Summary
Этот протокол описывает процесс выполнения нейрофизиологической оценки мышц нижних конечностей, большеберцовой кости передней и камбалы, в положении стоя с использованием ТМС у людей после инсульта. Эта позиция обеспечивает большую вероятность возникновения постинсультного ответа ТМС и позволяет использовать уменьшенную мощность стимулятора во время нейрофизиологических оценок.
Abstract
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) является распространенным инструментом, используемым для измерения поведения двигательных цепей в здоровых и неврологически ослабленных популяциях. ТМС широко используется для изучения двигательного контроля и реакции на нейрореабилитацию верхних конечностей. Тем не менее, ТМС была менее использована в изучении постурального и моторного контроля нижних конечностей и ходьбы. Ограниченное использование и дополнительные методологические проблемы оценок ТМС нижних конечностей способствовали отсутствию согласованности в процедурах ТМС нижних конечностей в литературе. Вдохновленный снижением способности регистрировать двигательные вызванные потенциалы ТМС нижних конечностей (MEP), этот методологический отчет подробно описывает шаги, позволяющие проводить оценку ТМС после инсульта в положении стоя. Стоячая поза позволяет активировать нервно-мышечную систему, отражая состояние, более похожее на состояние системы во время постуральных и ходовых задач. Используя силовые пластины с двойным верхом, мы проинструктировали участников равномерно распределить свой вес между паретическими и непаретическими ногами. Была предоставлена визуальная обратная связь о распределении веса участников. Используя программное обеспечение для управления изображениями, мы доставили одиночные импульсы ТМС через двойную конусную катушку к пораженным и непораженным полушариям участников и измерили кортикомоторный ответ паретических и непаретических передних и камбаловидных мышц большеберцовой кости. Выполнение оценок в положении стоя увеличивало частоту ответа ТМС и позволяло использовать более низкую интенсивность стимуляции по сравнению со стандартным положением сидя/в положении покоя. Использование этого протокола ТМС может обеспечить общий подход к оценке кортикомоторного ответа нижних конечностей после инсульта, когда нейрореабилитация нарушений постуральной и походки представляет интерес.
Introduction
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — это инструмент, используемый для измерения поведения нейронных цепей. Большинство исследований ТМС, сосредоточенных на изучении двигательного контроля/производительности, были проведены в верхних конечностях. Дисбаланс между исследованиями верхней и нижней конечностей частично связан с дополнительными проблемами в измерении кортикомоторного ответа нижней конечности (CMR). Некоторые из этих методологических препятствий включают меньшие корковые представления мышц нижних конечностей в моторной коре и более глубокое расположение представлений относительно кожи головы1. В популяциях с неврологическими травмами также присутствуют дополнительные препятствия. Например, примерно у половины лиц после инсульта не наблюдается ответа на ТМС в состоянии покоя в мышцах нижних конечностей2,3. Отсутствие постинсультной реакции на ТМС наблюдается даже тогда, когда пациенты сохраняют некоторый волевой контроль мышц, что указывает, по крайней мере, на частично неповрежденный кортикоспинальный тракт.
Отсутствие измеримых реакций ТМС с сохраненной двигательной функцией способствует нашему снижению понимания постурального и специфического двигательного контроля после инсульта и нейрофизиологических эффектов нейрореабилитации. Тем не менее, некоторые из проблем, связанных с постинсультными нейрофизиологическими оценками нижних конечностей, были преодолены. Например, двухконусная катушка может быть использована для надежной активации мотонейронов нижних конечностей, расположенных глубоко в межполушерной трещине1. Двойная конусная катушка создает большее и более сильное магнитное поле, которое проникает глубже в мозг, чем более часто используемая катушка фигуры восьми4. Еще одним методологическим изменением, которое может быть реализовано для повышения чувствительности к ТМС, является измерение КДПГ во время небольшого добровольного сокращения5. Как правило, это сокращение выполняется на заданном уровне либо максимального произвольного суставного крутящего момента, либо максимальной электромиографической (ЭМГ) мышечной активности. Стимуляция периферических нервов также может быть использована для получения максимального мышечного ответа, и записанная ЭМГ этого ответа может быть использована для установки целенаправленной произвольной активации мышцы.
