Summary
Dieses Protokoll beschreibt den Prozess zur Durchführung einer neurophysiologischen Beurteilung der Unteren Extremitätenmuskulatur, Tibialis anterior und Soleus, in stehender Position mit TMS bei Menschen nach einem Schlaganfall. Diese Position bietet eine größere Wahrscheinlichkeit, eine TMS-Reaktion nach dem Schlaganfall auszulösen, und ermöglicht die Verwendung einer reduzierten Stimulatorleistung während neurophysiologischer Bewertungen.
Abstract
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein gängiges Werkzeug, um das Verhalten von motorischen Schaltkreisen in gesunden und neurologisch beeinträchtigten Populationen zu messen. TMS wird ausgiebig verwendet, um die motorische Kontrolle und die Reaktion auf die Neurorehabilitation der oberen Extremitäten zu untersuchen. TMS wurde jedoch bei der Untersuchung der haltungs- und gehspezifischen motorischen Kontrolle der unteren Extremitäten weniger eingesetzt. Die begrenzte Verwendung und die zusätzlichen methodischen Herausforderungen von TMS-Bewertungen der unteren Extremitäten haben dazu beigetragen, dass die TMS-Verfahren der unteren Extremitäten in der Literatur nicht konsistent sind. Inspiriert von der verminderten Fähigkeit, TMS-motorisch evozierte Potentiale (MEP) der unteren Extremitäten aufzuzeichnen, beschreibt dieser methodische Bericht Schritte, um TMS-Bewertungen nach einem Schlaganfall in einer stehenden Haltung zu ermöglichen. Die stehende Haltung ermöglicht die Aktivierung des neuromuskulären Systems und spiegelt einen Zustand wider, der dem Zustand des Systems bei Haltungs- und Gehaufgaben ähnlicher ist. Mit Dual-Top-Kraftplatten wiesen wir die Teilnehmer an, ihr Gewicht gleichmäßig auf ihre paretischen und nicht paretischen Beine zu verteilen. Es wurde ein visuelles Feedback zur Gewichtsverteilung der Teilnehmer gegeben. Mit Hilfe einer Bildführungssoftware lieferten wir einzelne TMS-Impulse über eine Doppelkegelspule an die läsionierten und nicht läsionierten Hemisphären der Teilnehmer und maßen die kortikomotorische Reaktion der paretischen und nicht-paretischen Tibialis-Vorder- und Soleusmuskeln. Die Durchführung von Beurteilungen in stehender Position erhöhte die TMS-Ansprechrate und ermöglichte die Verwendung der niedrigeren Stimulationsintensitäten im Vergleich zur Standard-Sitz- / Ruheposition. Die Verwendung dieses TMS-Protokolls kann einen gemeinsamen Ansatz zur Beurteilung der kortikomotorischen Reaktion der unteren Extremität nach einem Schlaganfall bieten, wenn die Neurorehabilitation von Haltungs- und Gangstörungen von Interesse ist.
Introduction
Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein Instrument zur Messung des Verhaltens neuronaler Schaltkreise. Die Mehrheit der TMS-Untersuchungen, die sich auf die Untersuchung der motorischen Kontrolle / Leistung konzentrieren, wurde in den oberen Extremitäten durchgeführt. Das Ungleichgewicht zwischen den Studien der oberen und unteren Extremität ist zum Teil auf die zusätzlichen Herausforderungen bei der Messung der kortikomotorischen Reaktion (CMR) der unteren Extremitäten zurückzuführen. Einige dieser methodischen Hindernisse umfassen die kleineren kortikalen Darstellungen der unteren Extremitätenmuskulatur innerhalb des motorischen Kortex und die tiefere Lage der Darstellungen relativ zur Kopfhaut1. In Populationen mit neurologischen Verletzungen sind auch zusätzliche Hürden vorhanden. Zum Beispiel zeigt etwa die Hälfte der Personen nach dem Schlaganfall keine Reaktion auf TMS in Ruhe in den Muskeln der unterenExtremitäten 2,3. Das Fehlen einer Post-Schlaganfall-Reaktion auf TMS wird sogar beobachtet, wenn Patienten eine gewisse willentliche Kontrolle der Muskeln beibehalten, was auf einen zumindest teilweise intakten Kortikospintrakt hinweist.
Das Fehlen messbarer TMS-Reaktionen mit aufrechterhaltener motorischer Funktion trägt zu unserem verminderten Verständnis der post-schlaganfalllichen posturalen und gehspezifischen motorischen Kontrolle und der neurophysiologischen Auswirkungen der Neurorehabilitation bei. Einige der Herausforderungen der neurophysiologischen Beurteilungen der unteren Extremitäten nach Schlaganfall wurden jedoch überwunden. Zum Beispiel kann eine Doppelkegelspule verwendet werden, um die Motoneuronen der unteren Extremität, die sich tief in der interhemisphärischen Spalte1befinden, zuverlässig zu aktivieren. Die Doppelkegelspule erzeugt ein größeres und stärkeres Magnetfeld, das tiefer in das Gehirn eindringt als die häufiger verwendete AchterzahlSpule 4. Eine weitere methodische Änderung, die implementiert werden kann, um die Reaktionsfähigkeit auf TMS zu erhöhen, ist die Messung der CMR während einer leichten freiwilligenKontraktion 5. Im Allgemeinen wird diese Kontraktion auf einem vorbestimmten Niveau entweder des maximalen freiwilligen Gelenkdrehmoments oder der maximalen elektromyographischen (EMG) Muskelaktivität durchgeführt. Die periphere Nervenstimulation kann auch verwendet werden, um eine maximale Muskelreaktion auszulösen, und das aufgezeichnete EMG dieser Reaktion kann verwendet werden, um die gezielte freiwillige Aktivierung des Muskels einzustellen.
