Summary
Questo protocollo descrive il processo per l'esecuzione di una valutazione neurofisiologica dei muscoli degli arti inferiori, tibiale anteriore e soleo, in posizione eretta utilizzando TMS nelle persone post-ictus. Questa posizione fornisce una maggiore probabilità di suscitare una risposta TMS post-ictus e consente l'uso di una ridotta potenza dello stimolatore durante le valutazioni neurofisiologiche.
Abstract
La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento comune utilizzato per misurare il comportamento dei circuiti motori in popolazioni sane e neurologicamente compromesse. La TMS è ampiamente utilizzata per studiare il controllo motorio e la risposta alla neuroriabilitazione degli arti superiori. Tuttavia, la TMS è stata meno utilizzata nello studio del controllo motorio posturale e specifico per la deambulazione degli arti inferiori. L'uso limitato e le ulteriori sfide metodologiche delle valutazioni TMS degli arti inferiori hanno contribuito alla mancanza di coerenza nelle procedure TMS degli arti inferiori all'interno della letteratura. Ispirato dalla ridotta capacità di registrare i potenziali evocati motori TMS degli arti inferiori (MEP), questo rapporto metodologico descrive i passaggi per consentire valutazioni TMS post-ictus in una postura eretta. La postura eretta consente l'attivazione del sistema neuromuscolare, riflettendo uno stato più simile allo stato del sistema durante le attività posturali e di deambulazione. Utilizzando piastre di forza a doppia punta, abbiamo istruito i partecipanti a distribuire equamente il loro peso tra le loro gambe paretiche e non paretiche. È stato fornito un feedback visivo sulla distribuzione del peso dei partecipanti. Utilizzando il software di guida delle immagini, abbiamo consegnato singoli impulsi TMS tramite una bobina a doppio cono agli emisferi lesionati e non lesionati dei partecipanti e misurato la risposta corticomotoria dei muscoli tibiali anteriori e soleiali paretici e non paretici. L'esecuzione di valutazioni in posizione eretta ha aumentato il tasso di risposta TMS e ha consentito l'uso delle intensità di stimolazione inferiori rispetto alla posizione di seduta / riposo standard. L'utilizzo di questo protocollo TMS può fornire un approccio comune per valutare la risposta corticomotoria degli arti inferiori post-ictus quando la neuroriabilitazione delle menomazioni posturali e dell'andatura sono di interesse.
Introduction
La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento utilizzato per misurare il comportamento dei circuiti neurali. La maggior parte delle indagini TMS incentrate sullo studio del controllo/prestazioni motorie sono state condotte negli arti superiori. Lo squilibrio tra gli studi sugli arti superiori e inferiori è in parte dovuto alle ulteriori sfide nella misurazione della risposta corticomotoria degli arti inferiori (CMR). Alcuni di questi ostacoli metodologici includono le rappresentazioni corticali più piccole dei muscoli degli arti inferiori all'interno della corteccia motoria e la posizione più profonda delle rappresentazioni rispetto al cuoio capelluto1. Nelle popolazioni con lesioni neurologiche, sono presenti anche ulteriori ostacoli. Ad esempio, circa la metà degli individui post-ictus non mostra alcuna risposta alla TMS a riposo nei muscoli degli arti inferiori2,3. La mancanza di risposta post-ictus alla TMS si osserva anche quando i pazienti mantengono un certo controllo volitivo dei muscoli, indicando almeno un tratto corticospinale parzialmente intatto.
La mancanza di risposte TMS misurabili con funzione motoria mantenuta contribuisce alla nostra ridotta comprensione del controllo motorio posturale e della deambulazione post-ictus e degli effetti neurofisiologici della neuroriabilitazione. Tuttavia, alcune delle sfide delle valutazioni neurofisiologiche post-ictus degli arti inferiori sono state superate. Ad esempio, una bobina a doppio cono può essere utilizzata per attivare in modo affidabile i motoneuroni degli arti inferiori situati in profondità nella fessura interemisferica1. La bobina a doppio cono produce un campo magnetico più grande e più forte che penetra più in profondità nel cervello rispetto alla più comunemente usata figura di otto bobina4. Un altro cambiamento metodologico che può essere implementato per aumentare la reattività alla TMS è la misurazione della CMR durante una leggera contrazione volontaria5. Generalmente, questa contrazione viene eseguita a un livello predeterminato di coppia articolare volontaria massima o di attività muscolare elettromiografica massima (EMG). La stimolazione del nervo periferico può anche essere utilizzata per suscitare una risposta muscolare massima e l'EMG registrato di questa risposta può essere utilizzato per impostare l'attivazione volontaria mirata del muscolo.