Выполнение оценки ТМС после инсульта во время активного сокращения мышц довольно распространено в верхних конечностях, где изометрические задачи могут имитировать функциональную деятельность, например, захват / удержание объектов. Напротив, ходьба осуществляется путем двусторонней активации нескольких групп мышц через корковые, подкорковые и спинные структуры и требует активации постуральных мышц, чтобы противостоять воздействию гравитации. Это состояние активации, вероятно, не отражается при измерении изолированных мышц, производящих изометрическое сокращение. Несколько предыдущих исследований, направленных на понимание постурального и специфического для ходьбы моторного контроля, доставляли импульсыТМС,в то время как участники шли6,7,8 истояли9,10,11, 12,13,14,15 . Измерение CMR в вертикальном положении позволяет активировать постуральные мышцы и подкорковые компоненты сетей управления движением постуральной и походки. На сегодняшний день не было никаких сообщений о проведении оценки стоячей ТМС у лиц после инсульта.
В данном исследовании предлагается стандартизированная методология, построенная на существующем корпусе литературы по методам стоячей ТМС6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,для стоячей оценки ТМС постинсультной КДПГ. Эта методология может быть использована исследовательскими группами, изучающими, но не ограничиваясь ими, постуральные дефициты и специфичный для ходьбы двигательный контроль после инсульта и устанавливают большую согласованность процедур ТМС. Цель этого методологического исследования состояла в том, чтобы определить, осуществимы ли оценки стоячей ТМС у лиц после инсульта с умеренными нарушениями походки. Мы предположили, что выполнение оценок в положении стоя 1) увеличит вероятность возникновения измеримой реакции (двигательный вызванный потенциал, MEP) и 2) что мощность / интенсивность стимулятора, используемая для выполнения оценки ТМС стоя, будет ниже, чем у обычно выполняемых оценок сидя / отдыха. Мы считаем, что успешное завершение и широкое использование этого протокола может привести к лучшему пониманию нейрофизиологических аспектов постунсультного постурального и специфического двигательного контроля при ходьбе и эффектов нейрореабилитации.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все процедуры были одобрены Институциональным наблюдательным советом при Медицинском университете Южной Каролины и соответствовали Хельсинкской декларации.
1. Набор участников
- Набирайте людей после инсульта из местной базы данных. Для этого эксперимента 16 человек были набраны из местной электронной базы данных о наборе персонала. В некоторых случаях участники были набраны специально, потому что они не реагировали на ТМС в состоянии покоя в предыдущих исследованиях, проведенных нашей исследовательской группой.
- Используйте следующие критерии включения для этого исследования: мужчины и женщины в возрасте от 18 до 85 лет, не менее 6 месяцев после инсульта, остаточный парез нижних конечностей и способные стоять 10 минут без вспомогательного устройства.
- Исключить участников, если у них была история судорог, они принимали рецептурные лекарства, которые снижали пороги судорог, имели в анамнезе черепно-мозговую травму и / или другие заболевания центральной нервной системы, имели имплантированные устройства или металлические предметы в голове или имели тяжелый артрит или ортопедические состояния, ограничивающие их пассивный диапазон движения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Демографические данные участников приведены в таблице 1.
| Идентификатор исследования | Возраст | Месяцы после инсульта |
Секс | Раса | Тип инсульта | Удар Полушарие |
Высота (см) |
Вес (кг) |
Самостоятельно выбранная скорость ходьбы (м/с) | Хождение Помощь |
||
| 1 | 67 | 28.7 | M | C | Внутримозговое кровоизлияние | Направо | 180 | 74.8 | 0.61 | Никакой | ||
| 2 | 84 | 55.8 | F | C | Ишемический | Направо | 165 | 68.0 | 0.94 | Никакой | ||
| 3 | 56 | 262.7 | F | C | Субарахноидальное кровоизлияние | Налево | 152 | 59.0 | 1.29 | Никакой | ||
| 4 | 67 | 141.8 | M | C | Внутримозговое кровоизлияние | Направо | 180 | 72.6 | 0.27 | Тростник / АФО | ||
| 6 | 48 | 21.6 | M | C | Внутримозговое кровоизлияние | Направо | 170 | 61.2 | 0.83 | Никакой | ||
| 7 | 58 | 93.9 | M | C | Острая ишемическая | Налево | 168 | 112.5 | 0.77 | Квадроцикл / AFO | ||
| 8 | 71 | 55.3 | F | АА | Острая ишемическая | Налево | 170 | 68.0 | 1.05 | Никакой | ||
| 9* | 65 | 23.7 | M | C | Острая ишемическая | Направо | 178 | 84.8 | - | Коленный бандаж | ||
| 10 | 70 | 26.6 | M | C | Острая ишемическая | Налево | 173 | 78.9 | 0.81 | Никакой | ||
| 12 | 70 | 10.0 | M | C | Острая ишемическая | Налево | 170 | 86.2 | 1.11 | Никакой | ||
| 13 | 65 | 80.6 | M | C | Острая ишемическая | Направо | 185 | 139.7 | 0.93 | Трость / Костыль | ||
| 14 | 79 | 83.0 | M | C | Острая ишемическая | Направо | 175 | 88.5 | 0.48 | Трость | ||
| 15 | 51 | 54.4 | M | АА | Острая ишемическая | Налево | 178 | 90.7 | 1.35 | Никакой | ||
| 17 | 65 | 18.5 | M | C | Острая ишемическая | Направо | 170 | 74.8 | 0.28 | Трость | ||
| 18 | 63 | 48.8 | F | АА | Острая ишемическая | Направо | 170 | 83.9 | 1.12 | Никакой | ||
| 19 | 58 | 25.9 | M | C | Острая ишемическая | Оба | 183 | 88.5 | 1.10 | Никакой | ||
| * Участник отстранен от анализа данных из-за невозможности выполнить необходимые оценки | ||||||||||||
| AFO = голеностопная стопа ортортическая | ||||||||||||
Таблица 1: Демографические данные участников.