Die Durchführung einer TMS-Beurteilung nach einem Schlaganfall während der aktiven Muskelkontraktion ist in den oberen Extremitäten ziemlich häufig, wo isometrische Aufgaben funktionelle Aktivitäten nachahmen können, z. B. das Greifen / Halten von Objekten. Im Gegensatz dazu wird das Gehen durch die bilaterale Aktivierung mehrerer Muskelgruppen über kortikale, subkortikale und Rückenmarksstrukturen erreicht und erfordert eine Aktivierung der Haltungsmuskulatur, um den Auswirkungen der Schwerkraft zu widerstehen. Dieser Aktivierungszustand spiegelt sich wahrscheinlich nicht wider, wenn isolierte Muskeln gemessen werden, die eine isometrische Kontraktion erzeugen. Mehrere frühere Studien zum Verständnis der haltungs- und gehspezifischen motorischen Kontrolle haben TMS-Impulsegeliefert,während die Teilnehmer6,7,8 gingen und9,10,11,12,13,14,15 standen . Die Messung der CMR in der aufrechten Position ermöglicht die Aktivierung der Haltungsmuskulatur und der subkortikalen Komponenten der Haltungs- und Gangmotorik-Kontrollnetzwerke. Bis heute gab es keine Berichte über die Durchführung von stehenden TMS-Bewertungen bei Personen nach einem Schlaganfall.
Diese Studie schlägt eine standardisierte Methodik vor, die auf der vorhandenen Literatur der stehenden TMS-Methoden6,7,8,9,10,11,12,13,14,15für die stehende TMS-Bewertung der CMR nach einem Schlaganfall aufbaut. Diese Methodik kann von Forschungsgruppen verwendet werden, die, aber nicht beschränkt auf, Haltungsdefizite und gehspezifische motorische Kontrolle nach einem Schlaganfall untersuchen und eine größere Konsistenz der TMS-Verfahren herstellen. Der Zweck dieser methodischen Untersuchung war es, festzustellen, ob stehende TMS-Bewertungen bei Personen nach Schlaganfall mit moderaten Gangstörungen durchführbar sind. Wir stellten die Hypothese auf, dass die Durchführung von Bewertungen im Stehen 1) die Wahrscheinlichkeit erhöhen würde, eine messbare Reaktion auszulösen (motorisch evoziertes Potential, MEP) und 2) dass die Stimulatorleistung / -intensität, die zur Durchführung stehender TMS-Bewertungen verwendet wird, niedriger wäre als die der normalerweise durchgeführten Sitz- / Ruhebewertungen. Wir glauben, dass der erfolgreiche Abschluss und die weit verbreitete Anwendung dieses Protokolls zu einem besseren Verständnis der neurophysiologischen Aspekte der posturalen und gehspezifischen motorischen Kontrolle nach einem Schlaganfall und der Auswirkungen der Neurorehabilitation führen können.
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Protocol
Alle Verfahren wurden vom Institutional Review Board der Medical University of South Carolina genehmigt und entsprachen der Deklaration von Helsinki.
1. Teilnehmerrekrutierung
- Rekrutieren Sie Personen nach dem Schlaganfall aus der lokalen Datenbank. Für dieses Experiment wurden 16 Personen aus einer lokalen elektronischen Rekrutierungsdatenbank rekrutiert. In einigen Fällen wurden die Teilnehmer speziell rekrutiert, weil sie in früheren Studien, die von unserer Forschungsgruppe durchgeführt wurden, nicht auf TMS in Ruhe angesprochen hatten.
- Verwenden Sie die folgenden Einschlusskriterien für diese Untersuchung: Männer und Frauen im Alter zwischen 18 und 85 Jahren, mindestens 6 Monate nach dem Schlaganfall, Restparese der unteren Extremitäten und in der Lage, 10 Minuten ohne Hilfsmittel zu stehen.
- Schließen Sie Teilnehmer aus, wenn sie eine Vorgeschichte von Anfällen hatten, verschreibungspflichtige Medikamente einnahmen, die die Anfallsschwellen senkten, eine Vorgeschichte von Hirnverletzungen und / oder anderen Erkrankungen des zentralen Nervensystems hatten, Implantate oder Metallgegenstände in ihrem Kopf hatten oder schwere Arthritis oder orthopädische Zustände hatten, die ihren passiven Bewegungsumfang einschränkten.
HINWEIS: Die demografischen Daten der Teilnehmer sind in Tabelle 1 aufgeführt.
| Studien-ID | Alter | Monate nach Schlaganfall |
Sex | Rennen | Art des Schlaganfalls | Takt Halbkugel |
Höhe (cm) |
Gewicht (kg) |
Selbst gewählte Gehgeschwindigkeit (m/s) | Gehen Helfen |
||
| 1 | 67 | 28.7 | M | C | Intrazerebrale Blutung | Rechts | 180 | 74.8 | 0.61 | Nichts | ||
| 2 | 84 | 55.8 | F | C | Ischämisch | Rechts | 165 | 68.0 | 0.94 | Nichts | ||
| 3 | 56 | 262.7 | F | C | Subarachnoidalblutung | Links | 152 | 59.0 | 1.29 | Nichts | ||
| 4 | 67 | 141.8 | M | C | Intrazerebrale Blutung | Rechts | 180 | 72.6 | 0.27 | Stock / AFO | ||
| 6 | 48 | 21.6 | M | C | Intrazerebrale Blutung | Rechts | 170 | 61.2 | 0.83 | Nichts | ||
| 7 | 58 | 93.9 | M | C | Akute Ischämische | Links | 168 | 112.5 | 0.77 | Quad Stock / AFO | ||
| 8 | 71 | 55.3 | F | AA | Akute Ischämische | Links | 170 | 68.0 | 1.05 | Nichts | ||
| 9* | 65 | 23.7 | M | C | Akute Ischämische | Rechts | 178 | 84.8 | - | Knieorthese | ||
| 10 | 70 | 26.6 | M | C | Akute Ischämische | Links | 173 | 78.9 | 0.81 | Nichts | ||
| 12 | 70 | 10.0 | M | C | Akute Ischämische | Links | 170 | 86.2 | 1.11 | Nichts | ||
| 13 | 65 | 80.6 | M | C | Akute Ischämische | Rechts | 185 | 139.7 | 0.93 | Stock / Krücke | ||
| 14 | 79 | 83.0 | M | C | Akute Ischämische | Rechts | 175 | 88.5 | 0.48 | Stock | ||
| 15 | 51 | 54.4 | M | AA | Akute Ischämische | Links | 178 | 90.7 | 1.35 | Nichts | ||
| 17 | 65 | 18.5 | M | C | Akute Ischämische | Rechts | 170 | 74.8 | 0.28 | Stock | ||
| 18 | 63 | 48.8 | F | AA | Akute Ischämische | Rechts | 170 | 83.9 | 1.12 | Nichts | ||
| 19 | 58 | 25.9 | M | C | Akute Ischämische | Beide | 183 | 88.5 | 1.10 | Nichts | ||
| * Teilnehmer aus der Datenanalyse entfernt, da die erforderlichen Bewertungen nicht abgeschlossen werden können | ||||||||||||
| AFO = Knöchelfußorthese | ||||||||||||
Tabelle 1: Demografie der Teilnehmer.
