Summary
Detta protokoll beskriver processen för att utföra en neurofysiologisk bedömning av nedre änden muskler, tibialis främre och soleus, i en stående position med TMS hos personer efter stroke. Denna position ger en större sannolikhet att framkalla ett TMS-svar efter stroke och möjliggör användning av minskad stimulatorkraft under neurofysiologiska bedömningar.
Abstract
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett vanligt verktyg som används för att mäta beteendet hos motorkretsar i friska och neurologiskt nedsatta populationer. TMS används i stor utsträckning för att studera motorisk kontroll och svaret på neurorehabilitation av de övre extremiteterna. TMS har dock använts mindre i studien av nedre änden postural och gång-specifika motorkontroll. Den begränsade användningen och de ytterligare metodologiska utmaningarna med nedre änden TMS bedömningar har bidragit till bristen på konsekvens i nedre änden TMS förfaranden i litteraturen. Inspirerad av den minskade förmågan att registrera nedre änden TMS motor framkallade potentialer (MEP), beskriver denna metodologiska rapport steg för att möjliggöra TMS-bedömningar efter stroke i en stående hållning. Stående hållning möjliggör aktivering av det neuromuskulära systemet, vilket återspeglar ett tillstånd som mer liknar systemets tillstånd under posturala och gångande uppgifter. Med hjälp av dubbla kraftplattor instruerade vi deltagarna att fördela sin vikt lika mellan sina paretiska och icke-paretiska ben. Visuell återkoppling av deltagarnas viktfördelning gavs. Med hjälp av bild vägledning programvara, levererade vi enda TMS pulser via en dubbel-kon spole till deltagarnas lesionerade och icke-lesionerade halvklot och mätte corticomotor svar av paretic och icke-paretic tibialis främre och soleus muskler. Genom att göra bedömningar i stående ställning ökade TMS-svarsfrekvensen och tillät användning av de lägre stimuleringsintensiteterna jämfört med standardställningen för sittande/viloläge. Användning av detta TMS protokoll kan ge en gemensam metod för att bedöma den nedre änden corticomotor svar post-stroke när neurorehabilitation av postural och gång nedskrivningar är av intresse.
Introduction
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett instrument som används för att mäta beteendet hos neurala kretsar. Majoriteten av TMS undersökningar med fokus på studier av motorisk kontroll/prestanda har genomförts i de övre extremiteterna. Obalansen mellan de övre och nedre extremitetsstudierna beror delvis på de ytterligare utmaningarna vid mätning av den nedre änden kortikomotorsvar (CMR). Några av dessa metodologiska hinder inkluderar de mindre närrepresentationerna av de nedre extremitetsmusklerna i motorbarken och representationernas djupare placering i förhållande till hårbotten1. I populationer med neurologiska skador finns det också ytterligare hinder. Till exempel visar ungefär hälften av individerna efter stroke inget svar på TMS i vila i nedre extremitetsmusklerna2,3. Bristen på post-stroke svar på TMS ses även när patienter upprätthåller viss viljestyrka kontroll av musklerna, vilket indikerar åtminstone en delvis intakt corticospinal skrifter.
Bristen på mätbara TMS svar med bibehållen motorisk funktion bidrar till vår minskade förståelse av post-stroke postural och gång-specifika motor kontroll och neurofysiologiska effekterna av neurorehabilitation. Några av utmaningarna med nedre änden efter stroke neurofysiologiska bedömningar har dock övervunnits. Till exempel kan en dubbelkonspole användas för att tillförlitligt aktivera de nedre extremitetsmotoneuronerna som ligger djupt i den interhemispheric sprickan1. Dubbelkonspolen producerar ett större och starkare magnetfält som tränger djupare in i hjärnan än den vanligare siffran på åtta spole4. En annan metodisk förändring som kan genomföras för att öka lyhördheten för TMS är att mäta CMR under en liten frivillig sammandragning5. I allmänhet utförs denna sammandragning på en förutbestämd nivå av antingen maximalt frivilligt led vridmoment eller maximal elektromyografisk (EMG) muskelaktivitet. Perifer nerv stimulering kan också användas för att framkalla ett maximalt muskelsvar och den registrerade EMG av detta svar kan användas för att ställa in den riktade frivilliga aktiveringen av muskeln.
Att utföra TMS-bedömning efter stroke under aktiv muskelkontraktion är ganska vanligt i de övre extremiteterna där isometriska uppgifter kan efterlikna funktionella aktiviteter, till exempel grepp/ innehav av föremål. Däremot uppnås promenader genom bilateral aktivering av flera muskelgrupper via när, subkortikala och ryggmärgsstrukturer och kräver postural muskelaktivering för att motstå effekterna av gravitationen. Detta aktiveringstillstånd återspeglas sannolikt inte när man mäter isolerade muskler som producerar en isometrisk sammandragning. Flera tidigare studier inriktade på att förstå postural och gångspecifik motorstyrning har levererat TMS-pulser medan deltagarna gick6,7,8 och stod9,10,11,12,13,14,15 . Mätningen av CMR i upprätt läge möjliggör aktivering av posturala muskler och subkortikala komponenter i postural- och gångmotorstyrningsnätverken. Hittills har det inte förekommit några rapporter om att utföra stående TMS-bedömningar hos individer efter stroke.
