøger postural og gang-specifikke motoriske kontrol og neurorehabilitering post-slagtilfælde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen reelle eller opfattede interessekonflikter relateret til det rapporterede arbejde.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende Mr. Brian Cence og Mrs. Alyssa Chestnut for deres bidrag til deltager rekruttering og dataindsamling.

Finansieringen af dette projekt blev dels ydet af en Technical Development Award fra NIH National Center for Neuromodulation for Rehabilitation (NM4R) (HD086844) og af Veteran's Affairs Rehabilitation Research and Development Career Development Award 1 (RX003126) og Merit Award (RX002665).

Indholdet af denne rapport repræsenterer ikke synspunkterne fra det amerikanske ministerium for veterananliggender, U.S. National Institutes of Health eller den amerikanske regering.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Data Acquisition Software MathWorks MatLab The custom data collection program was written in Matlab. However, other software/hardware providers can be used (e.g. National Instruments, AD Instruments, CED Spike2 or Signal)
Double-cone coil Magstim D110 Double-cone coil for TMS pulse delivery
Dual force plate Advanced Mechanical Technology Inc (AMTI) Dual-top Accusway Force plate used to measure force/weight distrobution under each leg independently.
Dual-pulse TMS Magstim Bistim 200 Connects two Magstim 200 units together for dual-pulse applications
EMG pre-amplifiers Motion Labs Inc MA-422 Preamplifiers for disposable surface EMG electrodes
EMG system Motion Labs Inc MA400 EMG system for data collection
Neuronavigation System Rogue Research Brainsight Software and hardware used to ensure consistent placement/delivery of magnetic stimulations. Marking the stimulation location on a participant's head or on a place showercap can also be used in the absence of neuronavigational software.
Recruitment Database N/A N/A Electronic database including names of possible individuals who are eligble for your studies.
TMS unit (x2) Magstim Magstim 200 Delivers TMS pulses

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kesar, T. M., Stinear, J. W., Wolf, S. L. The use of transcranial magnetic stimulation to evaluate cortical excitability of lower limb musculature: Challenges and opportunities. Restorative Neurology and Neuroscience. 36 (3), 333-348 (2018).
  2. Sivaramakrishnan, A., Madhavan, S. Absence of a transcranial magnetic stimulation-induced lower limb corticomotor response does not affect walking speed in chronic stroke survivors. Stroke. 49 (8), 2004-2007 (2018).
  3. Kindred, J. H., et al. Individualized responses to ipsilesional high-frequency and contralesional low-frequency rTMS in chronic stroke: A pilot study to support the individualization of neuromodulation for rehabilitation. Frontiers in Human Neuroscience. 14, 578127 (2020).
  4. Lu, M., Ueno, S. Comparison of the induced fields using different coil configurations during deep transcranial magnetic stimulation. PLoS One. 12 (6), 0178422 (2017).
  5. Hess, C. W., Mills, K. R., Murray, N. M. Responses in small hand muscles from magnetic stimulation of the human brain. The Journal of Physiology. 388, 397-419 (1987).
  6. Petersen, N., Christensen, L. O., Nielsen, J. The effect of transcranial magnetic stimulation on the soleus H reflex during human walking. The Journal of Physiology. 513, Pt 2 599-610 (1998).
  7. Capaday, C., Lavoie, B. A., Barbeau, H., Schneider, C., Bonnard, M. Studies on the corticospinal control of human walking. I. Responses to focal transcranial magnetic stimulation of the motor cortex. Journal of Neurophysiology. 81 (1), 129-139 (1999).
  8. Schubert, M., Curt, A., Colombo, G., Berger, W., Dietz, V. Voluntary control of human gait: conditioning of magnetically evoked motor responses in a precision stepping task. Experimental Brain Research. 126 (4), 583-588 (1999).
  9. Ackermann, H., Scholz, E., Koehler, W., Dichgans, J. Influence of posture and voluntary background contraction upon compound muscle action potentials from anterior tibial and soleus muscle following transcranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 81 (1), 71-80 (1991).
  10. Lavoie, B. A., Cody, F. W., Capaday, C. Cortical control of human soleus muscle during volitional and postural activities studied using focal magnetic stimulation. Experimental Brain Research. 103 (1), 97-107 (1995).
  11. Soto, O., Valls-Solé, J., Shanahan, P., Rothwell, J. Reduction of intracortical inhibition in soleus muscle during postural activity. Journal of Neurophysiology. 96 (4), 1711-1717 (2006).
  12. Kesar, T. M., Eicholtz, S., Lin, B. J., Wolf, S. L., Borich, M. R. Effects of posture and coactivation on corticomotor excitability of ankle muscles. Restorative Neurology and Neuroscience. 36 (1), 131-146 (2018).
  13. Nandi, T., et al. In standing, corticospinal excitability is proportional to COP velocity whereas M1 excitability is participant-specific. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 303 (2018).
  14. Tokuno, C. D., Keller, M., Carpenter, M. G., Márquez, G., Taube, W. Alterations in the cortical control of standing posture during varying levels of postural threat and task difficulty. Journal of Neurophysiology. 120 (3), 1010-1016 (2018).
  15. Mouthon, A., Taube, W. Intracortical inhibition increases during postural task execution in response to balance training. Neuroscience. 401, 35-42 (2019).
  16. 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. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (144), (2019).
  17. Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. Journal of Electromyography and Kinesiology. 10 (5), 361-374 (2000).
  18. Tankisi, H., et al. Standards of instrumentation of EMG. Clinical Neurophysiology. 131 (1), 243-258 (2020).
  19. Mishory, A., et al. The maximum-likelihood strategy for determining transcranial magnetic stimulation motor threshold, using parameter estimation by sequential testing is faster than conventional methods with similar precision. The Journal of ECT. 20 (3), 160-165 (2004).
  20. Borckardt, J. J., Nahas, Z., Koola, J., George, M. S. Estimating resting motor thresholds in transcranial magnetic stimulation research and practice: a computer simulation evaluation of best methods. The Journal of ECT. 22 (3), 169-175 (2006).
  21. McNemar, Q. Note on the sampling error of the difference between correlated proportions or percentages. Psychometrika. 12 (2), 153-157 (1947).
  22. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert Guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  23. McDonnell, M. N., Stinear, C. M. TMS measures of motor cortex function after stroke: A meta-analysis. Brain Stimulation. 10 (4), 721-734 (2017).
  24. Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. The Journal of Physiology. 586 (2), 325-351 (2008).
  25. Chen, G., Patten, C., Kothari, D. H., Zajac, F. E. Gait differences between individuals with post-stroke hemiparesis and non-disabled controls at matched speeds. Gait & Posture. 22 (1), 51-56 (2005).
  26. Knarr, B. A., Reisman, D. S., Binder-Macleod, S. A., Higginson, J. S. Understanding compensatory strategies for muscle weakness during gait by simulating activation deficits seen post-stroke. Gait & Posture. 38 (2), 270-275 (2013).
  27. Ammann, C., et al. A framework to assess the impact of number of trials on the amplitude of motor evoked potentials. Scientific Reports. 10 (1), 21422 (2020).

Tags

Adfærd Problem 173
Stående neurofysiologisk vurdering af nedre ekstremitetsmuskler efter slagtilfælde
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kindred, J. H., Finetto, C., Cash,… More

Kindred, J. H., Finetto, C., Cash, J. J., Bowden, M. G. Standing Neurophysiological Assessment of Lower Extremity Muscles Post-Stroke. J. Vis. Exp. (173), e62601, doi:10.3791/62601 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter