Summary
Dit protocol beschrijft het proces voor het uitvoeren van een neurofysiologische beoordeling van de spieren van de onderste ledematen, tibialis anterior en soleus, in een staande positie met behulp van TMS bij mensen na een beroerte. Deze positie biedt een grotere kans op het uitlokken van een TMS-respons na een beroerte en maakt het gebruik van verminderde stimulatorkracht mogelijk tijdens neurofysiologische beoordelingen.
Abstract
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een veelgebruikt hulpmiddel om het gedrag van motorische circuits in gezonde en neurologisch gestoorde populaties te meten. TMS wordt uitgebreid gebruikt om motorische controle en de reactie op neurorevalidatie van de bovenste ledematen te bestuderen. TMS is echter minder gebruikt in de studie van houdings- en loopspecifieke motorische controle van de onderste ledematen. Het beperkte gebruik en de aanvullende methodologische uitdagingen van TMS-beoordelingen van de onderste extremiteit hebben bijgedragen aan het gebrek aan consistentie in TMS-procedures in de onderste extremiteit in de literatuur. Geïnspireerd door het verminderde vermogen om TMS motor evoked potentials (MEP) van de onderste extremiteit te registreren, beschrijft dit methodologische rapport stappen om TMS-beoordelingen na een beroerte in een staande houding mogelijk te maken. De staande houding zorgt voor de activering van het neuromusculaire systeem, wat een toestand weerspiegelt die meer lijkt op de toestand van het systeem tijdens houdings- en looptaken. Met behulp van dual-top krachtplaten instrueerden we deelnemers om hun gewicht gelijkelijk te verdelen tussen hun paretische en niet-paretische benen. Visuele feedback van de gewichtsverdeling van de deelnemers werd gegeven. Met behulp van beeldgeleidingssoftware leverden we enkele TMS-pulsen via een dubbele kegelspoel aan de laesie- en niet-laesiehelften van de deelnemers en maten we de corticomotorische respons van de paretische en niet-paretische tibialis anterieure en soleusspieren. Het uitvoeren van beoordelingen in de staande positie verhoogde het TMS-responspercentage en maakte het gebruik van de lagere stimulatie-intensiteiten mogelijk in vergelijking met de standaard zit- / rustpositie. Het gebruik van dit TMS-protocol kan een gemeenschappelijke aanpak bieden om de corticomotorische respons van de onderste extremiteit na een beroerte te beoordelen wanneer de neurorevalidatie van houdings- en loopstoornissen van belang is.
Introduction
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een instrument dat wordt gebruikt om het gedrag van neurale circuits te meten. De meeste TMS-onderzoeken gericht op de studie van motorische controle / prestaties zijn uitgevoerd in de bovenste ledematen. De onbalans tussen de bovenste en onderste extremiteitsstudies is deels te wijten aan de extra uitdagingen bij het meten van de corticomotorische respons van de onderste extremiteit (CMR). Sommige van deze methodologische obstakels omvatten de kleinere corticale representaties van de spieren van de onderste ledematen in de motorische cortex en de diepere locatie van de representaties ten opzichte van de hoofdhuid1. Bij populaties met neurologisch letsel zijn ook extra hindernissen aanwezig. Ongeveer de helft van de personen na een beroerte vertoont bijvoorbeeld geen reactie op TMS in rust in de spieren van de onderste ledematen2,3. Het gebrek aan reactie na een beroerte op TMS wordt zelfs gezien wanneer patiënten enige vrijwillige controle over de spieren behouden, wat wijst op ten minste een gedeeltelijk intact corticospinale tractus.
Het gebrek aan meetbare TMS-responsen met een gehandhaafde motorische functie draagt bij aan ons verminderde begrip van post-stroke houdings- en loopspecifieke motorische controle en de neurofysiologische effecten van neurorevalidatie. Sommige van de uitdagingen van neurofysiologische beoordelingen van de onderste extremiteit na een beroerte zijn echter overwonnen. Een dubbele kegelspoel kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de motoneuronen van de onderste extremiteit die zich diep in de interhemisferische spleet bevinden, betrouwbaar te activeren1. De dubbelkegel spoel produceert een groter en sterker magnetisch veld dat dieper in de hersenen doordringt dan de meer gangbare figuur-van-acht spoel4. Een andere methodologische verandering die kan worden geïmplementeerd om de responsiviteit op TMS te verhogen, is het meten van de CMR tijdens een lichte vrijwillige contractie5. Over het algemeen wordt deze contractie uitgevoerd op een vooraf bepaald niveau van maximaal vrijwillig gewrichtskoppel of maximale elektromyografische (EMG) spieractiviteit. Perifere zenuwstimulatie kan ook worden gebruikt om een maximale spierrespons uit te lokken en het geregistreerde EMG van deze respons kan worden gebruikt om de gerichte vrijwillige activering van de spier in te stellen.
Het uitvoeren van TMS-beoordeling na een beroerte tijdens actieve spiercontractie komt vrij vaak voor in de bovenste ledematen, waar isometrische taken functionele activiteiten kunnen nabootsen, bijvoorbeeld het grijpen / vasthouden van objecten. Daarentegen wordt wandelen bereikt door de bilaterale activering van meerdere spiergroepen via corticale, subcorticale en ruggenmergstructuren en vereist posturale spieractivatie om de effecten van zwaartekracht te weerstaan. Deze activeringstoestand wordt waarschijnlijk niet weerspiegeld bij het meten van geïsoleerde spieren die een isometrische contractie produceren. Verschillende eerdere studies gericht op het begrijpen van houdings- en loopspecifieke motorische controle hebben TMS-pulsen afgeleverd terwijl deelnemers6,7,8 liepen en9,10,11,12,13,14,15 stonden . De meting van de CMR in de rechtopstaande positie maakt de activering van houdingsspieren en subcorticale componenten van de houdings- en loopmotorische controlenetwerken mogelijk. Tot op heden zijn er geen meldingen geweest van het uitvoeren van staande TMS-beoordelingen bij personen na een beroerte.
Deze studie stelt een gestandaardiseerde methodologie voor, gebaseerd op de bestaande literatuur van staande TMS-methoden6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,voor staande TMS-beoordeling van de CMR na een beroerte. Deze methodologie kan worden gebruikt door onderzoeksgroepen die houdingstekorten en loopspecifieke motorische controle na een beroerte bestuderen, maar niet beperkt zijn tot, en een grotere consistentie van TMS-procedures tot stand brengen. Het doel van dit methodologisch onderzoek was om te bepalen of staande TMS-beoordelingen haalbaar zijn bij personen na een beroerte met matige loopstoornissen. We veronderstelden dat het uitvoeren van beoordelingen in de staande positie 1) de kans op het uitlokken van een meetbare respons zou vergroten (motorisch opgewekt potentieel, MEP) en 2) dat het stimulatorvermogen / intensiteit dat wordt gebruikt om staande TMS-beoordelingen uit te voeren lager zou zijn dan die van de gewoonlijk uitgevoerde zit - / rustbeoordelingen. Wij geloven dat de succesvolle afronding en het wijdverbreide gebruik van dit protocol kan leiden tot een beter begrip van de neurofysiologische aspecten van post-beroerte houdings- en loopspecifieke motorische controle en de effecten van neurorevalidatie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle procedures werden goedgekeurd door de Institutional Review Board van de Medical University of South Carolina en voldeden aan de Verklaring van Helsinki.
1. Werving van deelnemers
- Rekruteer personen na een beroerte uit de lokale database. Voor dit experiment werden 16 personen gerekruteerd uit een lokale elektronische wervingsdatabase. In sommige gevallen werden deelnemers specifiek gerekruteerd omdat ze niet hadden gereageerd op TMS in rust in eerdere studies uitgevoerd door onze onderzoeksgroep.
- Gebruik de volgende inclusiecriteria voor dit onderzoek: mannetjes en vrouwtjes in de leeftijd van 18-85 jaar, ten minste 6 maanden na de beroerte, resterende parese van de onderste ledematen en in staat om 10 minuten te staan zonder een hulpmiddel.
- Sluit deelnemers uit als ze een voorgeschiedenis van epileptische aanvallen hadden, voorgeschreven medicijnen namen die de aanvalsdrempels verlaagden, een voorgeschiedenis van hersenletsel en / of andere ziekten van het centrale zenuwstelsel hadden, geïmplanteerde apparaten of metalen voorwerpen in hun hoofd hadden, of ernstige artritis of orthopedische aandoeningen hadden die hun passieve bewegingsbereik beperkten.
OPMERKING: De demografische gegevens van de deelnemers bevinden zich in tabel 1.
| Studie-ID | Leeftijd | Maanden bericht Beroerte |
Geslacht | Ras | Type beroerte | Aaien Halfrond |
Hoogte (cm) |
Gewicht (kg) |
Zelfgekozen loopsnelheid (m/s) | Wandelen Helpen |
||
| 1 | 67 | 28.7 | M | C | Intracerebrale bloeding | Rechts | 180 | 74.8 | 0.61 | Geen | ||
| 2 | 84 | 55.8 | F | C | Ischemische | Rechts | 165 | 68.0 | 0.94 | Geen | ||
| 3 | 56 | 262.7 | F | C | Subarachnoïdale bloeding | Links | 152 | 59.0 | 1.29 | Geen | ||
| 4 | 67 | 141.8 | M | C | Intracerebrale bloeding | Rechts | 180 | 72.6 | 0.27 | Stok / EVO | ||
| 6 | 48 | 21.6 | M | C | Intracerebrale bloeding | Rechts | 170 | 61.2 | 0.83 | Geen | ||
| 7 | 58 | 93.9 | M | C | Acuut Ischemisch | Links | 168 | 112.5 | 0.77 | Quad Stok / EVO | ||
| 8 | 71 | 55.3 | F | AA | Acuut Ischemisch | Links | 170 | 68.0 | 1.05 | Geen | ||
| 9* | 65 | 23.7 | M | C | Acuut Ischemisch | Rechts | 178 | 84.8 | - | Kniebrace | ||
| 10 | 70 | 26.6 | M | C | Acuut Ischemisch | Links | 173 | 78.9 | 0.81 | Geen | ||
| 12 | 70 | 10.0 | M | C | Acuut Ischemisch | Links | 170 | 86.2 | 1.11 | Geen | ||
| 13 | 65 | 80.6 | M | C | Acuut Ischemisch | Rechts | 185 | 139.7 | 0.93 | Stok / Kruk | ||
| 14 | 79 | 83.0 | M | C | Acuut Ischemisch | Rechts | 175 | 88.5 | 0.48 | Stok | ||
| 15 | 51 | 54.4 | M | AA | Acuut Ischemisch | Links | 178 | 90.7 | 1.35 | Geen | ||
| 17 | 65 | 18.5 | M | C | Acuut Ischemisch | Rechts | 170 | 74.8 | 0.28 | Stok | ||
| 18 | 63 | 48.8 | F | AA | Acuut Ischemisch | Rechts | 170 | 83.9 | 1.12 | Geen | ||
| 19 | 58 | 25.9 | M | C | Acuut Ischemisch | Beide | 183 | 88.5 | 1.10 | Geen | ||
| * Deelnemer verwijderd uit data-analyse vanwege onvermogen om vereiste beoordelingen te voltooien | ||||||||||||
| EVO = enkelvoetorthese | ||||||||||||
Tabel 1: Demografie van de deelnemers.