Denna studie föreslår en standardiserad metodik, byggd på den befintliga litteraturen av stående TMS-metoder6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, för stående TMS-bedömning av CMR efter stroke. Denna metodik kan användas av forskargrupper som studerar, men inte begränsat till, posturala underskott och gångspecifik motorisk kontroll efter stroke och etablera större konsekvens i TMS-procedurer. Syftet med denna metodologiska undersökning var att avgöra om stående TMS bedömningar är genomförbara hos individer efter stroke med måttlig gång nedskrivningar. Vi antog att utföra bedömningar i stående position skulle 1) öka sannolikheten för att framkalla ett mätbart svar (motor framkallade potential, parlamentsledamot) och 2) att stimulatorkraften /intensiteten som används för att utföra stående TMS-bedömningar skulle vara lägre än för de vanligtvis utförda sittande / vilobedömningarna. Vi tror att framgångsrika slutförande och utbredd användning av detta protokoll kan leda till en större förståelse av de neurofysiologiska aspekterna av posturala och gång-specifika motor kontroll och effekterna av neurorehabilitation.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla förfaranden godkändes av Institutions review board vid Medical University of South Carolina och överensstämde med Helsingforsdeklarationen.
1. Rekrytering av deltagare
- Rekrytera personer efter stroke från den lokala databasen. För detta experiment rekryterades 16 personer från en lokal elektronisk rekryteringsdatabas. I vissa fall rekryterades deltagarna specifikt eftersom de inte hade svarat på TMS i vila i tidigare studier som utförts av vår forskargrupp.
- Använd följande inklusionskriterier för denna undersökning: män och kvinnor mellan 18-85 år, minst 6 månader efter stroke, rest pares i de nedre extremiteterna och kunna stå 10 min utan hjälpmedel.
- Exkludera deltagare om de hade en historia av anfall, tog receptbelagda läkemedel som sänkte kramptröskeln, hade en historia av hjärnskada och/ eller andra sjukdomar i centrala nervsystemet, hade implanterade enheter eller metallobjekt i huvudet eller hade svår artrit eller ortopediska tillstånd som begränsade deras passiva rörelseomfång.
Deltagarnas demografi finns i tabell 1.
| Studie-ID | Ålder | Månader posta linje |
Sex | Ras | Typ av linje | Stroke Halvklot |
Höjd cm) |
Vikt kg) |
Självvald gånghastighet (m/s) | Promenader Hjälp |
||
| 1 | 67 | 28.7 | M | C | Intracerebral blödning | Höger | 180 | 74.8 | 0.61 | Ingen | ||
| 2 | 84 | 55.8 | F | C | Ischemisk | Höger | 165 | 68.0 | 0.94 | Ingen | ||
| 3 | 56 | 262.7 | F | C | Subarachnoid blödning | Vänster | 152 | 59.0 | 1.29 | Ingen | ||
| 4 | 67 | 141.8 | M | C | Intracerebral blödning | Höger | 180 | 72.6 | 0.27 | Käpp / AFO | ||
| 6 | 48 | 21.6 | M | C | Intracerebral blödning | Höger | 170 | 61.2 | 0.83 | Ingen | ||
| 7 | 58 | 93.9 | M | C | Akut ischemisk | Vänster | 168 | 112.5 | 0.77 | Fyrhjuling / AFO | ||
| 8 | 71 | 55.3 | F | AA | Akut ischemisk | Vänster | 170 | 68.0 | 1.05 | Ingen | ||
| 9* | 65 | 23.7 | M | C | Akut ischemisk | Höger | 178 | 84.8 | - | Knästöd | ||
| 10 | 70 | 26.6 | M | C | Akut ischemisk | Vänster | 173 | 78.9 | 0.81 | Ingen | ||
| 12 | 70 | 10.0 | M | C | Akut ischemisk | Vänster | 170 | 86.2 | 1.11 | Ingen | ||
| 13 | 65 | 80.6 | M | C | Akut ischemisk | Höger | 185 | 139.7 | 0.93 | Käpp / krycka | ||
| 14 | 79 | 83.0 | M | C | Akut ischemisk | Höger | 175 | 88.5 | 0.48 | Käpp | ||
| 15 | 51 | 54.4 | M | AA | Akut ischemisk | Vänster | 178 | 90.7 | 1.35 | Ingen | ||
| 17 | 65 | 18.5 | M | C | Akut ischemisk | Höger | 170 | 74.8 | 0.28 | Käpp | ||
| 18 | 63 | 48.8 | F | AA | Akut ischemisk | Höger | 170 | 83.9 | 1.12 | Ingen | ||
| 19 | 58 | 25.9 | M | C | Akut ischemisk | Båda | 183 | 88.5 | 1.10 | Ingen | ||
| * Deltagaren borttagen från dataanalysen på grund av oförmåga att slutföra nödvändiga bedömningar | ||||||||||||
| AFO = fotledsfot ortorrtisk | ||||||||||||
Tabell 1: Deltagarnas demografi.