- Stellen Sie telefonisch den ersten Kontakt mit den Teilnehmern her und erläutern Sie kurz die Testabläufe. Laden Sie Interessierte ins Labor ein.
- Lassen Sie sich bei der Ankunft in der Forschungseinrichtung von einem Mitglied des Forschungspersonals das experimentelle Protokoll den potenziellen Teilnehmern vollständig erklären.
- Wenn ein potenzieller Teilnehmer seine Bereitschaft zur Teilnahme an der Studie bestätigt, holen Sie eine schriftliche Einverständniserklärung ein, die vom lokalen institutionellen Überprüfungsausschuss genehmigt wurde.
2. Bildleitsystem und Teilnehmereinrichtung
- Verwenden Sie Bildführungssoftware, um eine konsistente Lieferung der TMS-Impulse während der Bewertung sicherzustellen.
- Starten Sie ein neues Projekt mit dem MNI-Kopfmodell, das für das Bildleitsystem nativ ist. Öffnen Sie die Software und wählen Sie Neues MNI-Head-Projekt.
- Klicken Sie im Popup-Fenster auf die Registerkarte Ziele und dann auf Ziele konfigurieren. Bestimmen Sie die Position der Kopfhaut direkt über dem präzentralen Gyrus und 0,5 cm lateral zur mittelsagitalen Linie.
- Sobald die Position visuell identifiziert wurde, fügen Sie ein neues rechteckiges Raster hinzu, indem Sie auf Neuund dann auf Rechteckiges Rasterklicken. Das Raster sollte auf dem Bildschirm erscheinen, und die mediale Reihe sollte 0,5 cm seitlich zur mittleren Linie sein.
- Ändern Sie die Größe des Rasters, indem Sie 3 und 5 in die Rastergrößenfelder eingeben. Legen Sie den Rasterabstand auf 10 x 10 mm fest, indem Sie die Felder für den Rasterabstand eingeben. Wählen Sie das Cursor-Werkzeug aus,und bewegen Sie dann den Cursor zum Kopfhautbild.
- Halten Sie die Maustaste gedrückt, um das Kopfhautbild zu drehen und sicherzustellen, dass alle Gitterpunkte die Haut berühren. Wenn sich die Gitterpunkte nicht auf der Kopfhaut befinden, passen Sie die Krümmung des Gitters an, indem Sie den Krümmungsregler bewegen.
- Wiederholen Sie diese Prozeduren, um ein weiteres 3 x 5-Raster über die gegenüberliegende Hemisphäre zu legen.
HINWEIS: Dies kann vor der Aufnahme eines Teilnehmers in die Studie und der Ankunft im Labor durchgeführt werden. Zusätzlich kann das anatomische T1-gewichtete Bild eines Teilnehmers verwendet werden, falls verfügbar. Spezifische Details zur Verwendung anatomischer MRTs für die Navigation finden Sie im zuvor veröffentlichten Artikel16.
- Starten Sie eine neue Sitzung innerhalb der Bildführungssoftware, indem Sie die Registerkarte Sitzungen auswählen, sobald die Software geöffnet ist.
- Klicken Sie auf Neuund dann auf Onlinesitzung. Wählen Sie im nächsten Fenster die beiden im vorherigen Abschnitt (Abschnitt 2.1) erstellten Raster aus, indem Sie darauf klicken und dann auf Hinzufügenklicken.
- Aktivieren Sie auf der Registerkarte IOBox unter TTL-Triggeroptionen das Kontrollkästchen neben Switch verwenden (Einschalten) und geben Sie 0 ms in das Feld Tote Zeit ein. Klicken Sie oben auf die Schaltfläche Weiter. Stellen Sie visuell sicher, dass die Kamera des Bildleitsystems aktiv ist.
- Beginnen Sie mit der Teilnehmerregistrierung, indem Sie den mit dem Bildleitsystem gelieferten Motiv-Tracker um die Stirn des Teilnehmers legen.
- Stellen Sie die Kamera manuell ein, um sicherzustellen, dass sich der Teilnehmer-Tracker in der Mitte des Sichtfelds der Kamera befindet. Klicken Sie anschließend oben in der Software auf die Registerkarte Registrierung.
- Platzieren Sie den Zeiger/Marker des Bildleitsystems auf den Registrierungsmarkierungen: Nasion und den rechten und linken periauricularen Punkten. Wenn der Mauszeiger auf der Skin platziert ist, klicken Sie auf die Schaltfläche Weiter, um die Skin-Positionen des Teilnehmers für die Bildführungssoftware zu registrieren.
- Nachdem die Registrierungshinweise erfasst wurden, klicken Sie oben im Softwarefenster auf die Registerkarte Skalierung. Platzieren Sie den Mauszeiger an den Stellen ganz rechts, ganz links, ganz oben, vorne und ganz hinten auf der Kopfhaut des Teilnehmers.
- Klicken Sie an jeder Stelle auf die Schaltfläche Weiter, um das Bildführungssystem auf den Kopf des Teilnehmers zu skalieren. Nachdem die Skalierung abgeschlossen ist, klicken Sie oben in der Software auf die Registerkarte Ausführen. Das Bildleitsystem ist nun fertig.