- Neem telefonisch contact op met de deelnemers en leg kort de testprocedures uit. Nodig geïnteresseerden uit in het laboratorium.
- Laat bij aankomst in de onderzoeksfaciliteit een lid van de onderzoeksstaf het experimentele protocol volledig uitleggen aan de potentiële deelnemers.
- Wanneer een potentiële deelnemer bevestigt dat hij bereid is om deel te nemen aan het onderzoek, moet u schriftelijke geïnformeerde toestemming verkrijgen die is goedgekeurd door de lokale institutionele beoordelingscommissie.
2. Beeldgeleidingssysteem en deelnemersopstelling
- Gebruik beeldgeleidingssoftware om een consistente levering van de TMS-pulsen tijdens de beoordeling te garanderen.
- Start een nieuw project met behulp van het MNI-kopmodel dat eigen is aan het beeldgeleidingssysteem. Open de software en selecteer New MNI Head Project.
- Klik in het pop-upvenster op het tabblad Doelen en klik vervolgens op Doelen configureren. Bepaal de hoofdhuidlocatie direct superieur aan de pre-centrale gyrus en 0,5 cm lateraal aan de midsagittale lijn.
- Zodra de locatie visueel is geïdentificeerd, voegt u een nieuw rechthoekig raster toe door op het nieuween vervolgens op het rechthoekige raster teklikken. Het raster moet op het scherm verschijnen en de mediale rij moet 0,5 cm lateraal zijn ten opzichte van de midsagittale lijn.
- Wijzig het formaat van het raster door 3 en 5 te typen in de rastergroottevakken. Stel de rasterafstand in op 10 bij 10 mm door in de rasterafstandsvakken te typen. Selecteer het gereedschap Cursoren verplaats de cursor naar de hoofdafbeelding.
- Houd de muisknop ingedrukt om het hoofdhuidbeeld te draaien om ervoor te zorgen dat alle rasterpunten de huid raken. Als de rasterpunten zich niet op de hoofdhuid bevinden, past u de kromming van het raster aan door de schuifregelaar kromming te verplaatsen.
- Herhaal deze procedures om nog een raster van 3 x 5 over het tegenovergestelde halfrond te plaatsen.
OPMERKING: Dit kan worden uitgevoerd vóór de inschrijving van een deelnemer voor het onderzoek en aankomst in het laboratorium. Bovendien kan het anatomische T1-gewogen beeld van een deelnemer worden gebruikt indien beschikbaar. Specifieke details over het gebruik van anatomische MRI's voor navigatie zijn te vinden in het eerder gepubliceerde artikel16.
- Start een nieuwe sessie in de beeldbegeleidingssoftware door het tabblad Sessies te selecteren zodra de software is geopend.
- Klik op Nieuwen vervolgens op Online sessie. Selecteer in het volgende venster de twee rasters die in de vorige sectie (paragraaf 2.1) zijn gemaakt door erop te klikken en klik vervolgens op Toevoegen.
- Schakel op het tabblad IOBox onder TTL TriggerOpties het selectievakje naast Schakelaar gebruiken (inschakelen) in en voer 0 ms in het vak Dode tijd in. Klik bovenaan op de knop Volgende. Zorg er visueel voor dat de camera van het beeldgeleidingssysteem actief is.
- Begin de registratie van de deelnemer door de onderwerptracker, meegeleverd met het beeldgeleidingssysteem, rond het voorhoofd van de deelnemer te plaatsen.
- Pas de camera handmatig aan om ervoor te zorgen dat de deelnemertracker zich in het midden van het gezichtsveld van de camera bevindt. Klik vervolgens op het tabblad Registratie bovenaan de software.
- Plaats de aanwijzer/markering van het beeldgeleidingssysteem op de registratiemarkeringen: nasion en de rechter- en linker periauriculaire punten. Wanneer de aanwijzer op de skin is geplaatst, klikt u op de knop Volgende om de skinlocaties van de deelnemer te registreren in de beeldbegeleidingssoftware.
- Nadat de registratiemarkeringen zijn vastgelegd, klikt u op het tabblad Schalen boven aan het softwarevenster. Plaats de aanwijzer op de meest rechtse, linkse, bovenste, voorste en achterste locaties van de hoofdhuid van de deelnemer.
- Klik op de knop Volgende op elke locatie om het beeldgeleidingssysteem naar het hoofd van de deelnemer te schalen. Nadat het schalen is voltooid, klikt u op het tabblad Uitvoeren bovenaan de software. Het beeldgeleidingssysteem is nu klaar.