L'esecuzione della valutazione TMS post-ictus durante la contrazione muscolare attiva è abbastanza comune negli arti superiori in cui i compiti isometrici possono imitare le attività funzionali, ad esempio afferrare / tenere oggetti. Al contrario, la camminata si realizza attraverso l'attivazione bilaterale di più gruppi muscolari attraverso strutture corticali, sottocorticali e del midollo spinale e richiede l'attivazione muscolare posturale per resistere agli effetti della gravità. Questo stato di attivazione probabilmente non si riflette quando si misurano muscoli isolati che producono una contrazione isometrica. Diversi studi precedenti diretti alla comprensione del controllo motorio posturale e specifico per la deambulazione hanno erogato impulsi TMS mentre i partecipanti camminavano6,7,8 e stavano in piedi9,10,11, 12,13,14,15 . La misurazione della CMR in posizione eretta consente l'attivazione dei muscoli posturali e delle componenti sottocorticali delle reti di controllo motorio posturale e dell'andatura. Ad oggi, non ci sono state segnalazioni di esecuzione di valutazioni TMS in piedi in individui post-ictus.
Questo studio propone una metodologia standardizzata, costruita sul corpo esistente di letteratura dei metodi TMS in piedi6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,per la valutazione TMS in piedi della CMR post-ictus. Questa metodologia può essere utilizzata da gruppi di ricerca che studiano, ma non solo, deficit posturali e controllo motorio specifico per la deambulazione post-ictus e stabiliscono una maggiore coerenza delle procedure TMS. Lo scopo di questa indagine metodologica era determinare se le valutazioni TMS in piedi sono fattibili in individui post-ictus con compromissione dell'andatura moderata. Abbiamo ipotizzato che l'esecuzione di valutazioni in posizione eretta 1) aumenterebbe la probabilità di suscitare una risposta misurabile (potenziale evocato motorio, MEP) e 2) che la potenza / intensità dello stimolatore utilizzata per eseguire valutazioni TMS in piedi sarebbe inferiore a quella delle valutazioni di seduta / riposo solitamente eseguite. Riteniamo che il completamento con successo e l'uso diffuso di questo protocollo possano portare a una maggiore comprensione degli aspetti neurofisiologici del controllo motorio posturale e della deambulazione post-ictus e degli effetti della neuroriabilitazione.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tutte le procedure sono state approvate dall'Institutional Review Board presso la Medical University of South Carolina e conformi alla Dichiarazione di Helsinki.
1. Reclutamento dei partecipanti
- Recluta individui post-ictus dal database locale. Per questo esperimento, 16 persone sono state reclutate da un database di reclutamento elettronico locale. In alcuni casi, i partecipanti sono stati reclutati specificamente perché non avevano risposto alla TMS a riposo in studi precedenti condotti dal nostro gruppo di ricerca.
- Utilizzare i seguenti criteri di inclusione per questa indagine: maschi e femmine di età compresa tra 18-85 anni, almeno 6 mesi dopo l'ictus, paresi residua degli arti inferiori e in grado di stare in piedi 10 minuti senza un dispositivo di assistenza.
- Escludere i partecipanti se avevano una storia di convulsioni, hanno assunto farmaci da prescrizione che hanno abbassato le soglie convulsive, hanno avuto una storia di lesioni cerebrali e / o altre malattie del sistema nervoso centrale, hanno impiantato dispositivi o oggetti metallici nella loro testa, o avevano gravi artriti o condizioni ortopediche che limitano la loro gamma passiva di movimento.
NOTA: i dati demografici dei partecipanti si trovano nella Tabella 1.
| ID studio | Età | Mesi post Corsa |
Sesso | Razza | Tipo di corsa | Infarto Emisfero |
Altezza (cm) |
Peso (kg) |
Velocità di camminata autoselezionata (m/s) | Camminare Aiuto |
||
| 1 | 67 | 28.7 | M | C | Emorragia intracerebrale | A destra | 180 | 74.8 | 0.61 | Nessuno | ||
| 2 | 84 | 55.8 | F | C | Ischemico | A destra | 165 | 68.0 | 0.94 | Nessuno | ||
| 3 | 56 | 262.7 | F | C | Emorragia subaracnoidea | A sinistra | 152 | 59.0 | 1.29 | Nessuno | ||
| 4 | 67 | 141.8 | M | C | Emorragia intracerebrale | A destra | 180 | 72.6 | 0.27 | Canna / AFO | ||
| 6 | 48 | 21.6 | M | C | Emorragia intracerebrale | A destra | 170 | 61.2 | 0.83 | Nessuno | ||
| 7 | 58 | 93.9 | M | C | Ischemica acuta | A sinistra | 168 | 112.5 | 0.77 | Quad Cane / AFO | ||
| 8 | 71 | 55.3 | F | AA | Ischemica acuta | A sinistra | 170 | 68.0 | 1.05 | Nessuno | ||
| 9* | 65 | 23.7 | M | C | Ischemica acuta | A destra | 178 | 84.8 | - | Ginocchiera | ||
| 10 | 70 | 26.6 | M | C | Ischemica acuta | A sinistra | 173 | 78.9 | 0.81 | Nessuno | ||
| 12 | 70 | 10.0 | M | C | Ischemica acuta | A sinistra | 170 | 86.2 | 1.11 | Nessuno | ||
| 13 | 65 | 80.6 | M | C | Ischemica acuta | A destra | 185 | 139.7 | 0.93 | Canna / Stampella | ||
| 14 | 79 | 83.0 | M | C | Ischemica acuta | A destra | 175 | 88.5 | 0.48 | Bastone | ||
| 15 | 51 | 54.4 | M | AA | Ischemica acuta | A sinistra | 178 | 90.7 | 1.35 | Nessuno | ||
| 17 | 65 | 18.5 | M | C | Ischemica acuta | A destra | 170 | 74.8 | 0.28 | Bastone | ||
| 18 | 63 | 48.8 | F | AA | Ischemica acuta | A destra | 170 | 83.9 | 1.12 | Nessuno | ||
| 19 | 58 | 25.9 | M | C | Ischemica acuta | Ambedue | 183 | 88.5 | 1.10 | Nessuno | ||
| * Partecipante rimosso dall'analisi dei dati a causa dell'incapacità di completare le valutazioni richieste | ||||||||||||
| AFO = ortore plantare della caviglia | ||||||||||||
Tabella 1: Dati demografici dei partecipanti.
