Stående neurofysiologisk vurdering af nedre ekstremitetsmuskler efter slagtilfælde
Summary
Denne protokol beskriver processen for at udføre en neurofysiologisk vurdering af de nedre ekstremitetsmuskler, skinneben forreste og soleus, i stående stilling ved hjælp af TMS hos mennesker efter slagtilfælde. Denne position giver en større sandsynlighed for at fremkalde en post-stroke TMS respons og giver mulighed for brug af reduceret stimulator magt under neurofysiologiske vurderinger.
Abstract
Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er et almindeligt værktøj, der bruges til at måle adfærden af motorkredsløb i sunde og neurologisk svækkede populationer. TMS anvendes i vid udstrækning til at studere motorisk kontrol og reaktionen på neurorehabilitering af de øvre ekstremiteter. Men, TMS har været mindre udnyttet i undersøgelsen af lavere ekstremitet postural og walking-specifikke motor kontrol. Den begrænsede anvendelse og de yderligere metodiske udfordringer i forbindelse med TMS-vurderinger af underekstremitet har bidraget til den manglende sammenhæng i TMS-procedurerne i underekstremitet i litteraturen. Inspireret af den reducerede evne til at registrere lavere ekstremitet TMS motor fremkaldte potentialer (MEP), denne metodiske rapport detaljer skridt til at muliggøre post-stroke TMS vurderinger i en stående stilling. Den stående kropsholdning giver mulighed for aktivering af det neuromuskulære system, der afspejler en tilstand, der er mere beslægtet med systemets tilstand under posturale og gå-opgaver. Ved hjælp af dual-top kraft plader, instruerede vi deltagerne til lige dele deres vægt mellem deres paretic og ikke-paretiske ben. Der blev givet visuel feedback på deltagernes vægtfordeling. Ved hjælp af billedvejledningssoftware leverede vi enkelt TMS-impulser via en dobbelt keglespole til deltagernes læsionerede og ikke-læsionerede halvkugler og målte den kortikomotoriske respons fra de paretiske og ikke-paretiske skinnebensfori og soleus muskler. Udførelse af vurderinger i stående stilling øgede TMS-responsraten og gjorde det muligt at anvende de lavere stimuleringsintensiteter sammenlignet med standard siddende/hvilepositionen. Udnyttelse af denne TMS-protokol kan give en fælles tilgang til at vurdere den nedre ekstremitet kortikomotoriske respons efter slagtilfælde, når neurorehabilitering af posturale og ganglige funktionsnedsættelser er af interesse.
Introduction
Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er et instrument, der anvendes til at måle adfærd neurale kredsløb. De fleste TMS-undersøgelser med fokus på undersøgelse af motorstyring/ydeevne er blevet gennemført i de øvre ekstremiteter. Ubalancen mellem de øvre og nedre ekstremitetsundersøgelser skyldes til dels de yderligere udfordringer med at måle den nedre ekstremitetskorticomotoriske respons (CMR). Nogle af disse metodiske forhindringer omfatter de mindre kortikale repræsentationer af de nedre ekstremitetsmuskler i motorbarken og den dybere placering af repræsentationerne i forhold til hovedbunden1. I populationer med neurologisk skade er der også yderligere forhindringer. For eksempel viser ca. halvdelen af individerne efter slagtilfælde ingen reaktion på TMS i hvile i nedre ekstremitetsmuskler2,3. Manglen på post-stroke respons på TMS ses endda, når patienterne opretholder en vis viljekontrol af musklerne, hvilket indikerer mindst en delvist intakt korticospinal tarmkanalen.
Manglen på målbare TMS-reaktioner med vedligeholdt motorisk funktion bidrager til vores reducerede forståelse af postural og gangspecifik motorisk kontrol efter slagtilfælde og neurofysiologiske virkninger af neurorehabilitering. Men, nogle af udfordringerne ved lavere ekstremitet post-stroke neurofysiologiske vurderinger er blevet overvundet. For eksempel kan en dobbelt keglespole bruges til pålideligt at aktivere de nedre ekstremitets motoneuroner placeret dybt i den interhemisfæriske revne1. Den dobbelte kegle spole producerer et større og stærkere magnetfelt, der trænger dybere ind i hjernen end den mere almindeligt anvendte figur-of-otte spole4. En anden metodologisk ændring , der kan implementeres for at øge reaktionsevnen over for TMS, er måling af CMR under en lille frivillig sammentrækning5. Generelt udføres denne sammentrækning på et forudbestemt niveau af enten maksimalt frivilligt ledmoment eller maksimal elektromyografisk (EMG) muskelaktivitet. Perifer nerve stimulation kan også bruges til at fremkalde en maksimal muskel respons og den registrerede EMG af dette svar kan bruges til at indstille den målrettede frivillige aktivering af musklen.