- Установите первоначальный контакт с участниками по телефону и кратко объясните процедуры тестирования. Пригласите заинтересованных лиц в лабораторию.
- По прибытии в исследовательский центр попросите члена исследовательского персонала полностью объяснить экспериментальный протокол потенциальным участникам.
- Когда потенциальный участник подтверждает свою готовность участвовать в исследовании, получите письменное информированное согласие, одобренное местным институциональным наблюдательным советом.
2. Система управления изображениями и настройка участника
- Используйте программное обеспечение для управления изображениями для обеспечения последовательной доставки импульсов TMS во время оценки.
- Начните новый проект, используя модель головы MNI, встроенную в систему управления изображениями. Откройте программное обеспечение и выберите Новый проект MNI Head Project.
- Во всплывающем окне перейдите на вкладку Целевые объекты и нажмите кнопку Настроить целевые объекты. Определите расположение кожи головы непосредственно выше предцентральной извилины и на 0,5 см сбоку от средней сагиттальной линии.
- После визуального определения местоположения добавьте новую прямоугольную сетку, щелкнув Создать,а затем прямоугольную сетку. Сетка должна появиться на экране, а медиальный ряд должен быть 0,5 см сбоку от средней сагиттальной линии.
- Измените размер сетки, введя 3 и 5 в поля размера сетки. Установите расстояние между сетками равным 10 на 10 мм, введя в поля интервалов сетки. Выберите инструмент «Курсор»и переместите курсор на изображение скальпа.
- Нажмите и удерживайте кнопку мыши, чтобы повернуть изображение кожи головы, чтобы убедиться, что все точки сетки касаются кожи. Если точки сетки находятся не на коже головы, отрегулируйте кривизну сетки, переместив ползунок кривизны.
- Повторите эти процедуры, чтобы поместить еще одну сетку 3 x 5 над противоположным полушарием.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть выполнено до зачисления участника в исследование и прибытия в лабораторию. Кроме того, анатомическое Т1-взвешенное изображение участника может быть использовано, если таковое имеется. Конкретные подробности об использовании анатомических МРТ для навигации можно найти в ранее опубликованной статье16.
- Запустите новый сеанс в программном обеспечении для управления образами, выбрав вкладку Сеансы после открытия программного обеспечения.
- Щелкните Создать, а затем Онлайн-сессия. В следующем окне выберите две сетки, созданные в предыдущем разделе (раздел 2.1), щелкнув по ним, а затем нажмите кнопку Добавить.
- На вкладке IOBox в разделе Параметры триггера TTL установите флажок Использовать переключатель (Switch In) и введите 0 мс в поле Мертвое время. Нажмите кнопку Далее вверху. Визуально убедитесь, что камера системы наведения изображения активна.
- Начните регистрацию участника, разместив предметный трекер, поставляемый с системой управления изображениями, вокруг лба участника.
- Вручную отрегулируйте камеру, чтобы трекер участника находился в середине поля зрения камеры. Затем нажмите на вкладку «Регистрация» в верхней части программного обеспечения.
- Поместите указатель/маркер системы наведения изображения на регистрационные ориентиры: насик и правую и левую периаурикулярные точки. Когда указатель будет помещен на обложку, нажмите кнопку Далее, чтобы зарегистрировать расположение скина участника в программном обеспечении для управления изображениями.
- После того, как ориентиры регистрации будут захвачены, нажмите на вкладку Масштабирование в верхней части окна программного обеспечения. Поместите указатель на крайнюю правую, левую, самую верхнюю, переднюю и заднюю части головы участника.
