Bedömning av neuromuskulära funktionen Använda perkutan elektrisk nervstimulering

Summary

We present a protocol to assess changes in neuromuscular function. Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method that evokes muscular responses. Electrophysiological and mechanical properties of these responses permit the evaluation of neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels).

Abstract

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels). The present protocol describes how this method can be used to stimulate the posterior tibial nerve that activates plantar flexor muscles. Percutaneous electrical nerve stimulation consists of inducing an electrical stimulus to a motor nerve to evoke a muscular response. Direct (M-wave) and/or indirect (H-reflex) electrophysiological responses can be recorded at rest using surface electromyography. Mechanical (twitch torque) responses can be quantified with a force/torque ergometer. M-wave and twitch torque reflect neuromuscular transmission and excitation-contraction coupling, whereas H-reflex provides an index of spinal excitability. EMG activity and mechanical (superimposed twitch) responses can also be recorded during maximal voluntary contractions to evaluate voluntary activation level. Percutaneous nerve stimulation provides an assessment of neuromuscular function in humans, and is highly beneficial especially for studies evaluating neuromuscular plasticity following acute (fatigue) or chronic (training/detraining) exercise.

Introduction

Perkutan elektrisk nervstimulering används ofta för att bedöma neuromuskulär funktion ^1. Grundprincipen består inducera en elektrisk stimulans till en perifer motorisk nerv att framkalla en muskelsammandragning. Mekanisk (momentmätning) och elektrofysiologiska (elektromyografisk aktivitet) svar samtidigt registreras. Vridmoment, inspelad på beaktad leden, bedöms med hjälp av en ergometer. Den elektromyografisk signal (EMG) som spelats in med ytelektroder har visat sig representera aktiviteten hos muskeln ^2. Denna icke-invasiv metod är inte smärtsam och lättare implementeras än intramuskulära inspelningar. Både monopolära och bipolära elektroder kan användas. Den monopolära elektrodkonfigurationen har visat sig vara mer känslig för förändringar i muskelaktivitet ^3, som kan vara användbart för små muskler. Emellertid har bipolära elektroder visats vara mer effektivt för att förbättra signal-till-brus ra tio ⁴ och används oftast som en metod för inspelning och kvantifiera motorenhet aktivitet. Den metod som beskrivs nedan kommer att fokusera på bipolära inspelningar. EMG-aktivitet är en indikator på effektiviteten och integriteten hos neuromuskulära systemet. Användningen av perkutan nervstimulering erbjuder ytterligare insikter i neuromuskulär funktion, det vill säga förändringar på muskulös, spinal eller supra-spinal nivå (Figur 1).

Figur 1:. Översikt över neuromuskulära mätningar Stim: nervstimulering. EMG: Elektromyografi. VAL: Frivillig aktiveringsnivå. RMS: Root Mean Square. _Mmax: Maximal M-vågsamplitud.

I vila, är föreningen muskeln aktionspotentialen, även kallad M-våg på kort latens respons observerades efter stimulans artefakt, och representerar exciterbar muskelmassa genom direkt activ tion av motoriska axoner som leder till muskel (figur 2, nummer 3). M-vågsamplitud ökar med intensiteten tills den når en platå av dess maximala värde. Detta svar, som kallas M _max, representerar den synkrona summering av alla motoriska enheter och / eller muskelfiberverkningspotentialer som registrerats under ytan EMG elektroderna ^5. Utvecklingen av topp-till-topp-amplituden eller vågor området används för att identifiera förändringar av neuromuskulär transmission ^6. Förändringar i de mekaniska svar i samband med M-vågen, det vill säga maximalt rycka vridmoment / kraft, kan bero på förändringar i muskel retbarhet och / eller inom muskelfibrerna ^7. Associationen av M _max amplitud och topp rycka vridmoment amplitud (Pt / M-förhållandet) ger ett index på elektromekanisk verkningsgrad muskeln ^8, det vill säga mekanisk respons för en given elektrisk motor kommandot.

52974 / 52974fig2.jpg "/>
Figur 2:. Motor och reflexiva vägar aktiveras av nervstimulering Elektrisk stimulering av en blandad (motor / sensoriska) nerv (STIM) inducerar en depolarisation av både motor axon och Ia afferenta bränning. Depolarisering av la afferenter mot ryggmärgen aktiverar en alfa motoneuron, vilket i sin tur framkallar en H-reflexsvar (väg 1 + 2 + 3). Beroende på stimulusintensitet, väcker motor axon depolarisation en direkt muskelsvar: M-våg (väg 3). Vid maximal M-våg intensitet, är en antidromic ström genereras också (3 ') och kolliderar med reflex salva (2). Denna kollision helt eller delvis upphäver H-reflexen svar.

H-reflexen är en elektrofysiologisk reaktion som används för att bedöma förändringar i Ia-α motoneuron synaps ^9. Denna parameter kan bedömas i vila eller under frivilliga sammandragningar. H-reflexen representerar en variant av stretchreflexen (figur 2, number 1-3). H-reflexen aktiverar motoriska enheter monosynaptically rekryterats av la afferenta vägar ^10,11, och kan utsättas för perifera och centrala influenser ^12. Metoden att framkalla en H-reflexen är känd för att ha en hög intraindividuella tillförlitlighet att bedöma spinal retbarhet i vila ^13,14 och under isometriska kontraktioner ^15.