3. Voorbereiding en opstelling van oppervlakte-elektromyografie
- Bereid de tibialis anterieure (TA) en soleus (SOL) spieren van de deelnemers voor op oppervlakte-elektromyografie (sEMG) elektroden. Om de huid voor te bereiden op sEMG, reinigt u het gebied met alcoholpads en verwijdert u, indien nodig, alle haren met een veiligheidsscheermes voor eenmalig gebruik. Plaats de sEMG wegwerpgelelektroden volgens de SENIAM-richtlijnen17.
OPMERKING: Sensorplaatsing voor de TA is 1/3 van de weg naar beneden op de lijn tussen de punt van het kuitbeen en de punt van de mediale malleolus. Plaats voor de SOL de sensor op 2/3 van de lijn tussen de mediale condylus van het dijbeen en de mediale malleolus. - Zodra de elektroden zijn bevestigd, inspecteert u het signaal visueel op kwaliteit. Ga vervolgens verder met het omwikkelen van de schacht met een elastisch verband om elke beweging van de elektroden en het resulterende artefact tijdens het testen te minimaliseren.
OPMERKING: Neem sEMG-signalen op bij 5000 Hz in een venster van 0,5 s dat begint met 0,1 s vóór de levering van de TMS-pulsen. De exacte bemonsteringsfrequentie en hoeveelheid verzamelde gegevens zijn afhankelijk van de hardware en software die wordt gebruikt om de sEMG-respons op TMS vast te leggen. Voor details over het vaststellen van EMG-opnames en -analyses, zie Tankisi et al.18.
4. Forceerplaat en veiligheidsinstelling voor deelnemers
- Open de software voor gegevensverzameling en start een nieuwe proef om de dual-top krachtplaat te kalibreren.
- Klik op Start en begin een proefversie van FP Zero. Verzamel 3-5 s gegevens zonder belasting op de krachtplaat en klik vervolgens op Stoppen.
- Zodra de krachtplaat is gekalibreerd, is de deelnemer geregistreerd bij het beeldgeleidingssysteem (paragraaf 2.2) en zijn de sEMG-elektroden geplaatst en getest op de signaalkwaliteit (sectie 3), instrueert de deelnemer om te gaan staan en ze te voorzien van een veiligheidsharnas.
- Laat de deelnemer op de krachtplaat stappen en standaardiseer zijn voetplaatsing met afplaktape die vooraf op de krachtplaat is aangebracht om de voorste positie van de voet en de mediale randen van de voeten op gelijke afstand van de middellijn aan te geven.
- Bevestig het veiligheidsharnas van de deelnemer aan de plafondsteun. Plaats een rollator, of vergelijkbaar apparaat, rond de krachtplaat om deelnemers iets te bieden om zichzelf te stabiliseren tijdens het testen, indien nodig.
OPMERKING: Zorg ervoor dat tijdens alle staande TMS-procedures de deelnemers via een veiligheidsharnas aan het plafond worden bevestigd om een val te voorkomen.
- Meet en verzamel het gewicht van de deelnemer terwijl deze op de krachtplaat staat door op Start te klikken en een statische FP-proef te selecteren. Neem 2-5 s aan gegevens op en klik op Stoppen om de proef te beëindigen.
- Wanneer u op de krachtplaten staat, moet u ervoor zorgen dat de software voor gegevensverzameling twee staafdiagrammen weergeeft die het gewicht / de kracht onder elk van de voeten van de deelnemer weergeven(figuur 1A). Wanneer de deelnemer zijn gewicht naar één kant verschuift, veranderen de staafdiagrammen in hoogte(figuur 1B).
- Als een deelnemer het gewicht op zijn benen naar zijn armen laadt, zorg er dan voor dat het staafdiagram van kleur verandert(figuur 1C). Nadat een deelnemer comfortabel staat met gelijk gewicht verdeeld over zijn benen, kan het meten van de CMR beginnen.
Figuur 1: Representatief beeld van de visuele feedback die aan de deelnemers werd gegeven tijdens de staande TMS-beoordeling. (A) toont de visuele feedback die aan de deelnemers werd gegeven terwijl ze stonden met hun gewicht gelijk verdeeld over de paretische en niet-paretische benen. De verticale balken vertegenwoordigen de hoeveelheid kracht gemeten door elk van de gebieden van de krachtplaat. De ononderbroken horizontale lijnen vertegenwoordigen het bereik van verticale kracht gemeten om de belasting van het lichaamsgewicht op de onderste ledematen te garanderen en niet door de armen als deelnemers zichzelf moesten stabiliseren met de verstrekte handondersteuning. Als het lichaamsgewicht van de deelnemer met meer dan 5% naar één kant werd verschoven, veranderden de verticale balken van kleur om de deelnemer te informeren naar de kant te leunen die werd gelost, zoals weergegeven in (B). Als de deelnemer meer dan +/- 5% van zijn lichaamsgewicht van zijn benen laadde/loste, zou de kleur van het achtergrondscherm veranderen zoals weergegeven in (C). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
5. Permanente beoordeling van de corticomotorische respons
- Begin de neurofysiologische beoordelingen door een stimulatorintensiteit te identificeren die consistente motorisch opgewekte potentialen (MEP) produceert, d.w.z. EMG-signaalamplitude > 50 μV en / of een zichtbare corticosilentperiode in de actieve spieren, in de doel TA en SOL-spier.