3. Vorbereitung und Einrichtung der Oberflächenelektromyographie
- Bereiten Sie die Tibialis anterior (TA) und Soleus (SOL) Muskeln der Teilnehmer auf Oberflächenelektromyographie (sEMG) Elektroden vor. Um die Haut auf sEMG vorzubereiten, reinigen Sie den Bereich mit Alkoholpads und entfernen Sie gegebenenfalls Haare mit einem Einmal-Sicherheitsrasierer. Platzieren Sie die sEMG Einweg-Gelelektroden gemäß SENIAM-Richtlinien17.
HINWEIS: Die Sensorplatzierung für den TA beträgt 1/3 des Weges nach unten auf der Linie zwischen der Spitze der Fibel und der Spitze des medialen Malleolus. Für den SOL platzieren Sie den Sensor 2/3 der Linie zwischen dem medialen Kondylus des Femurs und dem medialen Malleolus. - Sobald die Elektroden angebracht sind, überprüfen Sie das Signal visuell auf Qualität. Wickeln Sie dann die Schäfte mit einer elastischen Bandage ein, um die Bewegung der Elektroden und des resultierenden Artefakts während des Tests zu minimieren.
HINWEIS: Zeichnen Sie sEMG-Signale bei 5000 Hz in einem 0,5-s-Fenster ab 0,1 s vor der Abgabe der TMS-Impulse auf. Die genaue Abtastfrequenz und die Menge der gesammelten Daten hängen von der Hard- und Software ab, die zur Aufzeichnung der sEMG-Antwort auf TMS verwendet wird. Für Details zur Erstellung von EMG-Aufzeichnungen und -Analysen siehe Tankisi et al.18.
4. Kraftplatte und Teilnehmersicherheitseinrichtung
- Öffnen Sie die Datenerfassungssoftware und starten Sie eine neue Testversion, um die Dual-Top-Kraftplatte zu kalibrieren.
- Klicken Sie auf Start und starten Sie eine FP Zero-Testversion. Sammeln Sie 3-5 s Daten ohne Last auf der Kraftmessplatte, und klicken Sie dann auf Stopp.
- Sobald die Kraftmessplatte kalibriert ist, der Teilnehmer am Bildleitsystem (Abschnitt 2.2) registriert und die sEMG-Elektroden platziert und auf die Signalqualität getestet wurden (Abschnitt 3), weisen Sie den Teilnehmer an, aufzustehen und sie mit einem Sicherheitsgurt zu befestigen.
- Lassen Sie den Teilnehmer auf die Kraftmessplatte treten und seine Fußplatzierung mit Abdeckband standardisieren, das auf die Kraftplatte vorgetragen ist, um die vorderste Position des Fußes und die medialen Kanten der Füße gleich weit von der Mittellinie anzuzeigen.
- Befestigen Sie den Sicherheitsgurt des Teilnehmers an der Deckenstütze. Platzieren Sie einen Rollator oder ein ähnliches Gerät um die Kraftmessplatte, um den Teilnehmern bei Bedarf etwas zu bieten, mit dem sie sich während des Tests stabilisieren können.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer während aller stehenden TMS-Verfahren über einen Sicherheitsgurt an der Decke befestigt sind, um einen Sturz zu verhindern.
- Messen und sammeln Sie das Gewicht des Teilnehmers, während er auf der Kraftmessplatte steht, indem Sie auf Start klicken und eine FP Static-Testversion auswählen. Zeichnen Sie Daten im Wert von 2-5 s auf und klicken Sie auf Stop, um die Testversion zu beenden.
- Wenn Sie auf den Kraftmessplatten stehen, stellen Sie sicher, dass die Datenerfassungssoftware zwei Balkendiagramme anzeigt, die das Gewicht / die Kraft unter jedem der Füße des Teilnehmers darstellen (Abbildung 1A). Wenn der Teilnehmer sein Gewicht auf eine Seite verschiebt, ändern sich die Höhe der Balkendiagramme (Abbildung 1B).
- Wenn ein Teilnehmer das Gewicht auf seinen Beinen auf seine Arme entlädt, stellen Sie sicher, dass die Balkendiagrammanzeige die Farbe ändert (Abbildung 1C). Nachdem sich ein Teilnehmer im Stehen mit gleichem Gewicht zwischen den Beinen wohl gefühlt hat, kann mit der Messung der CMR begonnen werden.
Abbildung 1: Repräsentatives Bild des visuellen Feedbacks, das den Teilnehmern während der stehenden TMS-Bewertung gegeben wurde. (A) zeigt das visuelle Feedback, das den Teilnehmern gegeben wurde, während sie standen, wobei ihr Gewicht gleichmäßig zwischen den paretischen und nicht-paretischen Beinen verteilt war. Die vertikalen Balken stellen die Kraftmenge dar, die von jedem der Bereiche der Kraftplatte gemessen wird. Die durchgezogenen horizontalen Linien stellen den Bereich der vertikalen Kraft dar, der gemessen wurde, um die Belastung des Körpergewichts auf die unteren Extremitäten und nicht durch die Arme zu gewährleisten, wenn die Teilnehmer sich mit der bereitgestellten Handstütze stabilisieren mussten. Wenn das Körpergewicht des Teilnehmers um mehr als 5% auf eine Seite verschoben wurde, änderten die vertikalen Balken die Farben, um den Teilnehmer zu informieren, sich zu der Seite zu neigen, die entladen wurde, wie in (Bgezeigt ). Wenn der Teilnehmer mehr als +/- 5% seines Körpergewichts von seinen Beinen be- / entladen hat, würde sich die Hintergrundbildschirmfarbe wie in (C) gezeigt ändern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
5. Beurteilung des Ansprechverhaltens des stehenden Kortikomotors
- Beginnen Sie die neurophysiologischen Bewertungen, indem Sie eine Stimulatorintensität identifizieren, die konsistente motorisch evozierte Potentiale (MEP) erzeugt, d. H. EMG-Signalamplitude > 50 μV und / oder eine sichtbare kortikosilente Periode in den aktiven Muskeln, im Ziel-TA und im SOL-Muskel.