- Stabilire un primo contatto con i partecipanti via telefono e spiegare brevemente le procedure di test. Invita le persone interessate al laboratorio.
- All'arrivo alla struttura di ricerca, chiedi a un membro dello staff di ricerca di spiegare completamente il protocollo sperimentale ai potenziali partecipanti.
- Quando un potenziale partecipante conferma la propria volontà di partecipare allo studio, ottenere il consenso informato scritto approvato dal comitato di revisione istituzionale locale.
2. Sistema di guida dell'immagine e configurazione dei partecipanti
- Utilizzare un software di guida delle immagini per garantire un'erogazione coerente degli impulsi TMS durante la valutazione.
- Avviare un nuovo progetto utilizzando il modello di testa MNI nativo del sistema di guida dell'immagine. Aprire il software e selezionare Nuovo progetto MNI Head.
- Nella finestra pop-up, fare clic sulla scheda Destinazioni e quindi fare clic su Configura destinazioni. Determinare la posizione del cuoio capelluto direttamente superiore al giro pre-centrale e 0,5 cm laterale alla linea medio-mediale.
- Una volta identificata visivamente la posizione, aggiungere una nuova griglia rettangolare facendo clic su Nuovoe quindi su Griglia rettangolare. La griglia dovrebbe apparire sullo schermo e la riga mediale dovrebbe essere laterale di 0,5 cm rispetto alla linea medio-mediatale.
- Ridimensionare la griglia digitando 3 e 5 nelle caselle delle dimensioni della griglia. Impostare la spaziatura della griglia su 10 x 10 mm digitando nelle caselle di spaziatura della griglia. Selezionare lo strumento cursoree quindi spostare il cursore sull'immagine del cuoio capelluto.
- Tieni premuto il pulsante del mouse per ruotare l'immagine del cuoio capelluto per assicurarti che tutti i punti della griglia tocchino la pelle. Se i punti della griglia non si trovano sul cuoio capelluto, regolare la curvatura della griglia spostando il cursore di curvatura.
- Ripeti queste procedure per posizionare un'altra griglia 3 x 5 sull'emisfero opposto.
NOTA: Questo può essere eseguito prima dell'arruolamento di un partecipante nello studio e dell'arrivo in laboratorio. Inoltre, l'immagine anatomica pesata T1 di un partecipante può essere utilizzata, se disponibile. Dettagli specifici sull'uso della risonanza magnetica anatomica per la navigazione possono essere trovati nell'articolo16precedentemente pubblicato .
- Avviare una nuova sessione all'interno del software di guida dell'immagine selezionando la scheda Sessioni una volta aperto il software.
- Fare clic su Nuovoe quindi su Sessione online. Nella finestra successiva, selezionare le due griglie create nella sezione precedente (sezione 2.1) facendo clic su di esse, quindi fare clic su Aggiungi.
- Nella scheda IOBox, in Opzioni trigger TTL seleziona la casella accanto a Usa interruttore (Switch In) e inserisci 0 ms nella casella Dead Time. Fai clic sul pulsante Avanti in alto. Assicurarsi visivamente che la fotocamera del sistema di guida dell'immagine sia attiva.
- Inizia la registrazione dei partecipanti posizionando il tracker del soggetto, fornito con il sistema di guida dell'immagine, attorno alla fronte del partecipante.
- Regolare manualmente la fotocamera per assicurarsi che il tracker dei partecipanti si trovi al centro del campo visivo della telecamera. Quindi, fai clic sulla scheda Registrazione nella parte superiore del software.
- Posiziona il puntatore/marcatore del sistema di guida dell'immagine sui punti di riferimento della registrazione: nasion e i punti periauricolari destro e sinistro. Quando il puntatore viene posizionato sullo skin, fare clic sul pulsante Avanti per registrare le posizioni della pelle del partecipante al software di guida dell'immagine.
- Dopo aver acquisito i punti di riferimento della registrazione, fare clic sulla scheda Ridimensionamento nella parte superiore della finestra del software. Posiziona il puntatore nelle posizioni più a destra, più a sinistra, più in alto, più in alto e più indietro del cuoio capelluto del partecipante.