- Ta första kontakten med deltagarna via telefon och förklara kort testprocedurerna. Bjud in intresserade individer till laboratoriet.
- Vid ankomsten till forskningsanläggningen, låt en medlem av forskningspersonalen förklara experimentprotokollet fullt ut för de potentiella deltagarna.
- När en presumtiv deltagare bekräftar sin vilja att delta i studien, inhämta skriftligt informerat samtycke godkänt av den lokala institutionella granskningsnämnden.
2. Bildstyrningssystem och deltagarinställning
- Använd programvara för bildvägledning för att säkerställa konsekvent leverans av TMS-pulserna under utvärderingen.
- Starta ett nytt projekt med MNI-huvudmodellen som är inbyggd i bildstyrningssystemet. Öppna programvaran och välj Nytt MNI-huvudprojekt.
- Klicka på fliken Mål i popup-fönstret och klicka sedan på Konfigurera mål. Bestäm hårbottens placering som är direkt överlägsen den förcentrala gyrusen och 0,5 cm lateralt till midsagittallinjen.
- När platsen har identifierats visuellt lägger du till ett nytt rektangulärt rutnät genom att klicka på det nyaoch sedan på rektangulärt rutnät. Rutnätet ska visas på skärmen och den mediala raden ska vara 0,5 cm lateral till midsagittallinjen.
- Ändra storlek på rutnätet genom att skriva 3 och 5 i rutorna för rutnätets storlek. Ställ in rutnätsavståndet till 10 med 10 mm genom att skriva i rutnätsavståndsrutorna. Markera markörverktygetoch flytta sedan markören till skalpens bild.
- Tryck och håll ned musknappen för att rotera skalpens bild för att se till att alla rutnätspunkter vidrör huden. Om rutnätspunkterna inte finns i hårbotten justerar du krökningen på gallret genom att flytta krökningsreglaget.
- Upprepa dessa procedurer för att placera ytterligare 3 x 5 rutnät över motsatta halvklotet.
OBS: Detta kan utföras innan en deltagare anmäler sig till studien och anländer till laboratoriet. Dessutom kan en deltagares anatomiska T1-viktade bild användas om den finns tillgänglig. Särskilda uppgifter om hur man använder anatomiska MRI för navigering finns i den tidigare publicerade artikeln16.
- Starta en ny session i bildvägledningsprogramvaran genom att välja fliken Sessioner när programvaran är öppen.
- Klicka på Nyoch sedan på OnlineSession. I nästa fönster väljer du de två rutnät som skapats i föregående avsnitt (avsnitt 2.1) genom att klicka på dem och klicka sedan på Lägg till.
- Markera kryssrutan Använd växla (växla in) under Alternativ för TTL-utlösare på fliken IOBox och mata in 0 ms i rutan Dödtid. Klicka på knappen Nästa högst upp. Se visuellt till att bildstyrningssystemets kamera är aktiv.
- Börja deltagarregistreringen genom att placera ämnesspåraren, som medföljer bildstyrningssystemet, runt deltagarens panna.
- Justera kameran manuellt för att säkerställa att deltagarspåraren är i mitten av kamerans synfält. Klicka sedan på fliken Registrering högst upp i programvaran.
- Placera bildstyrningssystemets pekare/markör på registreringsmärkena: nasion och höger och vänster periauricularpunkter. När pekaren placeras på huden klickar du på knappen Nästa för att registrera deltagarens hudplatser till bildvägledningsprogramvaran.
- När registreringsmärkena har tagits klickar du på fliken Skalning högst upp i programfönstret. Placera pekaren på de högra, vänstra, översta, längsta och längst bak och längst ner i deltagarens hårbotten.
- Klicka på knappen Nästa på varje plats för att skala bildvägledningssystemet till deltagarens huvud. När skalningen är klar klickar du på fliken Utför högst upp i programvaran. Bildstyrningssystemet är nu klart.
3. Förberedelse och installation av ytelektromyografi
- Förbered deltagarnas tibialis främre (TA) och soleus (SOL) muskler för ytelektromyografi (sEMG) elektroder. För att förbereda huden för sEMG, rengör området med hjälp av alkoholkuddar och, om nödvändigt, ta bort hår med en rakhyvel för engångsbruk. Placera sEMG engångsgelelektroderna enligt SENIAM riktlinjer17.