HINWEIS: Verwenden Sie eine Doppelkegelspule, um alle TMS-Impulse mit dem Strom zu liefern, der sich in vorderer bis hinterer Richtung durch die Spule bewegt. Wenden Sie die TMS-Impulse nur an, wenn der Teilnehmer die gleiche Gewichtsverteilung zwischen seinen paretischen und nicht-paretischen Beinen beibehält, wie aus den im vorherigen Abschnitt (Abschnitt 4.2) erwähnten visuellen Feedback-/Balkendiagrammen hervorgeht.- Testen Sie zuerst die paretische Extremität, indem Sie TMS-Impulse auf die läsionierte Hemisphäre auftragen. Stellen Sie zunächst den Leistungspegel des TMS-Stimulators auf 50% maximale Stimulatorleistung (%MSO) ein, indem Sie den Ausgangsregler drehen. Wenden Sie einen einzelnen Impuls bei 50% MSO auf den mittleren Gitterpunkt an, der sich direkt seitlich an der Längsspalte befindet, indem Sie die Auslösetaste am Stimulator drücken. Wenden Sie 2-3 Impulse mit einem Interstimulusintervall von 5-10 s an.
HINWEIS: Wenn ein Teilnehmer eine Antwort bei 50% MSO zeigt, fahren Sie mit Abschnitt 5.2 fort und beginnen Sie mit der Hotspot-Identifizierung. - Wenn in TA und SOL keine Reaktionen zu sehen sind, erhöhen Sie die Stimulatorleistung um 10% MSO, indem Sie den Ausgangsregler drehen und 2-3 TMS-Impulse wie in Schritt 5.1.1 liefern.
- Wenn nach dem Erhöhen des Stimulators auf 60% MSO keine Reaktionen zu sehen sind, erhöhen Sie die Leistung erneut um 10% MSO. Wenn bei 70% MSO keine MEPs ausgelöst werden, wählen Sie nach dem Zufallsprinzip mehrere Gitterpunkte aus und wenden Sie TMS-Impulse an, um festzustellen, ob bei der aktuellen Leistungseinstellung eine Reaktion vorliegt.
- Wenn an einem Netzpunkt bei den aktuellen 70% MSO keine Reaktionen aufgezeichnet werden, kehren Sie zum ursprünglichen Zielgitterpunkt landen, erhöhen Sie die Stimulatorleistung in Schritten von 10% MSO und wenden Sie 2-3 Stimulationen wie zuvor beschrieben an.
HINWEIS: Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis zuverlässige Antworten von den Zielmuskeln aufgezeichnet werden oder bis festgestellt wird, dass der Teilnehmer keine Reaktion auf TMS hat. Nicht alle Teilnehmer werden eine messbare Reaktion auf TMS erzeugen.
- Testen Sie zuerst die paretische Extremität, indem Sie TMS-Impulse auf die läsionierte Hemisphäre auftragen. Stellen Sie zunächst den Leistungspegel des TMS-Stimulators auf 50% maximale Stimulatorleistung (%MSO) ein, indem Sie den Ausgangsregler drehen. Wenden Sie einen einzelnen Impuls bei 50% MSO auf den mittleren Gitterpunkt an, der sich direkt seitlich an der Längsspalte befindet, indem Sie die Auslösetaste am Stimulator drücken. Wenden Sie 2-3 Impulse mit einem Interstimulusintervall von 5-10 s an.
- Sobald die Stimulatorleistung, die eine konsistente Reaktion erzeugt, identifiziert wurde, beginnen Sie mit der Identifizierung des Hotspots, d. H. Der Kopfhautposition, der die größte Reaktion auf die angewendeten TMS-Impulse hervorruft.
- Starten Sie eine neue Hotspot-Testversion, indem Sie auf Start klicken und Hotspotauswählen. Wenden Sie eine Einzelpulsstimulation auf jeden der 15 Gitterpunkte auf dem in den vorherigen Schritten angegebenen Überschwellenleistungsniveau an. Bewegen Sie die Spule mithilfe des Bildführungssystems zum ersten Gitterpunkt.
- Sobald sich die Spule in der richtigen Position befindet, wenden Sie den TMS-Impuls an, indem Sie die Auslösetaste an der Stimulatoreinheit drücken. Als nächstes bewegen Sie die Spule an die nächste Gitterposition und wenden einen weiteren einzelnen TMS-Impuls an. Fahren Sie fort, bis eine einzelne Stimulation auf jeden Gitterpunkt angewendet wurde, und klicken Sie auf Stopp, um die Testversion zu beenden.
- Untersuchen Sie die Amplituden der sEMG-Signale, die an jedem Gitterpunkt aufgezeichnet wurden. Identifizieren Sie visuell die Gitterpunkte mit der größten MEP-Amplitude, die in den sEMG-Signalen aufgezeichnet sind, für jeden der Zielmuskeln. Die Gitterstandorte mit den größten MEP-Amplituden sind die Hotspots und werden zur Messung der kortikomotorischen Reaktion in den folgenden Abschnitten verwendet.
HINWEIS: In einigen Fällen kann eine einzelne Gitterposition die größten MEP-Amplituden sowohl für die TA als auch für die SOL bereitstellen. Bestimmen Sie in diesen Fällen die motorischen Schwellenwerte für jeden Muskel separat.
- Als nächstes bestimmen Sie den motorischen Schwellenwert des Zielmuskels mithilfe einer einfachen adaptiven Parameterschätzung durch sequenzielle Tests (PEST)19,20.
- Öffnen Sie das PEST-Programm und stellen Sie die anfängliche Stimulatorintensität auf den Überschwellenwert ein, der zur Identifizierung des Hotspots verwendet wird, indem Sie den Wert in das Feld eingeben.
- Starten Sie eine neue PEST-Testversion, indem Sie in der Datenerfassungssoftware auf die Registerkarte Start klicken und PESTauswählen.