- Fare clic sul pulsante Avanti in ogni posizione per ridimensionare il sistema di guida dell'immagine alla testa del partecipante. Al termine del ridimensionamento, fai clic sulla scheda Esegui nella parte superiore del software. Il sistema di guida delle immagini è ora pronto.
3. Preparazione e configurazione dell'elettromiografia superficiale
- Preparare i muscoli tibiali anteriori (TA) e solei (SOL) dei partecipanti per elettrodi di elettromiografia superficiale (sEMG). Per preparare la pelle per sEMG, pulire l'area con tamponi alcolici e, se necessario, rimuovere eventuali peli con un rasoio di sicurezza monouso. Posizionare gli elettrodi in gel monouso sEMG secondo le linee guida SENIAM17.
NOTA: il posizionamento del sensore per l'AT è 1/3 della discesa sulla linea tra la punta del perone e la punta del malleolo mediale. Per il SOL, posizionare il sensore 2/3 della linea tra il condilo mediale del femore e il malleolo mediale. - Una volta collegati gli elettrodi, ispezionare visivamente il segnale per verificarne la qualità. Quindi, procedere ad avvolgere i gambi con una benda elastica per ridurre al minimo qualsiasi movimento degli elettrodi e l'artefatto risultante durante il test.
NOTA: Registrare segnali sEMG a 5000 Hz in una finestra di 0,5 s a partire da 0,1 s prima dell'erogazione degli impulsi TMS. L'esatta frequenza di campionamento e la quantità di dati raccolti dipenderanno dall'hardware e dal software utilizzati per registrare la risposta sEMG alla TMS. Per i dettagli sulla creazione di registrazioni e analisi EMG vedi Tankisi et al.18.
4. Piastra di forza e configurazione di sicurezza del partecipante
- Apri il software di raccolta dati e inizia una nuova prova per calibrare la piastra di forza dual-top.
- Fare clic su Start e iniziare una versione di prova di FP Zero. Raccogliere 3-5 s di dati senza carico sulla piastra di forza, quindi fare clic su Stop.
- Una volta calibrata la piastra di forza, il partecipante è stato registrato al sistema di guida dell'immagine (sezione 2.2) e gli elettrodi sEMG sono stati posizionati e testati per la qualità del segnale (sezione 3), istruendo il partecipante a stare in piedi e montandoli con un'imbracatura di sicurezza.
- Chiedi al partecipante di salire sulla piastra di forza e standardizzare il posizionamento del piede con nastro adesivo pre-applicato alla piastra di forza per indicare la posizione principale del piede e i bordi mediali dei piedi a distanze uguali dalla linea mediana.
- Attaccare l'imbracatura di sicurezza del partecipante al supporto del soffitto. Posiziona un rollator, o un dispositivo simile, attorno alla piastra di forza per fornire ai partecipanti qualcosa con cui stabilizzarsi durante il test, se necessario.
NOTA: Assicurarsi che durante tutte le procedure TMS in piedi i partecipanti siano fissati al soffitto tramite un'imbracatura di sicurezza per evitare una caduta.
- Misura e raccogli il peso del partecipante mentre si trova sulla piastra di forza facendo clic su Avvia e selezionando una prova statica FP. Registra 2-5 s di dati e fai clic su Stop per terminare la prova.
- Quando si è in piedi sulle piastre di forza, assicurarsi che il software di raccolta dati visualizzi due grafici a barre che rappresentano il peso / forza sotto ciascuno dei piedi del partecipante (Figura 1A). Quando il partecipante sposta il proprio peso su un lato, i grafici a barre cambieranno in altezza (Figura 1B).
- Se un partecipante scarica il peso sulle gambe sulle braccia, assicurarsi che la visualizzazione del grafico a barre cambi colore (Figura 1C). Dopo che un partecipante si sente a proprio agio in piedi con lo stesso peso distribuito tra le gambe, può iniziare la misurazione della CMR.
Figura 1: Immagine rappresentativa del feedback visivo fornito ai partecipanti durante la valutazione TMS in piedi. (A) mostra il feedback visivo dato ai partecipanti mentre erano in piedi con il loro peso equamente distribuito tra le gambe paretiche e non pareti. Le barre verticali rappresentano la quantità di forza misurata da ciascuna delle aree della piastra di forza. Le linee orizzontali solide rappresentano l'intervallo di forza verticale misurato per garantire il carico del peso corporeo sugli arti inferiori e non attraverso le braccia se i partecipanti avevano bisogno di stabilizzarsi con il supporto della mano fornito. Se il peso corporeo del partecipante è stato spostato su un lato più del 5%, le barre verticali hanno cambiato colore per informare il partecipante di inclinarsi verso il lato che è stato scaricato, come mostrato nella (B). Se il partecipante caricasse/scaricasse più di +/- 5% del proprio peso corporeo dalle gambe, il colore dello schermo di sfondo cambierebbe come mostrato nella (C). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
5. Valutazione della risposta corticomotoria in piedi
- Iniziare le valutazioni neurofisiologiche identificando un'intensità dello stimolatore che produce potenziali evocati motori coerenti (MEP), cioè ampiezza del segnale EMG > 50 μV e / o un periodo corticosilento visibile nei muscoli attivi, nel TA target e nel muscolo SOL.