OPMERKING: Gebruik een dubbelkegelspoel om alle TMS-pulsen af te leveren waarbij de stroom door de spoel beweegt in een voorste naar achterste richting. Pas de TMS-pulsen alleen toe wanneer de deelnemer een gelijke gewichtsverdeling behoudt tussen zijn paretische en niet-paretische benen, zoals aangegeven door de visuele feedback/staafdiagrammen die in de vorige sectie (paragraaf 4.2) zijn vermeld.- Test eerst de paretische ledemaat door TMS-pulsen toe te passen op de laesie hemisfeer. Begin met het instellen van het TMS-stimulatorvermogensniveau op 50% maximale stimulatoruitgang (% MSO) door aan de uitgangsregelknop te draaien. Breng een enkele puls met 50% MSO aan op het middelste rasterpunt dat zich net lateraal aan de longitudinale spleet bevindt door op de triggerknop op de stimulator te drukken. Breng 2-3 pulsen aan met een interstimulusinterval van 5-10 s.
OPMERKING: Als een deelnemer een reactie met 50% MSO weergeeft, gaat u naar paragraaf 5.2 en begint u met hotspotidentificatie. - Als er geen reacties worden gezien in de TA en SOL, verhoog dan het stimulatorvermogen met 10% MSO door aan de uitgangsregelknop te draaien en 2-3 TMS-pulsen af te leveren zoals in stap 5.1.1.
- Als er geen reacties worden gezien na het verhogen van de stimulator tot 60% MSO, verhoog dan opnieuw het vermogen met 10% MSO. Als er geen leden van het Europees Parlement worden uitgelokt bij 70% MSO, selecteert u willekeurig verschillende rasterpunten en past u TMS-pulsen toe om te bepalen of er een respons is bij de huidige vermogensinstelling.
- Als er op geen enkel netpunt reacties worden geregistreerd bij de huidige 70% MSO, keert u terug naar het initiële doelrasterpuntland, blijft u het stimulatorvermogen verhogen met stappen van 10% MSO en past u 2-3 stimulaties toe zoals eerder beschreven.
OPMERKING: Herhaal dit proces totdat betrouwbare reacties van de doelspieren zijn geregistreerd of totdat is vastgesteld dat de deelnemer geen reactie heeft op TMS. Niet alle deelnemers zullen een meetbare respons op TMS produceren.
- Test eerst de paretische ledemaat door TMS-pulsen toe te passen op de laesie hemisfeer. Begin met het instellen van het TMS-stimulatorvermogensniveau op 50% maximale stimulatoruitgang (% MSO) door aan de uitgangsregelknop te draaien. Breng een enkele puls met 50% MSO aan op het middelste rasterpunt dat zich net lateraal aan de longitudinale spleet bevindt door op de triggerknop op de stimulator te drukken. Breng 2-3 pulsen aan met een interstimulusinterval van 5-10 s.
- Zodra het stimulatorvermogen dat een consistente respons produceert, is geïdentificeerd, begint u met het identificeren van de hotspot, d.w.z. de hoofdhuidlocatie die de grootste respons op de toegepaste TMS-pulsen produceert.
- Start een nieuwe proefversie van een hotspot door op Start te klikken en Hotspotte selecteren. Pas een stimulatie met één puls toe op elk van de 15 rasterpunten op het suprathreshold-vermogensniveau dat in de vorige stappen is geïdentificeerd. Gebruik het beeldgeleidingssysteem om de spoel naar het eerste rasterpunt te verplaatsen.
- Zodra de spoel zich in de juiste positie bevindt, past u de TMS-puls toe door op de triggerknop op de stimulatoreenheid te drukken. Verplaats vervolgens de spoel naar de volgende rasterlocatie en pas nog een enkele TMS-puls toe. Ga door totdat een enkele stimulatie is toegepast op elk rasterpunt en klik op Stoppen om de proef te beëindigen.
- Onderzoek de amplitudes van de sEMG-signalen die op elk rasterpunt zijn geregistreerd. Identificeer visueel de rasterpunten met de grootste MEP-amplitude, geregistreerd in de sEMG-signalen, voor elk van de beoogde spieren. De rasterlocaties met de grootste MEP-amplitudes zijn de hotspots en zullen worden gebruikt om de corticomotorische respons in de volgende secties te meten.
OPMERKING: In sommige gevallen kan een enkele rasterlocatie de grootste MEP-amplitudes bieden voor zowel de TA als sol. Bepaal in deze gevallen de motorische drempels voor elke spier afzonderlijk.
- Bepaal vervolgens de motorische drempel van de beoogde spier met behulp van eenvoudige adaptieve parameterschatting door sequentiële tests (PEST)19,20.
- Open het PEST-programma en stel de initiële stimulatorintensiteit in op de suprathreshold-waarde die wordt gebruikt om de hotspot te identificeren door de waarde in het vak te typen.
- Begin een nieuwe PEST-studie door te klikken op het tabblad Start in de software voor gegevensverzameling en PESTte selecteren.
- Pas een enkele TMS-puls toe op de hotspot van de geïdentificeerde doelspier met de initiële MSO-intensiteit die wordt weergegeven in het PEST-programma. Geef in het PEST-programma aan dat een respons werd waargenomen in het sEMG-signaal van de spier door y of n te typen. Het PEST-programma berekent automatisch de volgende stimulatie-intensiteit.