OBS: Sensorplaceringen för TA är 1/3 av vägen ner på linjen mellan vadbenets spets och spetsen på den mediala malleolusen. För SOL, placera sensorn 2/3 av linjen mellan lårbenets mediala condyle till den mediala malleolusen. - När elektroderna är fastsatta, inspektera signalen visuellt för kvalitet. Fortsätt sedan att linda skaften med ett elastiskt bandage för att minimera elektrodernas rörelse och den resulterande artefakten under testningen.
OBS: Spela in sEMG-signaler vid 5000 Hz i ett 0,5 s fönster som börjar 0,1 s före leverans av TMS-pulserna. Den exakta provtagningsfrekvensen och mängden data som samlas in kommer att vara beroende av den maskinvara och programvara som används för att registrera sEMG:s svar på TMS. För mer information om hur emg-inspelningar och analyser upprättas, se Tankisi etal.18.
4. Force plate och deltagare säkerhetsinställning
- Öppna datainsamlingsprogramvaran och starta en ny testversion för att kalibrera kraftplattan med dubbla toppar.
- Klicka på Start och starta en FP Zero-utvärderingsversion. Samla in 3-5 s data utan belastning på kraftplattan och klicka sedan på Stopp.
- När kraftplattan är kalibrerad har deltagaren registrerats i bildstyrningssystemet (avsnitt 2.2) och sEMG-elektroderna har placerats och testats för signalkvaliteten (avsnitt 3), instruera deltagaren att stå och montera dem med en säkerhetssele.
- Låt deltagaren kliva på kraftplattan och standardisera sin fotplacering med maskeringstejp som är föransluten på kraftplattan för att beteckna fotens främsta position och fötternas mediala kanter lika avstånd från mittlinjen.
- Fäst deltagarens säkerhetssele på takstödet. Placera en rollator, eller liknande anordning, runt kraftplattan för att ge deltagarna något att stabilisera sig med under testningen om det behövs.
OBS: Se till att deltagarna under alla stående TMS-procedurer är fastsatta i taket via en säkerhetssele för att förhindra ett fall.
- Mät och samla in deltagarens vikt när de står på kraftplattan genom att klicka på Start och välja en FP Static-testversion. Spela in 2-5 s datavärde och klicka på Stoppa för att avsluta rättegången.
- När du står på kraftplattorna, se till att datainsamlingsprogramvaran visar två stapeldiagram som representerar vikten/kraften under var och en av deltagarens fötter (figur 1A). När deltagaren flyttar sin vikt åt ena sidan ändras stapeldiagrammen i höjd (bild 1B).
- Om en deltagare lossar vikten på benen till armarna, se till att stapeldiagramdisplayen ändrar färg (bild 1C). När en deltagare blir bekväm med att stå med samma vikt fördelad mellan benen kan mätning av CMR börja.
Figur 1: Representativ bild av den visuella återkoppling som deltagarna fick under den stående TMS-bedömningen. (A) visar den visuella återkoppling som ges till deltagarna medan de stod med sin vikt jämnt fördelad mellan paretiska och icke-paretiska ben. De vertikala staplarna representerar den mängd kraft som mäts av vart och ett av kraftplattans områden. De fasta horisontella linjerna representerar det vertikala kraftintervall som mäts för att säkerställa belastning av kroppsvikten på de nedre extremiteterna och inte genom armarna om deltagarna behövde stabilisera sig med det medföljande handstödet. Om deltagarens kroppsvikt flyttades till ena sidan mer än 5%, ändrade de vertikala staplarna färger för att informera deltagaren att luta sig mot den sida som lossades, som visas i (B). Om deltagaren laddade/lossade mer än +/- 5% av sin kroppsvikt från benen, ändras bakgrundsskärmens färg enligt (C). Klicka här för att se en större version av den här figuren.
5. Stående kortikomotorisk svarsbedömning
- Börja de neurofysiologiska bedömningarna genom att identifiera en stimulatorintensitet som ger konsekventa motoriska framkallade potentialer (MEP), dvs. EMG-signalamplitud > 50 μV och/eller en synlig kortikosilent period i de aktiva musklerna, i mål TA och SOL-muskeln.
OBS: Använd en dubbelkonspole för att leverera alla TMS-pulser med strömmen som rör sig genom spolen i en främre till bakre riktning. Applicera TMS-pulserna endast när deltagaren upprätthåller lika viktfördelning mellan sina paretiska och icke-paretiska ben, vilket framgår av de visuella återkopplings-/stapeldiagram som nämns i föregående avsnitt (avsnitt 4.2).- Testa den paretic lem först genom att applicera TMS pulser på den lesionerade halvklotet. Börja med att ställa in TMS-stimulatorns effektnivå på 50 % maximal stimulatoreffekt (%MSO) genom att vrida på ratten för utmatningsreglaget. Applicera en enda puls vid 50% MSO på mittnätet som ligger precis i sidled till den längsgående sprickan genom att trycka på avtryckarknappen på stimulatorn. Applicera 2-3 pulser med ett interstimulusintervall på 5-10 s.