Under en frivillig kontraktion, kan bedömas omfattningen av den frivilliga neurala disken med amplituden för EMG signalen generellt kvantifieras med användning av Root Mean Square (RMS). _RMS-EMG används vanligtvis ett medel för att kvantifiera nivån av excitering av motorsystemet under frivillig kontraktion (Figur 1). På grund av den intra- och inter-individuell variabilitet ^16, har RMS _EMG att normaliseras med hjälp av EMG registreras under en muskelspecifikt maximal frivillig kontraktion (RMS _EMGmax). Dessutom, eftersom förändringar i EMG-signalen kan be på grund av förändringar på perifer nivå, normalisering med hjälp av en perifer parameter såsom M-våg skyldig att bedöma bara den centrala delen av EMG-signal. Detta kan göras genom att dela RMS _EMG av den maximala amplituden eller RMS _Mmax av M-vågen. Normalisering använder RMS _Mmax (dvs. RMS _EMG / RMS _Mmax) är att föredra eftersom det tar hänsyn till eventuella ändringar av M-våg längd ^17.

Motor kommandon kan också utvärderas genom att beräkna aktiveringsnivå frivilligt (VAL). Denna metod använder rycka interpolationsteknik ¹⁸ genom att lägga en elektrisk stimulering vid M _max intensitet under en maximal frivillig kontraktion. Den extra vridmoment som induceras genom att stimulera nerven jämförs med en kontrollmuskeln som produceras av samma nervstimulering i en avslappnad potentierad muskel ^19. För att utvärdera maximal VAL, den ursprungliga rycka interpoförordning teknik som beskrivs av Merton ¹⁸ innebär en enda stimulus interpoleras över en frivillig kontraktion. På senare tid har användningen av parade stimulering blivit mer populärt eftersom steg framkallade vridmoment är större, lättare upptäcks, och mindre rörliga än enstaka stimuleringssvar ^20. VAL ger ett index på kapaciteten hos det centrala nervsystemet till maximalt aktivera musklerna ^21. För närvarande utvärderas VAL använda rycka interpolationsteknik är den mest värdefulla metoden för att bedöma graden av muskelaktivering ^22. Dessutom maximala vridmomentet utvärderas med hjälp av en ergometer är den mest korrekt studerade hållfasthetsprovning parameter som gäller för användning inom forskning och kliniska miljöer ^23.

Elektrisk nervstimulering kan användas i en mängd olika muskelgrupper (t.ex. armbåge flexors, handled flexors, knäextensorerna, plantar flexors). Men gör nerv tillgänglighet förteknik svårt i vissa muskler grupper. De plantar flexor muskler, särskilt triceps surae (soleus och gastrocnemii) muskler, ofta undersökts i litteraturen ^24. I själva verket är dessa muskler involverade i förflyttning, motiverar sitt särskilt intresse. Avståndet mellan stimulerings webbplats och inspelning elektroder möjliggör identifiering av de olika framkallade vågor av triceps surae muskler. Den ytliga delen av den bakre tibialnerven i Poplietallymfknutor fossa och det stora antalet spindlar gör det enklare att spela in reflexsvar jämfört med andra muskler ^24. Av dessa skäl fokuseras för närvarande presenteras reflex metodik på triceps surae grupp av muskler (soleus och gastrocnemius). Syftet med detta protokoll är därför att beskriva perkutan nervstimulering teknik för att undersöka neuromuskulär funktion i triceps surae.

Protocol

De experimentella förfaranden som beskrivs fått Institutionella etiskt godkännande och i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Data samlades in från ett representativt deltagare som var medveten om de förfaranden och gav sitt skriftliga informerade samtycke. 1. Instrument Framställning Rengör huden vid elektroden plats genom rakning, och ta bort smuts med alkohol för att erhålla låg impedans (<5 kQ). Placera två AgCl ytelektroder (inspelning diameter på 1…

Representative Results

Ökande stimulusintensitet leder till en annan utveckling av respons amplituder mellan H- och M-vågor. I vila, H-reflexen når ett maximalt värde innan de helt frånvarande från EMG-signal, medan M våg ökar progressivt tills den når en platå vid maximal intensitet (se figur 4 för en grafisk bild av M-vågen och figur 6 för utvecklingen av M-vågor och H-reflexen med intensitet). För soleusmuskeln, är latensen mellan stimulans debut och M-våg ca 10 ms (figur 4A) och</…

Discussion

Perkutan nervstimulering möjliggör kvantifieringen av talrika egenskaper hos det neuromuskulära systemet, inte bara för att förstå den grundläggande kontroll av neuromotorisk funktion hos friska människor, men också för att kunna analysera akuta eller kroniska anpassningar genom utmattning eller utbildning ^17. Detta är mycket fördelaktigt, särskilt för tröttande protokoll, där mätningar måste utföras så snart som möjligt efter träning slut för att undvika effekterna av snabb återhämtn…

Materials

Biodex dynamometer	Biodex Medical System Inc., New York, USA		www.biodex.com
MP150 Data Acquisition System	Biopac Systems Inc., Goleta, USA
Acknowledge 4.1.0 software	Biopac Systems Inc., Goleta, USA		www.biopac.com
DS7A constant current high voltage stimulator	Digitimer, Hertfordshire, UK		www.digitimer.com
Silver chloride surface electrodes	Control Graphique Medical, Brie-Comte-Robert, France
Computer
1 Cable for connecting the Biodex to the MP150
1 Cable for connecting the Digitimer to the MP150
1 Cable for connecting the MP150 to the computer