- Wenden Sie einen einzelnen TMS-Impuls auf den Hotspot des identifizierten Zielmuskels mit der anfänglichen %MSO-Intensität an, die im PEST-Programm angezeigt wird. Geben Sie im PEST-Programm an, dass eine Reaktion im sEMG-Signal des Muskels beobachtet wurde, indem Sie y oder n eingeben. Das PEST-Programm berechnet automatisch die nächste Stimulationsintensität.
- Passen Sie die Leistungsstufe des Stimulators an das PEST-Programm an und wenden Sie einen weiteren einzelnen TMS-Impuls an. Setzen Sie diesen Vorgang fort, bis das PEST-Programm den motorischen Schwellenwert bestimmt, der durch eine Farbänderung der Stimulationsintensität angezeigt wird, und beenden Sie den Datenerfassungsversuch, indem Sie auf die Registerkarte Stopp klicken.
HINWEIS: Das PEST-Verfahren verwendet ein frei verfügbares Programm, das angibt, wie viel Stimulatorleistung bei aufeinanderfolgenden Impulsen verwendet werden soll. Eines der PEST-Programme finden Sie hier: (https://www.clinicalresearcher.org/software.htm).
- Nachdem der Hotspot und die motorische Schwelle des Zielmuskels identifiziert wurden, beginnen Sie mit der CMR-Bewertung. Stellen Sie die Intensität des Stimulators auf 120% der ermittelten motorischen Schwelle ein.
- Starten Sie eine neue Testversion in der Datenerfassungssoftware, indem Sie auf die Registerkarte Start klicken und eine MEP-Testversion auswählen. Legen Sie die Spule auf den Hotspot des Muskels und wenden Sie 10-20 Einzelpulsstimulationen an.
- Lassen Sie 5-10 s zwischen jeder Stimulation ein. Zeichnen Sie die aufgerufenen sEMG-Antworten für die Offline-Analyse auf. Erlauben Sie dem Teilnehmer, sich ad libitum und für eine ausreichende Zeit zwischen den Testverfahren auszuruhen, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass der Teilnehmer Müdigkeit entwickelt, die sich auf die Ergebnisse auswirken könnte.
- Klicken Sie nach der Aufzeichnung der Abgeordneten auf die Registerkarte Stop, um die Studie zu beenden.
HINWEIS: Der Forscher, der mit der TMS-Spule umgeht, sollte sicherstellen, dass die Teilnehmer unmittelbar vor der Anwendung eines TMS-Impulses eine gleichmäßige Gewichtsverteilung unter jedem Bein haben. Wenn der Prüfarzt der Meinung ist, dass die Stimulation angewendet wurde, während das Gewicht des Teilnehmers nicht gleichmäßig verteilt war, führen Sie eine zusätzliche Stimulation durch und schließen Sie die vorherige Studie von der zukünftigen Analyse aus. Testen Sie die nicht-paretischen Muskeln unmittelbar nach den paretischen Muskeln. Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau während der stehenden TMS-Bewertung.
Abbildung 2: Bild, das während der Messung der kortikomotorischen Reaktion (CMR) in der stehenden Position aufgenommen wurde. Das Bildleitsystem und die gesammelte sEMG-Aktivität werden dem Forschungspersonal während der Datenerfassung angezeigt, wie auf den Monitoren auf der linken Seite des Bildes gezeigt. Visuelles Feedback zur Gewichtsverteilung erfolgte vor und leicht rechts von den Teilnehmern. Die Teilnehmer trugen einen Sicherheitsgurt, der an der Decke befestigt war, um Stürze im Stehen auf der Dual-Top-Kraftplatte zu verhindern. Die Arme der Teilnehmer wurden unterstützt, um den Teilnehmern zu helfen, sich nach der Anwendung der TMS-Impulse zu stabilisieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
6. Beurteilung der Reaktion des sitzenden Kortikomotors
- Nach Abschluss der stehenden TMS-Bewertung werden die motorischen Schwellenwerte und der CMR in Ruhe-/Sitzposition neu gemessen.
- Verwenden Sie die gleichen Verfahren wie zuvor beschrieben (Abschnitte 5.2-5.4). Die einzige Änderung ist, dass der Teilnehmer auf einem Stuhl sitzen sollte, seine Beine gestützt und die Muskeln entspannt haben.
- Verwenden Sie dieselben Hotspots, die während der Stehenden Beurteilung (Abschnitt 5.2) in der sitzenden Position ermittelt wurden. Führen Sie die neurophysiologischen Tests auf die gleiche Weise durch, wie sie in der stehenden Position verwendet werden, mit Ausnahme einer Stimulationsintensität von 120% der ruhenden / sitzenden motorischen Schwelle.
HINWEIS: Es kann notwendig sein, zusätzliche Tests mit einer zuvor festgelegten Stimulatorleistung durchzuführen. Wenn beispielsweise Vergleiche zwischen der Amplitude des MEP in verschiedenen Haltungspositionen durchgeführt werden, kann es notwendig sein, eine ähnliche absolute Stimulatorleistung zu verwenden. Dies hängt von der vorliegenden Forschungsfrage ab und sollte während des Studiendesigns identifiziert werden.
7. Statistischer Ansatz
- Um die Hypothese zu testen, dass das Stehen zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit führen würde, messbare Antworten hervorzurufen, konstruieren Sie eine 2 x 2-Tabelle und testen Sie die Proportionen mit McNemars Test21.
- Um die Leistungsstufen der motorischen Schwellenwerte zu vergleichen, verwenden Sie einen gepaarten t-Testan den Teilnehmern, die in beiden Positionen messbare Reaktionen hatten. Bestimmen Sie die Signifikanz mit einem Alpha = 0,05.