NOTA: utilizzare una bobina a doppio cono per erogare tutti gli impulsi TMS con la corrente che si muove attraverso la bobina in una direzione anteriore-posteriore. Applicare gli impulsi TMS solo quando il partecipante mantiene un'equa distribuzione del peso tra le gambe paretiche e non paretiche, come indicato dai grafici a retroazione visiva/a barre menzionati nella sezione precedente (sezione 4.2).- Testare prima l'arto paretico applicando impulsi TMS all'emisfero lesionato. Iniziare impostando il livello di potenza dello stimolatore TMS al 50% di uscita massima dello stimolatore (%MSO) ruotando la manopola di controllo dell'uscita. Applicare un singolo impulso al 50% di MSO sul punto centrale della griglia situato appena lateralmente alla fessura longitudinale premendo il pulsante di attivazione sullo stimolatore. Applicare 2-3 impulsi con un intervallo interstimolo di 5-10 s.
NOTA: se un partecipante mostra una risposta al 50% di MSO, passare alla sezione 5.2 e iniziare l'identificazione dell'hotspot. - Se le risposte non sono visibili nel TA e nel SOL, aumentare la potenza dello stimolatore del 10% MSO ruotando la manopola di controllo dell'uscita ed erogare 2-3 impulsi TMS come nel passaggio 5.1.1.
- Se non si osservano risposte dopo aver aumentato lo stimolatore al 60% di MSO, aumentare nuovamente la potenza del 10% di MSO. Se nessun eurodeputato viene suscitato al 70% di MSO, selezionare in modo casuale diversi punti della griglia e applicare impulsi TMS per determinare se esiste una risposta all'impostazione di potenza corrente.
- Se non vengono registrate risposte in nessun punto della griglia all'attuale MSO del 70%, tornare al punto di rete target iniziale, continuare ad aumentare la potenza dello stimolatore con incrementi del 10% MSO e applicare 2-3 stimolazioni come descritto in precedenza.
NOTA: Ripetere questo processo fino a quando non vengono registrate risposte affidabili dai muscoli bersaglio o fino a quando non viene determinato che il partecipante non ha alcuna risposta alla TMS. Non tutti i partecipanti produrranno una risposta misurabile alla TMS.
- Testare prima l'arto paretico applicando impulsi TMS all'emisfero lesionato. Iniziare impostando il livello di potenza dello stimolatore TMS al 50% di uscita massima dello stimolatore (%MSO) ruotando la manopola di controllo dell'uscita. Applicare un singolo impulso al 50% di MSO sul punto centrale della griglia situato appena lateralmente alla fessura longitudinale premendo il pulsante di attivazione sullo stimolatore. Applicare 2-3 impulsi con un intervallo interstimolo di 5-10 s.
- Una volta identificata la potenza dello stimolatore che produce una risposta coerente, iniziare a identificare l'hotspot, cioè la posizione del cuoio capelluto che produce la maggiore risposta agli impulsi TMS applicati.
- Avviare una nuova versione di prova dell'hotspot facendo clic su Start e selezionando Hotspot. Applicare una stimolazione a impulso singolo a ciascuno dei 15 punti della griglia al livello di potenza soprasoglia identificato nei passaggi precedenti. Utilizzando il sistema di guida dell'immagine, spostate la bobina sul primo punto della griglia.
- Una volta che la bobina è nella posizione corretta, applicare l'impulso TMS premendo il pulsante di attivazione sull'unità stimolatore. Quindi, spostare la bobina nella posizione della griglia successiva e applicare un altro singolo impulso TMS. Continuare fino a quando non è stata applicata una singola stimolazione a ciascun punto della griglia e fare clic su Stop per terminare la prova.
- Esaminare le ampiezze dei segnali sEMG registrati in ciascun punto della griglia. Identificare visivamente i punti della griglia con la più grande ampiezza MEP, registrata nei segnali sEMG, per ciascuno dei muscoli bersaglio. Le posizioni della griglia con le maggiori ampiezze MEP sono gli hotspot e saranno utilizzate per misurare la risposta corticomotoria nelle sezioni seguenti.
NOTA: in alcune occasioni, una singola posizione di griglia può fornire le maggiori ampiezze mep sia per l'AT che per il SOL. In questi casi, determinare le soglie motorie per ciascun muscolo separatamente.
- Successivamente, determinare la soglia motoria del muscolo mirato utilizzando una semplice stima adattiva dei parametri mediante test sequenziale (PEST)19,20.
- Aprire il programma PEST e impostare l'intensità iniziale dello stimolatore sul valore di soprassoglia utilizzato per identificare l'hotspot digitando il valore nella casella.
- Iniziare una nuova versione di prova di PEST facendo clic sulla scheda Start nel software di raccolta dati e selezionare PEST.