- Pas het vermogensniveau van de stimulator aan het PEST-programma aan en pas nog een enkele TMS-puls toe. Ga door met dit proces totdat het PEST-programma de motorische drempel bepaalt, aangegeven door een verandering in kleur van de stimulatie-intensiteit, en beëindig de proef met gegevensverzameling door op het tabblad Stoppen te klikken.
OPMERKING: De PEST-procedure maakt gebruik van een vrij beschikbaar programma dat bepaalt hoeveel stimulatorvermogen moet worden gebruikt bij opeenvolgende pulsen. Een van de PEST-programma's is hier te vinden: (https://www.clinicalresearcher.org/software.htm).
- Nadat de hotspot en motorische drempel van de doelspier zijn geïdentificeerd, begint u met de CMR-evaluatie. Stel de intensiteit van de stimulator in op 120% van de vastgestelde motorische drempel.
- Start een nieuwe proefversie in de software voor gegevensverzameling door op het tabblad Start te klikken en een MEP-proefversie te selecteren. Plaats de spoel op de hotspot van de spier en pas 10-20 single-pulse stimulaties toe.
- Houd rekening met 5-10 s tussen elke stimulatie. Noteer de opgeroepen sEMG-reacties voor offline analyse. Laat de deelnemer ad libitum rusten en voldoende tijd tussen de testprocedures om de kans te verkleinen dat de deelnemer vermoeidheid ontwikkelt, wat de resultaten kan beïnvloeden.
- Klik op het tabblad Stoppen na het opnemen van de EP-leden om het proces te beëindigen.
OPMERKING: De onderzoeker die de TMS-spoel hanteert, moet ervoor zorgen dat de deelnemers een gelijke gewichtsverdeling onder elk been hebben onmiddellijk voordat een TMS-puls wordt toegepast. Als de onderzoeker denkt dat de stimulatie werd toegepast terwijl het gewicht van de deelnemer niet gelijk verdeeld was, voer dan een extra stimulatie uit en sluit de vorige studie uit van toekomstige analyse. Test de niet-paretische spieren onmiddellijk na de paretische spieren. Figuur 2 toont de experimentele opstelling tijdens de staande TMS-beoordeling.
Figuur 2: Afbeelding genomen tijdens de meting van de corticomotorische respons (CMR) in de staande positie. Het beeldgeleidingssysteem en de verzamelde sEMG-activiteit worden tijdens het verzamelen van gegevens aan het onderzoekspersoneel weergegeven, zoals weergegeven op de monitoren aan de linkerkant van het beeld. Visuele feedback van de gewichtsverdeling werd vooraan en iets rechts van de deelnemers gegeven. Deelnemers droegen een veiligheidsharnas dat aan het plafond was bevestigd om vallen te voorkomen terwijl ze op de dubbele krachtplaat stonden. Ondersteuning voor de armen van de deelnemers werd geboden om deelnemers te helpen zichzelf te stabiliseren nadat TMS-pulsen waren toegepast. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
6. Zittende corticomotorische respons beoordeling
- Na het voltooien van de staande TMS-beoordeling, hermeet u de motordrempels en de CMR in een rust- / zitpositie.
- Gebruik dezelfde procedures die eerder zijn beschreven (rubrieken 5.2-5.4). De enige verandering is dat de deelnemer in een stoel moet zitten met hun benen ondersteund en spieren ontspannen.
- Gebruik dezelfde hotspots die tijdens de staande beoordeling (punt 5.2) zijn geïdentificeerd in de zitpositie. Voer de neurofysiologische tests uit op dezelfde manier als in de staande positie, behalve voor het gebruik van een stimulatie-intensiteit van 120% van de rust-/zitmotorische drempel.
OPMERKING: Het kan nodig zijn om aanvullende tests uit te voeren met behulp van een vooraf bepaald stimulatorvermogen. Als bijvoorbeeld vergelijkingen worden uitgevoerd tussen de amplitude van de MEP in verschillende houdingsposities, kan het nodig zijn om een vergelijkbaar absoluut stimulatorvermogen te gebruiken. Dit hangt af van de onderzoeksvraag die aan de orde is en moet tijdens de onderzoeksopzet worden geïdentificeerd.
7. Statistische benadering
- Om de hypothese te testen dat staan zou leiden tot een verhoogde kans op het oproepen van meetbare responsen, construeer een 2 x 2 tabel en test de verhoudingen met behulp van McNemar's Test21.
- Om de vermogensniveaus van de motordrempels te vergelijken, gebruikt u een gepaarde t-testop de deelnemers die meetbare reacties hadden in beide posities. Bepaal significantie met een alfa = 0,05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eén deelnemer werd uit de analyse verwijderd vanwege het onvermogen om de staande TMS-procedure te verdragen vanwege reeds bestaande kniepijn en een diabetische wond ontvangen vóór hun aankomst in het onderzoekslaboratorium, waardoor een uiteindelijke steekproefgrootte van 15 overbleef. De diabetische wond was direct over de TA en sloot elke sEMG-meting van deze spier uit. Er werden geen belangrijke bijwerkingen gemeld aan de onderzoekers tijdens de zittende of staande TMS-procedures. Verschillende kleine bijwerkingen werden gemeld, zoals nekspierpijn en lichte hoofdpijn. Deze kleine voorvallen werden echter gemeld aan het einde van de testsessie en het was niet duidelijk of de zittende of staande procedures meer verantwoordelijk waren voor deze bijwerkingen. Deze kleine bijwerkingen worden vaak gezien na TMS-evaluaties en in de TMS-literatuur22.