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Representative Results
Ein Teilnehmer wurde aus der Analyse entfernt, da das stehende TMS-Verfahren aufgrund von bereits bestehenden Knieschmerzen und einer diabetischen Wunde, die er vor seiner Ankunft im Forschungslabor erhalten hatte, nicht toleriert werden konnte, so dass eine endgültige Stichprobengröße von 15 zurückblieb. Die diabetische Wunde befand sich direkt über der TA und schloss jegliche sEMG-Messungen dieses Muskels aus. Den Prüfärzten wurden weder während der sitzenden noch während der stehenden TMS-Verfahren größere unerwünschte Ereignisse gemeldet. Mehrere kleinere unerwünschte Ereignisse wurden berichtet, wie Nackenmuskelschmerzen und leichte Kopfschmerzen. Diese geringfügigen Ereignisse wurden jedoch am Ende der Testsitzung gemeldet, und es war nicht klar, ob die Sitz- oder Stehverfahren für diese Nebenwirkungen verantwortlicher waren. Diese geringfügigen unerwünschten Ereignisse werden häufig nach TMS-Auswertungen und in der TMS-Literatur22 beobachtet.
Die Gesamtbe- und Entladung des Körpergewichts während der TMS-Impulsanwendung betrug +0,4% (SD 1,8%) des Körpergewichts. Dies bedeutet, dass die Teilnehmer das Körpergewicht nicht von ihren Beinen auf ihre Arme entluden, wenn sie den Rollator als Mittel zur Unterstützung während der TMS-Verfahren verwendeten. Die durchschnittliche Gewichtsverteilung des linken Beines der Teilnehmer betrug 50% (SD 6%). Wir versuchten, motorische Schwellenwerte in vier separaten Muskeln (paretisch und nicht-paretisch, TA und SOL) zu messen, was zu insgesamt 60 motorischen Schwellenwerten sowohl in der stehenden als auch in der sitzenden Position führte. In der stehenden Position konnten wir in 90,0% der Fälle eine motorische Schwelle ermitteln und messen, verglichen mit 65,0% in der sitzenden Position. Innerhalb einer einzigen Sitzung war es wahrscheinlicher, dass die Beurteilung der motorischen Schwelle in der stehenden Position zu einer messbaren Reaktion führen würde (McNemar Chi2,Yates-Korrektur, χ = 8,48, P = 0,004) (Tabelle 2). Dies stimmt mit unserer ersten Hypothese überein, dass die stehende Position zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit führen würde, messbare Antworten hervorzurufen. Unsere zweite Hypothese war, dass das Stehen zu motorischen Schwellenwerten führen würde, die eine geringere Stimulatorleistung erfordern. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei Personen mit messbaren motorischen Schwellenwerten in der sitzenden und stehenden Position die gemessenen Schwellenwerte in der stehenden Position niedriger waren (N = 38, Standing MT 45% MSO SD 9, Sitting MT 53% MSO SD 11, Paired t-statistic 4.99, P < 0.001). Abbildung 3 zeigt die gemessenen motorischen Schwellenwerte für jeden Muskel und Zustand für alle Teilnehmer.
| Sitzend Antwort |
Stehende Reaktion | ||||
| Ja | Nein | Gesamt | % | ||
| Ja | 38 | 1 | 39 | 65 | |
| Nein | 16 | 5 | 21 | 35 | |
| Gesamt | 54 | 6 | 60 | ||
| % | 90 | 10 | 100 | ||
Tabelle 2: Die konstruierte 2 x 2 Tabelle zeigt die berichtete Fähigkeit, erfolgreich eine Reaktion auf TMS zu erzeugen und die Fähigkeit, eine motorische Schwelle in den Sitz- und Stehbedingungen zu messen. Der McNemar-Test wurde verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu vergleichen, eine messbare Antwort hervorzurufen, und es wurde festgestellt, dass die stehenden Bewertungen signifikant häufiger eine messbare Reaktion hervorriefen als die Durchführung von Bewertungen in sitzender Position.
Abbildung 3: Gemessene motorische Schwellenwerte in den interessierenden Muskeln. Linien, die die linken und rechten Werte verbinden, zeigen an, dass das Individuum messbare motorische Schwellenwerte für diesen Muskel sowohl in der sitzenden als auch in der stehenden Position hatte. Motorische Schwellenwerte werden als Prozentsatz der maximalen Stimulatorleistung (%MSO) gemessen und angegeben. (A,B) zeigen motorische Schwellenwerte, die in den paretischen bzw. nicht-paretischen Tibialis-Vordermuskeln gemessen werden. (C, D) zeigen die motorischen Schwellenwerte der paretischen bzw. nicht-paretischen Soleusmuskeln. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Das experimentelle Protokoll wurde von den meisten Teilnehmern gut vertragen. Eine Person war nicht in der Lage, die stehende TMS-Bewertung aufgrund bereits bestehender Dekubitusgeschwüre infolge diabetischer Komplikationen und orthopädischer Probleme mit bereits bestehenden Knieschmerzen abzuschließen. Der Umfang des Be- und Entladens des Körpergewichts von den Beinen war minimal. Es gab jedoch im Durchschnitt eine etwas größere Abwärtskraft, die während der Anwendung der TMS-Impulse gemessen wurde. Dies ist wahrscheinlich auf das Gewicht der Spule und den von den Forschern ausgeübten Abwärtsdruck zurückzuführen, um sicherzustellen, dass ein ausreichender Kontakt zwischen der Kopfhaut / dem Kopf und der TMS-Spule besteht. Die minimalen Veränderungen des Körpergewichts, die während der TMS-Verfahren im Vergleich zu den statischen Studien erfasst wurden, deuten darauf hin, dass keine signifikanten Auswirkungen des Be- oder Entladens des Körpergewichts zu unseren Ergebnissen beigetragen haben. Wir untersuchten auch die Gewichtsverteilung zwischen den Beinen und stellten fest, dass sie symmetrisch ist, wobei durchschnittlich 50% des Gewichts der Teilnehmer von ihren linken Beinen getragen werden. Es wird erwartet, dass Personen nach einem Schlaganfall, die 10 Minuten mit wenig bis gar keiner Unterstützung stehen können, die beschriebenen stehenden TMS-Bewertungen abschließen können. Die stehende Position ermöglichte eine höhere Ansprechrate auf TMS im Vergleich zur Ruhe-/Sitzposition. Die Zunahme der TMS-Reaktionsfähigkeit in der stehenden Position kann es Personen, die zuvor aufgrund eines Mangels an messbarer TMS-Reaktion von neurophysiologischen Studien disqualifiziert wurden, ermöglichen, sich für zukünftige Studien zu qualifizieren, die die haltungs- und gehspezifische motorische Kontrolle nach einem Schlaganfall untersuchen. Die Erhöhung des Pools der in Frage kommenden Teilnehmer kann zu einer größeren Verallgemeinerbarkeit der Forschungsergebnisse in der gesamten Population nach einem Schlaganfall führen.