- Нажмите кнопку «Далее» в каждом месте, чтобы масштабировать систему управления изображениями до головы участника. После завершения масштабирования нажмите на вкладку «Выполнение» в верхней части программного обеспечения. Теперь система управления изображениями готова.
3. Подготовка и настройка поверхностной электромиографии
- Подготовьте передние (TA) и камбаловидные мышцы участников к поверхностным электромиографическим электродам (sEMG). Чтобы подготовить кожу к сЭМГ, очистите область с помощью спиртовых прокладок и при необходимости удалите все волосы одноразовой безопасной бритвой. Поместите одноразовые гелевые электроды sEMG в соответствии с рекомендациями SENIAM17.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение датчика для ТА составляет 1/3 пути вниз по линии между кончиком малоберцовой кости и кончиком медиального маллеолуса. Для SOL поместите датчик 2/3 линии между медиальным мыщелком бедренной кости и медиальным маллеолусом. - После того, как электроды подключены, визуально проверьте сигнал на качество. Затем приступайте к обмотке хвостовиков эластичным бинтом, чтобы свести к минимуму любое движение электродов и полученного артефакта во время тестирования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Регистрируйте сигналы sEMG при частоте 5000 Гц в окне 0,5 с, начиная с 0,1 с до подачи импульсов TMS. Точная частота выборки и объем собранных данных будут зависеть от аппаратного и программного обеспечения, используемого для записи ответа sEMG на TMS. Для получения подробной информации о создании записей и анализов ЭМГ см. Tankisi et al.18.
4. Силовая пластина и настройка безопасности участника
- Откройте программное обеспечение для сбора данных и начните новое испытание для калибровки силовой пластины с двойным верхом.
- Нажмите кнопку Пуск и начните пробную версию FP Zero. Соберите данные за 3–5 с без нагрузки на силовую пластину и нажмите кнопку Стоп.
- После калибровки силовой пластины участник был зарегистрирован в системе наведения изображения (раздел 2.2), а электроды sEMG были размещены и проверены на качество сигнала (раздел 3), инструктируют участника встать и установить их с помощью ремня безопасности.
- Попросите участника наступить на силовую пластину и стандартизировать размещение ноги с помощью маскировочной ленты, предварительно прикрепленной к силовой пластине, чтобы обозначить переднее положение стопы и медиальных краев ног на равных расстояниях от средней линии.
- Прикрепите страховочный ремень участника к потолочной опоре. Поместите роллатор или аналогичное устройство вокруг силовой пластины, чтобы предоставить участникам что-то, с чем можно было бы закрепиться во время тестирования, если это необходимо.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что во время всех стоячих процедур TMS участники крепятся к потолку с помощью страховочного ремня безопасности, чтобы предотвратить падение.
- Измерьте и соберите вес участника, когда он стоит на силовой пластине, нажав кнопку «Пуск» и выбрав испытание FP Static. Запишите данные за 2-5 с и нажмите кнопку Стоп, чтобы завершить испытание.
- Стоя на силовых пластинах, убедитесь, что программное обеспечение для сбора данных отображает две гистограммы, представляющие вес/силу под ногами каждого участника(рисунок 1A). Когда участник смещает свой вес в одну сторону, гистограммы будут меняться по высоте(рисунок 1B).
- Если участник выгружает вес с ног на руки, убедитесь, что дисплей гистограммы меняет цвет(рисунок 1С). После того, как участник чувствует себя комфортно, стоя с равным весом, распределенным между его ногами, может начаться измерение CMR.