- Applicare un singolo impulso TMS all'hotspot del muscolo bersaglio identificato all'intensità %MSO iniziale visualizzata nel programma PEST. Indicare nel programma PEST che è stata osservata una risposta nel segnale sEMG del muscolo digitando y o n. Il programma PEST calcolerà automaticamente l'intensità di stimolazione successiva.
- Regolare il livello di potenza dello stimolatore in modo che corrisponda al programma PEST e applicare un altro singolo impulso TMS. Continuare questo processo fino a quando il programma PEST determina la soglia motoria, indicata da un cambiamento di colore dell'intensità della stimolazione, e terminare la prova di raccolta dati facendo clic sulla scheda Stop.
NOTA: La procedura PEST utilizza un programma disponibile gratuitamente che indica quanta potenza dello stimolatore utilizzare con impulsi successivi. Uno dei programmi PEST può essere trovato qui: (https://www.clinicalresearcher.org/software.htm).
- Dopo aver identificato l'hotspot del muscolo bersaglio e la soglia motoria, iniziare la valutazione CMR. Impostare l'intensità dello stimolatore al 120% della soglia motoria determinata.
- Avviare una nuova versione di prova nel software di raccolta dati facendo clic sulla scheda Start e selezionare una versione di prova MEP. Posiziona la bobina sull'hotspot del muscolo e applica 10-20 stimolazioni a impulso singolo.
- Consentire 5-10 s tra ogni stimolazione. Registrare le risposte sEMG evocate per l'analisi off-line. Consentire al partecipante di riposare ad libitum e per un tempo sufficiente tra le procedure di test per ridurre la probabilità che il partecipante sviluppi affaticamento, che potrebbe influire sui risultati.
- Fare clic sulla scheda Stop dopo aver registrato i deputati per terminare la prova.
NOTA: Il ricercatore che maneggia la bobina TMS dovrebbe assicurarsi che i partecipanti abbiano la stessa distribuzione del peso sotto ogni gamba immediatamente prima di applicare qualsiasi impulso TMS. Se lo sperimentatore ritiene che la stimolazione sia stata applicata mentre il peso del partecipante non era equamente distribuito, eseguire una stimolazione aggiuntiva ed escludere lo studio precedente dall'analisi futura. Testare i muscoli non paretici immediatamente dopo i muscoli paretici. La Figura 2 mostra la configurazione sperimentale durante la valutazione TMS in piedi.
Figura 2: Immagine scattata durante la misurazione della risposta corticomotoria (CMR) in posizione eretta. Il sistema di guida delle immagini e l'attività sEMG raccolta vengono visualizzati al personale di ricerca durante la raccolta dei dati, come mostrato sui monitor situati sul lato sinistro dell'immagine. Il feedback visivo della distribuzione del peso è stato fornito davanti e leggermente a destra dei partecipanti. I partecipanti indossavano un'imbracatura di sicurezza che era attaccata al soffitto per evitare cadute mentre erano in piedi sulla piastra di forza a doppia punta. Il supporto per le braccia dei partecipanti è stato fornito per aiutare i partecipanti a stabilizzarsi dopo l'applicazione degli impulsi TMS. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
6. Valutazione della risposta corticomotoria seduta
- Dopo il completamento della valutazione TMS in piedi, rimisurare le soglie motorie e la CMR in posizione di riposo/ seduta.
- Utilizzare le stesse procedure descritte in precedenza (paragrafi 5.2-5.4). L'unico cambiamento è che il partecipante dovrebbe essere seduto su una sedia con le gambe sostenute e i muscoli rilassati.
- Utilizzare gli stessi punti caldi individuati durante la valutazione in piedi (punto 5.2) in posizione seduta. Eseguire il test neurofisiologico nello stesso modo utilizzato in posizione eretta, ad eccezione dell'utilizzo di un'intensità di stimolazione del 120% della soglia motoria di riposo / seduta.
NOTA: potrebbe essere necessario eseguire ulteriori test utilizzando una potenza dello stimolatore precedentemente determinata. Ad esempio, se vengono eseguiti confronti tra l'ampiezza del MEP in diverse posizioni posturali, potrebbe essere necessario utilizzare una potenza dello stimolatore assoluto simile. Ciò dipenderà dalla domanda di ricerca in questione e dovrebbe essere identificato durante la progettazione dello studio.
7. Approccio statistico
- Per testare l'ipotesi che stare in piedi porterebbe ad una maggiore probabilità di evocare risposte misurabili costruire una tabella 2 x 2 e testare le proporzioni usando il Test21di McNemar .