Motorische Schwellenwerte, die in der stehenden Position bewertet wurden, wurden bei einem niedrigeren %MSO gemessen. Die motorischen Schwellenwerte nach dem Schlaganfall sind oft um23 erhöht und erfordern eine Stimulation bei einem hohen MSO-Wert, um die CMR zu messen. Die Anwendung von Hochleistungs-TMS-Impulsen mit einer Doppelkegelspule kann zu erhöhten Muskelkontraktionen im Gesicht und in den oberen Extremitäten führen, die für die Forschungsteilnehmer unangenehm sein können. Die Durchführung neurophysiologischer Bewertungen mit einer geringeren Intensität kann die Verträglichkeit von TMS-Verfahren bei einigen Teilnehmern nach einem Schlaganfall erhöhen und die Teilnahme an diesen Arten von Studien erhöhen.
Diese Methodik beschreibt den Prozess zur Messung der kortikomotorischen Reaktion auf Single-Pulse-TMS. Gepaarte Pulsparadigmen können aber auch im Stehen gesammelt werden. Die intrakratische Hemmung (SICI) mit kurzer Latenz und die intrakrale Fazilitation (ICF) verwenden zwei TMS-Impulse, die von derselben Spule mit Interstimulusintervallen von 2bzw.10 ms abgegeben werden. Diese intrakortikalen Messungen können zusätzliche Details über den neurophysiologischen Zustand/das Verhalten des Nervensystems im Stehen im Vergleich zu motorischen Schwellenwerten allein liefern.
Wie bei allen wissenschaftlichen Methoden gibt es Einschränkungen für das aktuelle Protokoll. Ein wichtiger Punkt zu berücksichtigen ist, dass Personen mit Hemiparese nach Schlaganfall keine Aktivitäten auf die gleiche Weise ausführen wie neurologisch intakte Gruppen. Menschen in der chronischen Phase nach dem Schlaganfall haben in der Regel kompensatorische Strategien entwickelt, um körperliche Aufgaben zu erfüllen25,26, die sich auf die Aufrechterhaltung einer aufrechten Haltung erstrecken. Selbst bei gleicher/ symmetrischer Gewichtsbelastung zwischen den paretischen und nicht-paretischen Gliedmaßen befinden sich die Teilnehmer nach dem Schlaganfall möglicherweise nicht in einer symmetrischen aufrechten Haltung. Die Standardisierung der Fußpositionen auf der Kraftmessplatte kann dazu beitragen, diese Einschränkung einzudämmen. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass neuere Untersuchungen aufgrund der bekannten Variabilität in der CMR die Aufzeichnung von mehr als 10 motorisch evozierten Potentialen27nahegelegt haben. In dieser Untersuchung haben wir uns entschieden, nur 10 Testimpulse aufzuzeichnen, um die Belastung der Teilnehmer im Stehen zu reduzieren. Wie bereits erwähnt, wurde dieses Protokoll von Personen, die in der Lage sind, mindestens 10 Minuten unabhängig zu stehen, gut vertragen / durchgeführt. Diese Tatsache kann die Verwendung dieses Protokolls bei hohen / schweren Behinderungen nach einem Schlaganfall oder bei Personen mit orthopädischen Einschränkungen einschränken.
Neurophysiologische Bewertungsmethoden der unteren Extremitäten, insbesondere in neurologisch beeinträchtigten Populationen, haben in der Literatur noch nicht viel Konsistenz gefunden. Wenn haltungs- und gehspezifische Beeinträchtigungen und / oder Rehabilitation der unteren Extremitäten im Vordergrund stehen, besteht kein Konsens über die beste Methode. Zum Beispiel wurden Vergleiche zwischen Ruhe-, aktiven und stehenden Maßnahmen und wie diese Maßnahmen mit klinischer Behinderung zusammenhängen, nicht vollständig untersucht. Die meisten Forscher würden zustimmen, dass die Doppelkegelspule das am besten geeignete Gerät ist, um die kortikalen Darstellungen der unteren Extremität zu stimulieren. Außerhalb dieses Parameters werden viele der TMS-Studien der unteren Extremität nach den Standards der einzelnen Forschungsgruppen durchgeführt. Die mangelnde Konsistenz zwischen den Forschungsgruppen erhöht die Schwierigkeit, größere metaanalytische Bewertungen durchzuführen, die erforderlich sind, um die Verallgemeinerbarkeit von Forschungsergebnissen zu erweitern. In diesem Protokoll bieten wir eine Grundlage für TMS-Verfahren der unteren Extremitäten, die in Studien zur Untersuchung der haltungs- und gehspezifischen motorischen Kontrolle und Neurorehabilitation nach einem Schlaganfall eingesetzt werden können.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine tatsächlichen oder wahrgenommenen Interessenkonflikte im Zusammenhang mit der gemeldeten Arbeit haben.
Acknowledgments
Die Autoren danken Herrn Brian Cence und Frau Alyssa Chestnut für ihre Beiträge zur Teilnehmergewinnung und Datenerhebung.
Die Finanzierung für dieses Projekt wurde zum Teil durch einen Technical Development Award des NIH National Center for Neuromodulation for Rehabilitation (NM4R) (HD086844) und durch den Veteran's Affairs Rehabilitation Research and Development Career Development Award 1 (RX003126) und den Merit Award (RX002665) bereitgestellt.
Der Inhalt dieses Berichts stellt nicht die Ansichten des US-Ministeriums für Veteranenangelegenheiten, der US National Institutes of Health oder der Regierung der Vereinigten Staaten dar.
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
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