Рисунок 1:Репрезентативное изображение визуальной обратной связи, предоставленной участникам во время оценки ТМС стоя. (A)отображает визуальную обратную связь, предоставленную участникам, когда они стояли, с их весом, равномерно распределенным между паретическими и непаретическими ногами. Вертикальные столбики представляют величину силы, измеренную каждой из областей силовой пластины. Сплошные горизонтальные линии представляют собой диапазон вертикальной силы, измеренной для обеспечения нагрузки массы тела на нижние конечности, а не через руки, если участникам необходимо было стабилизировать себя с помощью предоставленной поддержки руки. Если вес тела участника был смещен в одну сторону более чем на 5%, вертикальные полосы меняли цвета, чтобы сообщить участнику наклониться в сторону, которая была выгружена, как показано в (B). Если участник загрузил/выгрузил более +/- 5% своего веса тела с ног, цвет фонового экрана изменится, как показано в(C). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
5. Оценка кортикомоторного ответа стоя
- Начните нейрофизиологические оценки с определения интенсивности стимулятора, который производит последовательные двигательные вызванные потенциалы (MEP), то есть амплитуду сигнала ЭМГ > 50 мкВ и / или видимый кортикозилентный период в активных мышцах, в целевой та и мышце SOL.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте двухконусную катушку для подачи всех импульсов ТМС с током, движущимся через катушку в переднем и заднем направлении. Применяйте импульсы ТМС только тогда, когда участник поддерживает равное распределение веса между своими паретическими и непаретическими ногами, о чем свидетельствуют визуальные обратные связи/гистограммы, упомянутые в предыдущем разделе (раздел 4.2).- Сначала проверьте паретическую конечность, применив импульсы ТМС к пораженному полушарию. Начните с установки уровня мощности стимулятора TMS на 50% максимальной выходной мощности стимулятора (%MSO), повернув ручку управления выходом. Нанесите один импульс при 50% MSO на среднюю точку сетки, расположенную непосредственно поперек продольной трещины, нажав кнопку запуска на стимуляторе. Применяют 2-3 импульса с межстимульным интервалом 5-10 с.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если участник показывает ответ при 50% MSO, перейдите к разделу 5.2 и начните идентификацию точки доступа. - Если реакции не видны в TA и SOL, увеличьте мощность стимулятора на 10% MSO, повернув выходную ручку управления и подайте 2-3 импульса TMS, как на шаге 5.1.1.
- Если ответов не наблюдается после увеличения стимулятора до 60% МСО, снова увеличьте мощность на 10% МСО. Если при 70% MSO не возникает ни одного депутата Европарламента, случайным образом выберите несколько точек сетки и примените импульсы ТМС, чтобы определить, есть ли отклик при текущей настройке мощности.
- Если ответы не регистрируются в какой-либо точке сетки при текущих 70% MSO, вернитесь в начальную целевую точку сетки земли, продолжайте увеличивать мощность стимулятора с шагом 10% MSO и применяйте 2-3 стимуляции, как описано ранее.
ПРИМЕЧАНИЕ: Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будут зарегистрированы надежные ответы от целевых мышц или пока не будет определено, что у участника нет ответа на ТМС. Не все участники будут давать измеримый ответ на ТМС.
- Сначала проверьте паретическую конечность, применив импульсы ТМС к пораженному полушарию. Начните с установки уровня мощности стимулятора TMS на 50% максимальной выходной мощности стимулятора (%MSO), повернув ручку управления выходом. Нанесите один импульс при 50% MSO на среднюю точку сетки, расположенную непосредственно поперек продольной трещины, нажав кнопку запуска на стимуляторе. Применяют 2-3 импульса с межстимульным интервалом 5-10 с.
- После того, как мощность стимулятора, которая производит последовательный ответ, была идентифицирована, начните идентифицировать горячую точку, то есть местоположение кожи головы, которое производит наибольшую реакцию на применяемые импульсы ТМС.
- Запустите новую пробную версию точки доступа, нажав кнопку Пуск и выбрав Точка доступа. Примените одноимпульсную стимуляцию к каждой из 15 точек сетки на надпороговом уровне мощности, определенном на предыдущих шагах. Используя систему наведения изображения, переместите катушку в первую точку сетки.
- Как только катушка окажется в правильном положении, примените импульс TMS, нажав кнопку запуска на блоке стимулятора. Затем переместите катушку в следующее место сетки и примените еще один импульс TMS. Продолжайте до тех пор, пока к каждой точке сетки не будет применена одна стимуляция, и нажмите «Стоп», чтобы завершить испытание.
- Изучите амплитуды сигналов sEMG, записанных в каждой точке сетки. Визуально определите точки сетки с наибольшей амплитудой MEP, записанной в сигналах sEMG, для каждой из целевых мышц. Места сетки с наибольшими амплитудами MEP являются горячими точками и будут использоваться для измерения кортикомоторного ответа в следующих разделах.
ПРИМЕЧАНИЕ: В некоторых случаях одно сетевое местоположение может обеспечить наибольшие амплитуды MEP как для TA, так и для SOL. В этих случаях определяют двигательные пороги для каждой мышцы отдельно.
- Затем определите двигательный порог целевой мышцы с помощью простой адаптивной оценки параметров методом последовательного тестирования (PEST)19,20.
- Откройте программу PEST и установите начальную интенсивность стимулятора на надпороговое значение, используемое для идентификации точки доступа, введя значение в поле.
- Начните новую пробную версию PEST, щелкнув вкладку Пуск в программном обеспечении для сбора данных и выбрав PEST.