- Per confrontare i livelli di potenza delle soglie motorie, utilizzare un t-testaccoppiato sui partecipanti che hanno avuto risposte misurabili in entrambe le posizioni. Determinare il significato con un alfa = 0,05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Un partecipante è stato rimosso dall'analisi a causa dell'incapacità di tollerare la procedura TMS in piedi a causa del dolore al ginocchio preesistente e di una ferita diabetica ricevuta prima del loro arrivo al laboratorio di ricerca, lasciando una dimensione finale del campione di 15. La ferita diabetica era direttamente sopra il TA e precludeva qualsiasi misura sEMG di questo muscolo. Non ci sono stati eventi avversi importanti segnalati agli investigatori durante le procedure TMS sedute o in piedi. Sono stati segnalati diversi eventi avversi minori, come dolore muscolare al collo e leggero mal di testa. Tuttavia, questi eventi minori sono stati segnalati alla fine della sessione di test e non era chiaro se le procedure sedute o in piedi fossero più responsabili di questi effetti collaterali. Questi eventi avversi minori sono comunemente osservati dopo le valutazioni TMS e all'interno della letteratura TMS22.
Il carico/scarico totale del peso corporeo durante l'applicazione dell'impulso TMS è stato pari a +0,4% (SD 1,8%) del peso corporeo. Ciò significa che i partecipanti non hanno scaricato il peso corporeo dalle gambe alle braccia quando hanno utilizzato il rollator come mezzo per sostenersi durante le procedure TMS. La distribuzione media del peso della gamba sinistra dei partecipanti era del 50% (SD 6%). Abbiamo tentato di misurare le soglie motorie in quattro muscoli separati (paretic e non paretic, TA e SOL), portando a un totale di 60 soglie motorie sia in posizione eretta che seduta. In posizione eretta, siamo stati in grado di suscitare e misurare una soglia motoria il 90,0% delle volte rispetto al 65,0% in posizione seduta. All'interno di una singola sessione, era più probabile che la valutazione della soglia motoria in posizione eretta avrebbe comportato una risposta misurabile (McNemar Chi2, correzione di Yates, χ = 8,48, P = 0,004) (Tabella 2). Ciò concorda con la nostra prima ipotesi che la posizione eretta comporterebbe una maggiore probabilità di evocare risposte misurabili. La nostra seconda ipotesi era che stare in piedi avrebbe comportato soglie motorie che richiedevano una potenza dello stimolatore inferiore. I nostri risultati mostrano che quando gli individui presentavano soglie motorie misurabili nelle posizioni sedute e in piedi, le soglie misurate nella posizione eretta erano più basse (N = 38, Standing MT 45% MSO SD 9, Sitting MT 53% MSO SD 11, Paired t-statistic 4.99, P < 0.001). La Figura 3 mostra le soglie motorie misurate per ciascun muscolo e condizione per tutti i partecipanti.
| Seduto Risposta |
Risposta in piedi | ||||
| Sì | No | Totale | % | ||
| Sì | 38 | 1 | 39 | 65 | |
| No | 16 | 5 | 21 | 35 | |
| Totale | 54 | 6 | 60 | ||
| % | 90 | 10 | 100 | ||
Tabella 2: La tabella 2 x 2 costruita mostra la capacità riportata di produrre con successo una risposta alla TMS e la capacità di misurare una soglia motoria in condizioni di seduta e in piedi. Il test di McNemar è stato utilizzato per confrontare la probabilità di suscitare una risposta misurabile e si è scoperto che le valutazioni in piedi avevano significativamente più probabilità di evocare una risposta misurabile rispetto all'esecuzione di valutazioni in posizione seduta.
Figura 3: Soglie motorie misurate nei muscoli di interesse. Le linee che collegano i valori sinistro e destro indicano che l'individuo aveva soglie motorie misurabili per quel muscolo sia in posizione seduta che in piedi. Le soglie motorie sono misurate e riportate come percentuale della potenza massima dello stimolatore (%MSO). (A,B) mostrano soglie motorie misurate rispettivamente nei muscoli tibiali paretici e non paretici. (C, D) mostrano le soglie motorie dei muscoli soleo paretici e non paretici, rispettivamente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Il protocollo sperimentale è stato ben tollerato dalla maggior parte dei partecipanti. Un individuo non è stato in grado di completare la valutazione TMS in piedi a causa di ulcere da decubito preesistenti secondarie a complicanze diabetiche e problemi ortopedici che coinvolgono dolore al ginocchio preesistente. La quantità di carico/scarico del peso corporeo dalle gambe era minima. Tuttavia, c'era, in media, una forza verso il basso leggermente maggiore misurata durante l'applicazione degli impulsi TMS. Ciò è probabilmente dovuto al peso della bobina e alla pressione verso il basso applicata dagli investigatori per garantire che ci fosse un contatto sufficiente tra il cuoio capelluto / testa e la bobina TMS. I cambiamenti minimi nel peso corporeo catturati durante le procedure TMS rispetto agli studi statici suggeriscono che nessun effetto significativo del carico o dello scarico del peso corporeo ha contribuito ai nostri risultati. Abbiamo anche esaminato la distribuzione del peso tra le gambe e l'abbiamo trovata simmetrica, con una media del 50% del peso dei partecipanti sostenuto dalle gambe sinistre. Si prevede che gli individui post-ictus che possono stare in piedi per 10 minuti con poco o nessun supporto possano completare le valutazioni TMS in piedi descritte. La posizione eretta ha permesso un maggiore tasso di risposta al TMS rispetto alla posizione di riposo/seduta. L'aumento della reattività tms in posizione eretta può consentire agli individui che sono stati precedentemente squalificati dagli studi neurofisiologici a causa della mancanza di una risposta TMS misurabile di qualificarsi per studi futuri che studiano il controllo motorio post-ictus posturale e specifico per la deambulazione. Aumentare il pool di partecipanti idonei può portare a una maggiore generalizzabilità dei risultati della ricerca in tutta la popolazione post-ictus.