Om en deltagare visar ett svar på 50 % MSO hoppar du till avsnitt 5.2 och påbörjar identifiering av hotspot.If a participant shows a response at 50% MSO, skip to section 5.2 and begin hotspot identification. - Om svaren inte ses i TA och SOL, öka stimulatorns effekt med 10% MSO genom att vrida på utgångsreglaget och leverera 2-3 TMS-pulser enligt steg 5.1.1.
- Om inga svar ses efter att ha ökat stimulatorn till 60% MSO, öka igen effekten med 10% MSO. Om inga parlamentsledamöter får 70 % MSO väljer du slumpmässigt flera rutnätspunkter och använder TMS-pulser för att avgöra om det finns ett svar vid den aktuella effektinställningen.
- Om inga svar registreras vid någon rutnätspunkt vid den aktuella 70% MSO, återgå till det ursprungliga målnätets punktland, fortsätt att öka stimulatoreffekten med steg om 10% MSO och tillämpa 2-3 stimuleringar som tidigare beskrivits.
OBS: Upprepa denna process tills tillförlitliga svar registreras från målmusklerna eller tills det fastställs att deltagaren inte har något svar på TMS. Alla deltagare kommer inte att ge ett mätbart svar på TMS.
- Testa den paretic lem först genom att applicera TMS pulser på den lesionerade halvklotet. Börja med att ställa in TMS-stimulatorns effektnivå på 50 % maximal stimulatoreffekt (%MSO) genom att vrida på ratten för utmatningsreglaget. Applicera en enda puls vid 50% MSO på mittnätet som ligger precis i sidled till den längsgående sprickan genom att trycka på avtryckarknappen på stimulatorn. Applicera 2-3 pulser med ett interstimulusintervall på 5-10 s.
- När stimulatorkraften som ger ett konsekvent svar har identifierats, börja identifiera hotspot, dvs. den hårbotten plats som ger det största svaret på de applicerade TMS-pulserna.
- Starta en ny testversion av hotspot genom att klicka på Start och välja Hotspot. Applicera en enpulsstimulering på var och en av de 15 rutnätspunkterna vid den överstatliga effektnivå som identifierats i föregående steg. Flytta spolen till den första rutnätspunkten med hjälp av bildstyrningssystemet.
- När spolen är i rätt läge, applicera TMS-pulsen genom att trycka på avtryckarknappen på stimulatorenheten. Flytta sedan spolen till nästa rutnätsplats och applicera en annan enda TMS-puls. Fortsätt tills en enda stimulering har tillämpats på varje rutnätspunkt och klicka på Stoppa för att avsluta prövningen.
- Undersök amplituderna för de sEMG-signaler som registreras vid varje rutnätspunkt. Identifiera visuellt rutnätspunkterna med den största mep-amplituden, inspelad i sEMG-signalerna, för var och en av de riktade musklerna. Rutnätsplatserna med de största mep-amplituderna är hotspots och kommer att användas för att mäta kortikomotorsvaret i följande avsnitt.
OBS: Vid vissa tillfällen kan en enda rutnätsplats ge de största amplituderna för både TA och SOL. I dessa fall bestämmer du motortrösklarna för varje muskel separat.
- Bestäm sedan motortröskeln för den riktade muskeln med hjälp av enkel adaptiv parameteruppskattning genom sekventiell testning (PEST)19,20.
- Öppna PEST-programmet och ställ in den ursprungliga stimulatorintensiteten på det suprathreshold-värde som används för att identifiera hotspot genom att skriva värdet i rutan.
- Påbörja en ny PEST-testversion genom att klicka på fliken Start i datainsamlingsprogrammet och välj PEST.
- Applicera en enda TMS-puls på den identifierade målmuskelns hotspot vid den ursprungliga %MSO-intensiteten som visas i PEST-programmet. Ange i PEST-programmet att ett svar observerades i muskelns sEMG-signal genom att skriva y eller n. PEST-programmet beräknar automatiskt nästa stimuleringsintensitet.
- Justera stimulatorns effektnivå så att den matchar PEST-programmet och applicera ytterligare en ENDA TMS-puls. Fortsätt den här processen tills PEST-programmet bestämmer motortröskeln, vilket indikeras av en färgförändring på stimuleringsintensiteten, och avsluta datainsamlingsförsöket genom att klicka på fliken Stopp.