- Нанесите один импульс ТМС на горячую точку идентифицированной целевой мышцы при начальной интенсивности %MSO, отображаемой в программе PEST. Укажите в программе PEST, что реакция наблюдалась в сигнале sEMG мышцы, набрав y или n. Программа PEST автоматически рассчитает следующую интенсивность стимуляции.
- Отрегулируйте уровень мощности стимулятора в соответствии с программой PEST и примените еще один импульс TMS. Продолжайте этот процесс до тех пор, пока программа PEST не определит двигательный порог, обозначаемый изменением цвета интенсивности стимуляции, и завершите испытание сбора данных, нажав на вкладку Стоп.
ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура PEST использует свободно доступную программу, которая определяет, сколько мощности стимулятора использовать с последовательными импульсами. Одну из программ PEST можно найти здесь: (https://www.clinicalresearcher.org/software.htm).
- После того, как горячая точка и двигательный порог целевой мышцы были идентифицированы, начните оценку CMR. Установите интенсивность стимулятора на уровне 120% от определенного двигательного порога.
- Инициируйте новую пробную версию в программном обеспечении для сбора данных, щелкнув вкладку Пуск и выбрав пробную версию MEP. Поместите катушку на горячую точку мышцы и примените 10-20 одноимпульсных стимуляций.
- Подождите 5-10 с между каждой стимуляцией. Запишите вызванные ответы sEMG для автономного анализа. Позвольте участнику отдохнуть ad libitum и в течение достаточного времени между процедурами тестирования, чтобы снизить вероятность развития у участника усталости, которая может повлиять на результаты.
- Нажмите на вкладку «Стоп» после записи депутатов Европарламента, чтобы завершить судебное разбирательство.
ПРИМЕЧАНИЕ: Исследователь, работающий с катушкой ТМС, должен убедиться, что участники имеют равное распределение веса под каждой ногой непосредственно перед применением любого импульса ТМС. Если исследователь считает, что стимуляция была применена, когда вес участника не был равномерно распределен, выполните дополнительную стимуляцию и исключите предыдущее испытание из будущего анализа. Проверьте непаретические мышцы сразу после паретических мышц. На рисунке 2 показана экспериментальная установка во время оценки ТМС стоя.
Рисунок 2:Изображение, сделанное во время измерения кортикомоторного ответа (CMR) в положении стоя. Система управления изображением и собранная активность sEMG отображаются исследовательскому персоналу во время сбора данных, как показано на мониторах, расположенных в левой части изображения. Визуальная обратная связь распределения веса была обеспечена спереди и немного правее участников. Участники носили страховочный ремень безопасности, который был прикреплен к потолку, чтобы предотвратить падения, стоя на силовой пластине с двойным верхом. Поддержка рук участников была оказана, чтобы помочь участникам стабилизировать себя после применения импульсов ТМС. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
6. Оценка кортикомоторного ответа сидя
- После завершения оценки ТМС стоя повторно измерьте пороги двигателя и CMR в положении покоя/сидя.
- Используйте те же процедуры, которые были описаны ранее (разделы 5.2-5.4). Единственное изменение заключается в том, что участник должен сидеть в кресле с поддерживаемыми ногами и расслабленными мышцами.
- Используйте те же горячие точки, которые были выявлены во время оценки стоя (раздел 5.2) в сидячем положении. Выполняйте нейрофизиологическое тестирование таким же образом, как и в положении стоя, за исключением использования интенсивности стимуляции 120% от двигательного порога покоя/сидения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Может потребоваться провести дополнительное тестирование с использованием ранее определенной мощности стимулятора. Например, если проводятся сравнения между амплитудой MEP в разных постуральных положениях, может потребоваться использовать аналогичную абсолютную мощность стимулятора. Это будет зависеть от рассматриваемого исследовательского вопроса и должно быть определено при разработке исследования.
7. Статистический подход
- Чтобы проверить гипотезу о том, что стояние приведет к увеличению вероятности вызова измеримых ответов, постройте таблицу 2 x 2 и проверьте пропорции, используя тест Макнемара21.