Het totale laden/lossen van het lichaamsgewicht tijdens TMS-pulstoepassing was +0,4% (SD 1,8%) van het lichaamsgewicht. Dit betekent dat de deelnemers het lichaamsgewicht niet van hun benen naar hun armen hebben losgelaten bij het gebruik van de rollator als een middel om zichzelf te ondersteunen tijdens de TMS-procedures. De gemiddelde gewichtsverdeling van het linkerbeen van de deelnemers was 50% (SD 6%). We probeerden motorische drempels te meten in vier afzonderlijke spieren (paretisch en niet-paretisch, TA en SOL), wat leidde tot een totaal van 60 motorische drempels in zowel de staande als de zittende positie. In de staande positie konden we 90,0% van de tijd een motorische drempel uitlokken en meten, vergeleken met 65,0% in de zittende positie. Binnen een enkele sessie was het waarschijnlijker dat het beoordelen van de motorische drempel in de staande positie zou resulteren in een meetbare respons (McNemar Chi2, Yates-correctie, χ = 8,48, P = 0,004) (Tabel 2). Dit komt overeen met onze eerste hypothese dat de staande positie zou resulteren in een verhoogde kans op het oproepen van meetbare reacties. Onze tweede hypothese was dat staan zou resulteren in motorische drempels die een lager stimulatorvermogen vereisen. Onze resultaten tonen aan dat wanneer personen zich presenteerden met meetbare motorische drempels in de zittende en staande posities, de gemeten drempels in de staande positie lager waren (N = 38, Staande MT 45% MSO SD 9, Zittend MT 53% MSO SD 11, Gepaarde t-statistiek 4,99, P < 0,001). Figuur 3 toont de gemeten motorische drempels voor elke spier en conditie voor alle deelnemers.
| Zittend Antwoord |
Reactie van Standing | ||||
| Ja | Nee | Totaal | % | ||
| Ja | 38 | 1 | 39 | 65 | |
| Nee | 16 | 5 | 21 | 35 | |
| Totaal | 54 | 6 | 60 | ||
| % | 90 | 10 | 100 | ||
Tabel 2: De geconstrueerde 2 x 2 tabel toont het gerapporteerde vermogen om met succes een respons op TMS te produceren en het vermogen om een motorische drempel te meten in de zittende en staande omstandigheden. De McNemar's test werd gebruikt om de waarschijnlijkheid van het uitlokken van een meetbare respons te vergelijken en het bleek dat de staande beoordelingen significant meer kans hadden om een meetbare respons op te roepen in vergelijking met het uitvoeren van evaluaties in een zittende positie.
Figuur 3: Gemeten motorische drempels in de spieren van belang. Lijnen die de linker- en rechterwaarden verbinden, geven aan dat het individu meetbare motorische drempels had voor die spier in zowel de zittende als de staande positie. Motorische drempels worden gemeten en gerapporteerd als een percentage van de maximale stimulatoroutput (%MSO). (A,B) tonen motorische drempels gemeten in respectievelijk de paretische en niet-paretische tibialis anterieure spieren. (C, D) tonen de motorische drempels van respectievelijk de paretische en niet-paretische soleusspieren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het experimentele protocol werd door de meeste deelnemers goed verdragen. Eén persoon was niet in staat om de staande TMS-evaluatie te voltooien vanwege reeds bestaande decubituszweren secundair aan diabetische complicaties en orthopedische problemen met reeds bestaande kniepijn. De hoeveelheid laden/lossen van het lichaamsgewicht van de benen was minimaal. Wel werd er gemiddeld een iets grotere neerwaartse kracht gemeten tijdens het aanbrengen van de TMS-pulsen. Dit is waarschijnlijk te wijten aan het gewicht van de spoel en de neerwaartse druk die door de onderzoekers werd uitgeoefend om ervoor te zorgen dat er voldoende contact was tussen de hoofdhuid / kop en de TMS-spoel. De minimale veranderingen in lichaamsgewicht die tijdens de TMS-procedures werden vastgelegd in vergelijking met de statische onderzoeken, suggereren dat er geen significante effecten van het laden of lossen van het lichaamsgewicht hebben bijgedragen aan onze resultaten. We onderzochten ook de gewichtsverdeling tussen de benen en vonden deze symmetrisch, met een gemiddelde van 50% van het gewicht van de deelnemers ondersteund door hun linkerbenen. Verwacht wordt dat personen na een beroerte die 10 minuten kunnen staan met weinig tot geen ondersteuning de beschreven staande TMS-beoordelingen kunnen voltooien. De staande positie zorgde voor een grotere respons op TMS in vergelijking met de rust-/zitpositie. De toename van de TMS-responsiviteit in de staande positie kan personen die eerder werden gediskwalificeerd voor neurofysiologische studies vanwege een gebrek aan meetbare TMS-respons in aanmerking laten komen voor toekomstige studies die houdings- en loopspecifieke post-beroerte motorische controle onderzoeken. Het vergroten van de pool van in aanmerking komende deelnemers kan leiden tot een grotere generaliseerbaarheid van onderzoeksresultaten over de populatie na een beroerte.