OBS: PEST-proceduren använder ett fritt tillgängligt program som styr hur mycket stimulatorkraft som ska användas med successiva pulser. Ett av PEST-programmen hittar du här: (https://www.clinicalresearcher.org/software.htm).
- När målmuskelns hotspot och motortröskel har identifierats, börja CMR-utvärderingen. Ställ in stimulatorns intensitet till 120 % av den fastställda motortröskeln.
- Starta en ny utvärdering i datainsamlingsprogrammet genom att klicka på fliken Start och välj en utvärderingsversion av en parlamentsledamot. Placera spolen på muskelns hotspot och applicera 10-20 enpulsstimuleringar.
- Låt 5-10 s mellan varje stimulering. Registrera de framkallade sEMG-svaren för off-line analys. Låt deltagaren vila ad libitum och under tillräckligt med tid mellan testförfarandena för att minska sannolikheten för att deltagaren utvecklar trötthet, vilket kan påverka resultaten.
- Klicka på fliken Stopp efter att ha spelat in parlamentsledamöterna för att avsluta rättegången.
OBS: Forskaren som hanterar TMS-spolen bör se till att deltagarna har samma viktfördelning under varje ben omedelbart innan någon TMS-puls appliceras. Om prövaren tror att stimuleringen tillämpades medan deltagarens vikt inte var jämnt fördelad, utför en ytterligare stimulering och uteslut den tidigare studien från framtida analys. Testa de icke-paretiska musklerna omedelbart efter paretic musklerna. Bild 2 visar den experimentella inställningen under den stående TMS-bedömningen.
Bild 2: Bild tagen vid mätningen av kortikomotorsvaret (CMR) i stående läge. Bildvägledningssystemet och den insamlade sEMG-aktiviteten visas för forskningspersonal under datainsamlingen som visas på bildskärmarna på bildens vänstra sida. Visuell återkoppling av viktfördelningen gavs framför och något till höger om deltagarna. Deltagarna bar en säkerhetssele som var fastsatt i taket för att förhindra fall när de stod på kraftplattan med dubbla toppar. Stöd för deltagarnas armar gavs för att hjälpa deltagarna att stabilisera sig efter att TMS-pulser applicerats. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
6. Bedömning av sittande kortikomotorsvar
- Efter avslutad TMS-bedömning ska motortrösklarna och CMR-reglaget ha slutförts i vilo- och sittläge.
- Använd samma procedurer som tidigare beskrivits (avsnitten 5.2-5.4). Den enda förändringen är deltagaren ska sitta i en stol med benen stödda och musklerna avslappnade.
- Använd samma hotspots som identifierats vid stående bedömning (avsnitt 5.2) i sittande ställning. Utför den neurofysiologiska testningen på samma sätt som används i stående position, med undantag för att använda en stimuleringsintensitet på 120% av vilo-/sittmotortröskeln.
OBS: Det kan vara nödvändigt att utföra ytterligare tester med hjälp av en tidigare bestämd stimulatoreffekt. Om till exempel jämförelser mellan parlamentsledamotens amplitud i olika postala positioner görs, kan det vara nödvändigt att använda en liknande absolut stimulatorkraft. Detta beror på den aktuella forskningsfrågan och bör identifieras under studiedesignen.
7. Statistisk metod
- För att testa hypotesen att stående skulle leda till en ökad sannolikhet att framkalla mätbara svar konstruera en 2 x 2 tabell och testa proportionerna med McNemars test21.
- För att jämföra motortrösklarnas effektnivåer använder du ett parat t-testpå deltagarna som hade mätbara svar i båda positionerna. Bestäm signifikans med en alfa = 0,05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En deltagare togs bort från analysen på grund av oförmågan att tolerera det stående TMS-förfarandet på grund av befintlig knäsmärta och ett diabetessår som mottogs före ankomsten till forskningslaboratoriet, vilket lämnade en slutlig provstorlek på 15. Diabetiker såret var direkt över TA och uteslutit alla sEMG åtgärder av denna muskel. Inga större biverkningar rapporterades till utredarna under vare sig sittande eller stående TMS-procedurer. Flera mindre biverkningar rapporterades, såsom nackmuskelsmärta och lätt huvudvärk. Dessa mindre händelser rapporterades dock i slutet av testsessionen, och det var inte klart om sammanträdet eller stående förfaranden var mer ansvariga för dessa biverkningar. Dessa mindre biverkningar ses ofta efter TMS-utvärderingar och inom TMS-litteraturen22.