- Чтобы сравнить уровни мощности пороговых значений двигателя, используйте парный t-тестна участниках, у которых были измеримые ответы в обоих положениях. Определите значимость с альфа = 0,05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Один участник был удален из анализа из-за неспособности переносить процедуру стоячей ТМС из-за ранее существовавшей боли в колене и диабетической раны, полученной до их прибытия в исследовательскую лабораторию, оставив окончательный размер выборки 15. Диабетическая рана находилась непосредственно над ТА и исключала любые измерения СЭМГ этой мышцы. Не было никаких серьезных неблагоприятных событий, о которых сообщалось исследователям во время сидячих или постоянных процедур ТМС. Сообщалось о нескольких незначительных неблагоприятных событиях, таких как боль в мышцах шеи и легкие головные боли. Тем не менее, эти незначительные события были зарегистрированы в конце сеанса тестирования, и было неясно, были ли процедуры сидения или стояния более ответственными за эти побочные эффекты. Эти незначительные нежелательные явления обычно наблюдаются после оценки ТМС и в литературе по ТМС22.
Суммарная загрузка/выгрузка массы тела при применении пульса ТМС составила +0,4% (SD 1,8%) от массы тела. Это означает, что участники не разгружали вес тела с ног на руки при использовании роллатора в качестве средства для поддержания себя во время процедур ТМС. Среднее распределение веса левой ноги участников составило 50% (SD 6%). Мы попытались измерить двигательные пороги в четырех отдельных мышцах (паретических и непаретических, TA и SOL), что привело в общей сложности к 60 двигательным порогам как в положении стоя, так и в сидячем положении. В положении стоя мы смогли выявить и измерить двигательный порог в 90,0% случаев по сравнению с 65,0% в сидячем положении. В течение одного сеанса было более вероятно, что оценка двигательного порога в положении стоя приведет к измеримой реакции (McNemar Chi2,коррекция Йейтса, χ = 8,48, P = 0,004)(таблица 2). Это согласуется с нашей первой гипотезой о том, что стоячее положение приведет к увеличению вероятности возникновения измеримых ответов. Наша вторая гипотеза заключалась в том, что стояние приведет к двигательным порогам, требующим более низкой мощности стимулятора. Наши результаты показывают, что при наличии измеримых двигательных порогов в положении сидя и стоя измеренные пороги в положении стоя были ниже (N = 38, Стоя MT 45% MSO SD 9, Sitting MT 53% MSO SD 11, Paired t-statistic 4,99, P < 0,001). На рисунке 3 показаны измеренные двигательные пороги для каждой мышцы и состояния для всех участников.
| Сеанс Ответ |
Реакция стоя | ||||
| Да | Нет | Итог | % | ||
| Да | 38 | 1 | 39 | 65 | |
| Нет | 16 | 5 | 21 | 35 | |
| Итог | 54 | 6 | 60 | ||
| % | 90 | 10 | 100 | ||
Таблица 2: Построенная таблица 2 х 2 показывает сообщенную способность успешно производить реакцию на ТМС и способность измерять двигательный порог в условиях сидения и стояния. Тест Макнемара использовался для сравнения вероятности получения измеримого ответа, и было обнаружено, что оценки стоя значительно чаще вызывали измеримую реакцию по сравнению с выполнением оценок в сидячем положении.
Рисунок 3:Измеренные двигательные пороги в интересующих мышцах. Линии, соединяющие левое и правое значения, указывают на то, что у человека были измеримые двигательные пороги для этой мышцы как в сидячем, так и в стоячем положении. Моторные пороги измеряются и регистрируются в процентах от максимальной мощности стимулятора (% MSO). (A,B)показывают двигательные пороги, измеренные в паретических и непаретических передних мышцах большеберцовой кости соответственно. (C, D) показывают двигательные пороги паретических и непаретических камбаловидных мышц соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Экспериментальный протокол хорошо переносился большинством участников. Один человек не смог завершить оценку стоячей ТМС из-за ранее существовавших пролежней, вторичных по отношению к диабетическим осложнениям и ортопедическим проблемам, связанным с ранее существовавшей болью в колене. Объем погрузки/выгрузки массы тела с ног был минимальным. Тем не менее, в среднем наблюдалась несколько большая нисходящая сила, измеренная во время применения импульсов ТМС. Вероятно, это связано с весом катушки и нисходящим давлением, приложенным исследователями, чтобы обеспечить достаточный контакт между кожей головы / головой и катушкой TMS. Минимальные изменения массы тела, зафиксированные во время процедур ТМС по сравнению со статическими испытаниями, свидетельствуют о том, что никакие существенные эффекты нагрузки или разгрузки массы тела не способствовали нашим результатам. Мы также изучили распределение веса между ногами и обнаружили, что оно симметрично, в среднем 50% веса участников поддерживается их левыми ногами. Ожидается, что постинсультные люди, которые могут стоять в течение 10 минут практически без поддержки, могут завершить описанные оценки ТМС стоя. Положение стоя позволяло повысить частоту реакции на ТМС по сравнению с положением покоя/сидения. Увеличение чувствительности ТМС в положении стоя может позволить лицам, которые ранее были дисквалифицированы из нейрофизиологических исследований из-за отсутствия измеримого ответа ТМС, претендовать на будущие исследования, изучающие постуральный и специфичный для ходьбы постинсультный двигательный контроль. Увеличение пула подходящих участников может привести к большей обобщаемости результатов исследований среди постинсультной популяции.