Le soglie del motore valutate in posizione eretta sono state misurate con un MSO inferiore. Le soglie motorie post-ictus sono spesso aumentatedi 23 e richiedono una stimolazione ad un alto % di MSO per misurare la CMR. L'applicazione di impulsi TMS ad alta potenza con una bobina a doppio cono può portare ad un aumento delle contrazioni muscolari facciali e degli arti superiori che possono essere scomode per i partecipanti alla ricerca. L'esecuzione di valutazioni neurofisiologiche a bassa intensità può aumentare la tollerabilità delle procedure TMS in alcuni partecipanti post-ictus e aumentare la partecipazione a questi tipi di studi.
Questa metodologia descrive il processo di misurazione della risposta corticomotoria alla TMS a impulso singolo. Tuttavia, i paradigmi a impulsi accoppiati possono anche essere raccolti in posizione eretta. L'inibizione intracorticale a latenza breve (SICI) e la facilitazione intracorticale (ICF) utilizzano due impulsi TMS erogati dalla stessa bobina con intervalli interstimoli di 2 e 10 ms, rispettivamente24. Queste misure intracorticali possono fornire ulteriori dettagli sullo stato / comportamento neurofisiologico del sistema nervoso durante la posizione eretta rispetto alle soglie motorie da sole.
Come per tutti i metodi scientifici, ci sono limitazioni al protocollo attuale. Un elemento importante da considerare è che gli individui con emiparesi post-ictus non svolgono attività allo stesso modo dei gruppi neurologicamente intatti. Le persone nella fase cronica post-ictus hanno solitamente sviluppato strategie compensative per eseguire compiti fisici25,26, che si estende nel mantenimento di una postura eretta. Anche con un peso uguale / simmetrico tra gli arti paretici e non paretici, i partecipanti post-ictus potrebbero non essere in una postura eretta simmetrica. Standardizzare le posizioni del piede sulla piastra di forza può aiutare a frenare questa limitazione. Un'altra limitazione è che recenti indagini hanno suggerito di registrare più di 10 potenziali evocati dal motore27, a causa della variabilità nota nella CMR. In questa indagine, abbiamo scelto di registrare solo 10 impulsi di prova per ridurre il carico dei partecipanti mentre siamo in piedi. Come accennato in precedenza, questo protocollo è stato ben tollerato / eseguito da individui che hanno la capacità di stare in piedi in modo indipendente per almeno 10 minuti. Questo fatto può limitare l'uso di questo protocollo nei livelli di disabilità alta / grave post-ictus o in individui con limitazioni ortopediche.
I metodi di valutazione neurofisiologica degli arti inferiori, e specialmente nelle popolazioni neurologicamente compromesse, devono ancora ricevere molta coerenza all'interno della letteratura. Quando la postura e le menomazioni specifiche della deambulazione e / o la riabilitazione degli arti inferiori sono l'obiettivo principale, non c'è consenso sul metodo migliore da utilizzare. Ad esempio, i confronti tra misure a riposo, attive e permanenti e il modo in cui queste misure si riferiscono alla disabilità clinica non sono stati completamente studiati. La maggior parte dei ricercatori concorderebbe sul fatto che la bobina a doppio cono è il dispositivo più appropriato da utilizzare per stimolare le rappresentazioni corticali degli arti inferiori. Al di fuori di questo parametro, gran parte degli studi TMS sugli arti inferiori sono condotti secondo gli standard dei singoli gruppi di ricerca. La mancanza di coerenza tra i gruppi di ricerca aumenta la difficoltà nell'eseguire valutazioni meta-analitiche più ampie necessarie per estendere la generalizzabilità dei risultati della ricerca. In questo protocollo, forniamo una base per le procedure TMS degli arti inferiori che possono essere utilizzate in studi che indagano il controllo motorio posturale e specifico per la deambulazione e la neuroriabilitazione post-ictus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse reali o percepiti relativi all'opera riportata.
Acknowledgments
Gli autori desiderano ringraziare Brian Cence e Alyssa Chestnut per i loro contributi al reclutamento dei partecipanti e alla raccolta dei dati.
Il finanziamento per questo progetto è stato fornito in parte da un Technical Development Award del NIH National Center for Neuromodulation for Rehabilitation (NM4R) (HD086844) e dal Veteran's Affairs Rehabilitation Research and Development Career Development Award 1 (RX003126) e dal Merit Award (RX002665).
Il contenuto di questo rapporto non rappresenta le opinioni del Dipartimento degli affari dei veterani degli Stati Uniti, del National Institutes of Health degli Stati Uniti o del governo degli Stati Uniti.
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).