Total lastning/lossning av kroppsvikt under TMS pulsapplikation var +0,4% (SD 1,8%) av kroppsvikten. Detta innebär att deltagarna inte lossade kroppsvikten från benen till armarna när de använde rollatorn som ett sätt att försörja sig under TMS-procedurerna. Den genomsnittliga viktfördelningen för deltagarnas vänstra ben var 50% (SD 6%). Vi försökte mäta motoriska trösklar i fyra separata muskler (paretic och icke-paretic, TA och SOL), vilket leder till totalt 60 motoriska trösklar i både stående och sittande positioner. I stående ställning kunde vi framkalla och mäta en motortröskel 90,0% av tiden jämfört med 65,0% i sittande ställning. Under en enda session var det mer sannolikt att en bedömning av motortröskeln i stående ställning skulle resultera i ett mätbart svar (McNemar Chi2, Yates-korrigering, = 8,48, P = 0,004) (tabell 2). Detta överensstämmer med vår första hypotes att den stående positionen skulle resultera i en ökad sannolikhet att framkalla mätbara svar. Vår andra hypotes var att stående skulle resultera i motor trösklar som kräver lägre stimulator effekt. Våra resultat visar att när individer presenteras med mätbara motoriska trösklar i sittande och stående positioner, var de uppmätta trösklarna i stående position lägre (N = 38, Stående MT 45% MSO SD 9, Sitting MT 53% MSO SD 11, Parad t-statistik 4.99, P < 0.001). Figur 3 visar de uppmätta motortrösklarna för varje muskel och tillstånd för alla deltagare.
| Sittning Svar |
Stående svar | ||||
| Ja | Nej | Total | % | ||
| Ja | 38 | 1 | 39 | 65 | |
| Nej | 16 | 5 | 21 | 35 | |
| Total | 54 | 6 | 60 | ||
| % | 90 | 10 | 100 | ||
Tabell 2: Tabellen 2 x 2 visar den rapporterade förmågan att framgångsrikt producera ett svar på TMS och förmågan att mäta en motortröskel under sittande och stående förhållanden. McNemars test användes för att jämföra sannolikheten för att framkalla ett mätbart svar och det konstaterades att de stående bedömningarna var betydligt mer benägna att framkalla ett mätbart svar jämfört med att utföra utvärderingar i sittande ställning.
Figur 3: Uppmätta motortrösklar i intressemusklerna. Linjer som förbinder vänster och höger värden indikerar att individen hade mätbara motoriska trösklar för den muskeln i både sitt- och stående positioner. Motortrösklar mäts och rapporteras som en procentandel av maximal stimulatoreffekt (%MSO). (A,B) visa motoriska trösklar uppmätta i paretic och icke-paretic tibialis främre muskler, respektive. (C, D) visa de motoriska trösklarna för paretic respektive icke-paretic soleus muskler, respektive. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det experimentella protokollet tolererades väl av de flesta deltagare. En individ kunde inte slutföra den stående TMS utvärdering på grund av att befintliga decubitus magsår sekundärt till diabetiker komplikationer och ortopediska frågor som omfattar befintliga knä smärta. Mängden lastning/lossning av kroppsvikt från benen var minimal. Det fanns dock i genomsnitt en något större nedåtgående kraft mätt under tillämpningen av TMS-pulserna. Detta beror sannolikt på spolens vikt och det nedåttryck som utredarna applicerade för att säkerställa att det fanns tillräcklig kontakt mellan hårbotten/huvudet och TMS-spolen. De minimala förändringar i kroppsvikt som fångats under TMS-procedurerna jämfört med de statiska prövningarna tyder på att inga betydande effekter av kroppsviktsbelastning eller lossning bidrog till våra resultat. Vi undersökte också viktfördelningen mellan benen och fann att den var symmetrisk, med i genomsnitt 50% av deltagarnas vikt som stöds av deras vänstra ben. Det förväntas att personer efter stroke som kan stå i 10 minuter med lite eller inget stöd kan slutföra de beskrivna stående TMS-bedömningarna. Den stående positionen möjliggjorde en högre svarsfrekvens på TMS jämfört med vilo-/sittpositionen. Ökningen av TMS-responsivitet i stående position kan tillåta individer som tidigare diskvalificerats från neurofysiologiska studier på grund av brist på mätbar TMS-svar för att kvalificera sig för framtida studier som undersöker postural och gångspecifik motorisk kontroll efter stroke. Att öka poolen av berättigade deltagare kan leda till större generaliserbarhet av forskningsresultat i hela populationen efter stroke.
Motortrösklarna som bedömdes i stående ställning uppmättes till en lägre %MSO. Motortrösklarna efter slaget höjs ofta23 och kräver stimulering vid en hög %MSO för att mäta CMR. Att applicera högeffektiva TMS-pulser med en dubbelkonspole kan leda till ökade ansikts- och övre extremitetsmuskelkontraktioner som kan vara obekväma för forskningsdeltagare. Att utföra neurofysiologiska utvärderingar med lägre intensitet kan öka tolerabiliteten av TMS-procedurer hos vissa deltagare efter stroke och öka deltagandet i dessa typer av studier.