Пороговые значения двигателя, оцененные в положении стоя, измерялись при более низком % MSO. Постинсультные двигательные пороги часто увеличиваютсяна 23 и требуют стимуляции при высоком % MSO для измерения CMR. Применение мощных импульсов ТМС с двойной конусной катушкой может привести к увеличению мышечных сокращений лица и верхних конечностей, что может быть неудобно для участников исследования. Выполнение нейрофизиологических оценок с более низкой интенсивностью может повысить переносимость процедур ТМС у некоторых участников после инсульта и увеличить участие в этих типах исследований.
Данная методика описывает процесс измерения кортикомоторного ответа на одноимпульсную ТМС. Однако парно-импульсные парадигмы также могут быть собраны в положении стоя. Коротколатентное интракортикальное ингибирование (SICI) и интракортикальная фасилитация (ICF) используют два импульса TMS, доставляемых одной и той же катушкой с межстимулевыми интервалами 2 и 10 мс соответственно24. Эти внутрикортикальные меры могут предоставить дополнительную информацию о нейрофизиологическом состоянии / поведении нервной системы во время стояния по сравнению с только двигательными порогами.
Как и во всех научных методах, у текущего протокола есть ограничения. Важным моментом, который следует учитывать, является то, что люди с постинсультным гемипарезом не выполняют деятельность таким же образом, как неврологически неповрежденные группы. Люди в хронической фазе после инсульта обычно разрабатывают компенсаторные стратегии для выполнения физических задач25,26,которые распространяются на поддержание вертикальной осанки. Даже при равном/симметричном весе между паретическими и непаретическими конечностями участники после инсульта могут не находиться в симметричной вертикальной позе. Стандартизация положения ног на силовой пластине может помочь обуздать это ограничение. Другим ограничением является то, что недавние исследования позволили записать более 10 моторных вызванных потенциалов27из-за известной изменчивости в CMR. В этом исследовании мы решили записать только 10 тестовых импульсов, чтобы уменьшить нагрузку на участников стоя. Как упоминалось ранее, этот протокол хорошо переносился / выполнялся лицами, которые имеют возможность стоять самостоятельно в течение не менее 10 минут. Этот факт может ограничить использование этого протокола у высоких / тяжелых уровней инвалидности после инсульта или у лиц с ортопедическими ограничениями.
Методы нейрофизиологической оценки нижних конечностей, и особенно в популяциях с неврологическими нарушениями, еще не получили большой последовательности в литературе. Когда нарушения осанки и ходьбы и / или реабилитация нижних конечностей являются основным фокусом, нет единого мнения о наилучшем методе для использования. Например, сравнения между показателями покоя, активности и стояния и того, как эти показатели связаны с клинической инвалидностью, не были полностью исследованы. Большинство исследователей согласятся с тем, что двухконусная катушка является наиболее подходящим устройством для стимуляции корковых представлений нижних конечностей. Помимо этого параметра, большая часть исследований ТМС нижних конечностей проводится в соответствии со стандартами отдельных исследовательских групп. Отсутствие согласованности между исследовательскими группами увеличивает трудности в выполнении более крупных метааналитических оценок, необходимых для расширения обобщаемости результатов исследований. В этом протоколе мы предоставляем основу для процедур ТМС нижних конечностей, которые могут быть использованы в исследованиях, изучающих постуральный и специфичный для ходьбы двигательный контроль и нейрореабилитацию после инсульта.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет реальных или предполагаемых конфликтов интересов, связанных с представленной работой.
Acknowledgments
Авторы хотели бы выразить признательность г-ну Брайану Сенсу и г-же Алиссе Честнат за их вклад в набор участников и сбор данных.
Финансирование этого проекта было частично обеспечено премией за техническое развитие от Национального центра нейромодуляции для реабилитации NIH (NM4R) (HD086844) и премией ветеранов за исследования и развитие карьеры в области реабилитации и развития карьеры 1 (RX003126) и наградой за заслуги (RX002665).
Содержание этого доклада не отражает точку зрения Министерства по делам ветеранов США, Национальных институтов здравоохранения США или правительства Соединенных Штатов.
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).