Motordrempels die in de staande positie werden beoordeeld, werden gemeten bij een lager %. De motorische drempels na een beroerte worden vaak met23 verhoogd en vereisen stimulatie bij een hoog percentage MSO om de CMR te meten. Het toepassen van krachtige TMS-pulsen met een dubbele kegelspoel kan leiden tot verhoogde spiercontracties in het gezicht en de bovenste ledematen die ongemakkelijk kunnen zijn voor onderzoeksdeelnemers. Het uitvoeren van neurofysiologische evaluaties met een lagere intensiteit kan de verdraagbaarheid van TMS-procedures bij sommige deelnemers na een beroerte verhogen en de deelname aan dit soort onderzoeken verhogen.
Deze methodologie beschrijft het proces voor het meten van de corticomotorische respons op tms met één puls. Gepaarde pulsparadigma's kunnen echter ook in de staande positie worden verzameld. Intracortical inhibition (SICI) met korte latentie en intracortical facilitation (ICF) gebruiken twee TMS-pulsen die door dezelfde spoel worden geleverd met interstimulusintervallen van respectievelijk 2 en 10 ms,24. Deze intracorticale maatregelen kunnen aanvullende details geven over de neurofysiologische toestand / gedrag van het zenuwstelsel tijdens het staan in vergelijking met motorische drempels alleen.
Zoals met alle wetenschappelijke methoden, zijn er beperkingen aan het huidige protocol. Een belangrijk item om te overwegen is dat personen met hemiparese na een beroerte activiteiten niet op dezelfde manier uitvoeren als neurologisch intacte groepen. Mensen in de chronische fase na een beroerte hebben meestal compenserende strategieën ontwikkeld om fysieke taken uit te voeren25,26, wat zich uitstrekt tot het handhaven van een rechtopstaande houding. Zelfs met gelijke / symmetrische gewichtdragende tussen de paretische en niet-paretische ledematen, kunnen deelnemers na de beroerte zich niet in een symmetrische rechtopstaande houding bevinden. Het standaardiseren van voetposities op de krachtplaat kan helpen deze beperking te beteugelen. Een andere beperking is dat recente onderzoeken hebben gesuggereerd dat meer dan 10 motorisch opgewekte potentialen27worden geregistreerd, vanwege de bekende variabiliteit in de CMR. In dit onderzoek hebben we ervoor gekozen om slechts 10 testpulsen op te nemen om de last van de deelnemers tijdens het staan te verminderen. Zoals eerder vermeld, werd dit protocol goed verdragen / uitgevoerd door personen die het vermogen hebben om ten minste 10 minuten onafhankelijk te staan. Dit feit kan het gebruik van dit protocol beperken bij hoge / ernstige invaliditeitsniveaus na een beroerte of bij personen met orthopedische beperkingen.
Neurofysiologische beoordelingsmethoden van de onderste ledematen, en vooral bij neurologisch gestoorde populaties, hebben nog niet veel consistentie in de literatuur gekregen. Wanneer houdings- en loopspecifieke beperkingen en/of revalidatie van de onderste ledematen de primaire focus zijn, is er geen consensus over de beste methode om te gebruiken. Vergelijkingen tussen rust-, actieve en staande maatregelen en hoe deze maatregelen zich verhouden tot klinische invaliditeit zijn bijvoorbeeld niet volledig onderzocht. De meeste onderzoekers zijn het erover eens dat de dubbele kegelspoel het meest geschikte apparaat is om te gebruiken om de corticale representaties van de onderste extremiteit te stimuleren. Buiten deze parameter worden veel van de TMS-studies van de onderste extremiteit uitgevoerd volgens de normen van individuele onderzoeksgroepen. Het gebrek aan consistentie tussen onderzoeksgroepen verhoogt de moeilijkheid om grotere meta-analytische beoordelingen uit te voeren die nodig zijn om de generaliseerbaarheid van onderzoeksresultaten uit te breiden. In dit protocol bieden we een basis voor TMS-procedures voor de onderste ledematen die kunnen worden gebruikt in studies naar houdings- en loopspecifieke motorische controle en neurorevalidatie na een beroerte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat ze geen echte of waargenomen belangenconflicten hebben met betrekking tot het gerapporteerde werk.
Acknowledgments
De auteurs willen graag de heer Brian Cence en mevrouw Alyssa Chestnut bedanken voor hun bijdragen aan de werving en gegevensverzameling van deelnemers.
Financiering voor dit project werd gedeeltelijk verstrekt door een Technical Development Award van het NIH National Center for Neuromodulation for Rehabilitation (NM4R) (HD086844) en door Veteran's Affairs Rehabilitation Research and Development Career Development Award 1 (RX003126) en Merit Award (RX002665).
De inhoud van dit rapport vertegenwoordigt niet de standpunten van het Amerikaanse ministerie van Veteranenzaken, de Amerikaanse National Institutes of Health of de regering van de Verenigde Staten.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Lu, M., Ueno, S. Comparison of the induced fields using different coil configurations during deep transcranial magnetic stimulation. PLoS One. 12 (6), 0178422 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mouthon, A., Taube, W. Intracortical inhibition increases during postural task execution in response to balance training. Neuroscience. 401, 35-42 (2019).
- 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).
- 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).
- Tankisi, H., et al.
- 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).
- 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).
- McNemar, Q. Note on the sampling error of the difference between correlated proportions or percentages. Psychometrika. 12 (2), 153-157 (1947).
- 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).
- McDonnell, M. N., Stinear, C. M. TMS measures of motor cortex function after stroke: A meta-analysis. Brain Stimulation. 10 (4), 721-734 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