Denna metod beskriver processen för att mäta kortikomotorsvaret på enpuls TMS. Men paradpulsparadigm kan också samlas in i stående position. Intrakortikal hämning (SICI) och intrakortikal facilitation (ICF) använder två TMS-pulser som levereras av samma spole med interstimulusintervall på 2 respektive 10ms, respektive 24. Dessa intrakortikala åtgärder kan ge ytterligare detaljer om nervsystemets neurofysiologiska tillstånd/beteende under stående jämfört med motoriska trösklar ensam.
Som med alla vetenskapliga metoder finns det begränsningar i det nuvarande protokollet. En viktig punkt att tänka på är att individer med post-stroke hemiparesis inte utför aktiviteter på samma sätt som neurologiskt intakta grupper. Människor i den kroniska fasen efter stroke har vanligtvis utvecklat kompensatoriska strategier för att utföra fysiska uppgifter25,26, vilket sträcker sig till att upprätthålla en upprätt hållning. Även med lika/symmetrisk viktbärande mellan paretic och icke-paretic lemmar, post-stroke deltagare kanske inte är i en symmetrisk upprätt hållning. Standardisering av fotpositioner på kraftplattan kan bidra till att stävja denna begränsning. En annan begränsning är att nyligen genomförda undersökningar har föreslagit registrering av mer än 10 motor-framkallade potentialer27, på grund av den kända variationen i CMR. I den här undersökningen valde vi att bara spela in 10 testpulser för att minska deltagarbördan när vi står. Som nämnts tidigare tolererades/utfördes detta protokoll väl av individer som har förmågan att stå självständigt i minst 10 min. Detta faktum kan begränsa användningen av detta protokoll i höga/allvarliga funktionshinder nivåer efter stroke eller hos individer med ortopediska begränsningar.
Neurofysiologisk bedömning metoder av de nedre extremiteterna, och särskilt i neurologiskt nedsatt befolkning, har ännu inte fått mycket konsekvens inom litteraturen. När hållning och gångspecifika funktionsnedsättningar och/eller nedre extremitetsrehabilitering är det primära fokuset, finns det ingen konsensus om den bästa metoden att använda. Jämförelser mellan vilo-, aktiva och stående åtgärder och hur dessa åtgärder relaterar till klinisk funktionsnedsättning har till exempel inte undersökts fullt ut. De flesta forskare skulle hålla med om att dubbelkonspolen är den lämpligaste enheten att använda för att stimulera de nedre extremiteterna när representationer. Utanför denna parameter görs mycket av de nedre extremiteterna TMS-studier till enskilda forskargruppers standarder. Bristen på konsekvens mellan forskargrupper ökar svårigheten att utföra större metaanalytiska bedömningar som behövs för att utvidga forskningsresultats generaliserbarhet. I detta protokoll ger vi en grund för nedre änden TMS förfaranden som kan användas i studier som undersöker postural och gång-specifika motor kontroll och neurorehabilitation post-stroke.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några verkliga eller upplevda intressekonflikter relaterade till det rapporterade arbetet.
Acknowledgments
Författarna vill uppmärksamma Mr. Brian Cence och Mrs. Alyssa Chestnut för deras bidrag till deltagarrekrytering och datainsamling.
Finansieringen av detta projekt tillhandahölls delvis av en teknisk utvecklingsutmärkelse från NIH National Center for Neuromodulation for Rehabilitation (NM4R) (HD086844) och av Veteran's Affairs Rehabilitation Research and Development Career Development Award 1 (RX003126) och Merit award (RX002665).
Innehållet i denna rapport representerar inte åsikterna från U.S. Department of Veterans Affairs, U.S. National Institutes of Health eller USA: s regering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Data Acquisition Software | MathWorks | MatLab | The custom data collection program was written in Matlab. However, other software/hardware providers can be used (e.g. National Instruments, AD Instruments, CED Spike2 or Signal) |
| Double-cone coil | Magstim | D110 | Double-cone coil for TMS pulse delivery |
| Dual force plate | Advanced Mechanical Technology Inc (AMTI) | Dual-top Accusway | Force plate used to measure force/weight distrobution under each leg independently. |
| Dual-pulse TMS | Magstim | Bistim 200 | Connects two Magstim 200 units together for dual-pulse applications |
| EMG pre-amplifiers | Motion Labs Inc | MA-422 | Preamplifiers for disposable surface EMG electrodes |
| EMG system | Motion Labs Inc | MA400 | EMG system for data collection |
| Neuronavigation System | Rogue Research | Brainsight | Software and hardware used to ensure consistent placement/delivery of magnetic stimulations. Marking the stimulation location on a participant's head or on a place showercap can also be used in the absence of neuronavigational software. |
| Recruitment Database | N/A | N/A | Electronic database including names of possible individuals who are eligble for your studies. |
| TMS unit (x2) | Magstim | Magstim 200 | Delivers TMS pulses |
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).