Udførelse af TMS-vurdering efter slagtilfælde under aktiv muskelsammentrækning er ret almindelig i de øvre ekstremiteter, hvor isometriske opgaver kan efterligne funktionelle aktiviteter, for eksempel at gribe / holde objekter. I modsætning hertil, walking opnås gennem bilateral aktivering af flere muskelgrupper via kortikale, subkortikale, og rygmarvsstrukturer og kræver postural muskel aktivering til at modstå virkningerne af tyngdekraften. Denne aktiveringstilstand afspejles sandsynligvis ikke ved måling af isolerede muskler, der producerer en isometrisk sammentrækning. Flere tidligere undersøgelser rettet mod at forstå postural og gangspecifik motorstyring har leveret TMSpulser,mens deltagerne gik6,7,8 og stående9,10,11,12,13,14,15 . Målingen af CMR i opretstående stilling giver mulighed for aktivering af posturale muskler og subkortikale komponenter i posturale og ganglige motor-kontrol netværk. Til dato har der ikke været nogen rapporter om at udføre stående TMS-vurderinger hos enkeltpersoner efter slagtilfælde.
Denne undersøgelse foreslår en standardiseret metode, bygget på den eksisterende litteratur af stående TMS metoder6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, for stående TMS vurdering af CMR efter slagtilfælde. Denne metode kan anvendes af forskergrupper, der studerer, men ikke begrænset til, posturale underskud og gang-specifikke motoriske kontrol efter slagtilfælde og etablere større sammenhæng i TMS procedurer. Formålet med denne metodiske undersøgelse var at afgøre, om stående TMS-vurderinger er mulige hos personer efter slagtilfælde med moderate gangbesvær. Vi hypotese, at udføre vurderinger i stående stilling ville 1) øge sandsynligheden for at fremkalde en målbar respons (motor fremkaldt potentiale, MEP) og 2), at stimulator magt / intensitet, der anvendes til at udføre stående TMS vurderinger ville være lavere end for de normalt udførte siddende / hvile vurderinger. Vi mener, at en vellykket færdiggørelse og udbredt brug af denne protokol kan føre til en større forståelse af de neurofysiologiske aspekter af postural og gangspecifik motorisk kontrol efter slagtilfælde og virkningerne af neurorehabilitering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den eksperimentelle protokol blev veltolereret af de fleste deltagere. En person var ude af stand til at fuldføre den stående TMS evaluering på grund af allerede eksisterende decubitus sår sekundært til diabetiske komplikationer og ortopædiske problemer, der involverer allerede eksisterende knæsmerter. Mængden af lastning / losning af kropsvægt fra benene var minimal. Der var dog i gennemsnit en lidt større nedadgående kraft målt under anvendelsen af TMS-pulserne. Dette skyldes sandsynligvis spolens vægt og …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende Mr. Brian Cence og Mrs. Alyssa Chestnut for deres bidrag til deltager rekruttering og dataindsamling.
Finansieringen af dette projekt blev dels ydet af en Technical Development Award fra NIH National Center for Neuromodulation for Rehabilitation (NM4R) (HD086844) og af Veteran’s Affairs Rehabilitation Research and Development Career Development Award 1 (RX003126) og Merit Award (RX002665).
Indholdet af denne rapport repræsenterer ikke synspunkterne fra det amerikanske ministerium for veterananliggender, U.S. National Institutes of Health eller den amerikanske regering.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- 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, 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. Neuroscienze. 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. Standards of instrumentation of EMG. Clinical Neurophysiology. 131 (1), 243-258 (2020).
- 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).
