Stående nevrofysiologisk vurdering av nedre ekstremitetsmuskler etter hjerneslag
Summary
Denne protokollen beskriver prosessen for å utføre en nevrofysiologisk vurdering av de nedre ekstremitetsmusklene, tibialis fremre og soleus, i stående stilling ved hjelp av TMS hos personer etter hjerneslag. Denne posisjonen gir større sannsynlighet for å fremkalle en TMS-respons etter hjerneslag og muliggjør bruk av redusert stimulatorkraft under nevrofysiologiske vurderinger.
Abstract
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er et vanlig verktøy som brukes til å måle oppførselen til motorkretser i sunne og nevrologisk svekkede populasjoner. TMS brukes mye til å studere motorstyring og responsen på nevrorehabilitering av øvre ekstremiteter. TMS har imidlertid blitt mindre brukt i studiet av postural og gangspesifikk motorstyring med lavere ekstremitet. Den begrensede bruken og de ekstra metodiske utfordringene ved TMS-vurderinger med lavere ekstremitet har bidratt til mangel på konsistens i TMS-prosedyrer med lavere ekstremiteter i litteraturen. Inspirert av den reduserte evnen til å registrere TMS-motor med lavere ekstremitet fremkalte potensialer (MEP), beskriver denne metodologiske rapporten trinn for å muliggjøre TMS-vurderinger etter hjerneslag i en stående holdning. Den stående holdningen gjør det mulig å aktivere det nevromuskulære systemet, noe som reflekterer en tilstand som er mer lik systemets tilstand under posturale og gåoppgaver. Ved hjelp av to-topp kraftplater instruerte vi deltakerne om å fordele vekten likt mellom deres paretiske og ikke-paretiske ben. Det ble gitt visuelle tilbakemeldinger på deltakernes vektfordeling. Ved hjelp av bildeveiledningsprogramvare leverte vi enkle TMS-pulser via en dobbel kjeglespole til deltakernes lesjonerte og ikke-lesjonerte halvkule og målte den kortikomotoriske responsen til paretiske og ikke-paretiske tibialis fremre og soleusmuskler. Å gjøre vurderinger i stående stilling økte TMS-responsraten og tillot bruk av lavere stimuleringsintensiteter sammenlignet med standard sitte-/hvilestilling. Utnyttelse av denne TMS-protokollen kan gi en felles tilnærming for å vurdere kortikomotorisk respons etter hjerneslag når nevrorehabilitering av posturale og ganghemminger er av interesse.
Introduction
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er et instrument som brukes til å måle oppførselen til nevrale kretser. De fleste TMS-undersøkelser med fokus på studiet av motorstyring/ytelse er utført i øvre ekstremiteter. Ubalansen mellom de øvre og nedre ekstremitetsstudiene skyldes blant annet de ekstra utfordringene med å måle kortikomotorisk respons (CMR) med lavere ekstremitet. Noen av disse metodologiske hindringene inkluderer de mindre kortikale representasjonene av de nedre ekstremitetsmusklene i motor cortex og den dypere plasseringen av representasjonene i forhold til hodebunnen1. I populasjoner med nevrologisk skade er det også flere hindringer til stede. For eksempel viser omtrent halvparten av individene etter hjerneslag ingen respons på TMS i ro i nedre ekstremitetsmuskler2,3. Mangelen på post-stroke respons på TMS er selv sett når pasienter opprettholde noen volitional kontroll av musklene, noe som indikerer minst en delvis intakt kortikospinal kanal.
Mangelen på målbare TMS-responser med vedlikeholdt motorisk funksjon bidrar til vår reduserte forståelse av postural og gangspesifikk motorstyring og nevrofysiologiske effekter av nevrorehabilitering. Imidlertid er noen av utfordringene med lavere ekstremitet etter hjerneslag nevrofysiologiske vurderinger blitt overvunnet. For eksempel kan en dobbel-kjegle spole brukes til pålitelig å aktivere nedre ekstremitet motoneuroner som ligger dypt i interhemispheric fissure1. Dobbeltkjeglespolen produserer et større og sterkere magnetfelt som trenger dypere inn i hjernen enn den mer brukte figuren av åtte spole4. En annen metodologisk endring som kan implementeres for å øke responsen på TMS, måler CMR under en liten frivillig sammentrekning5. Generelt utføres denne sammentrekningen på et forhåndsbestemt nivå av enten maksimalt frivillig felles dreiemoment eller maksimal elektromyografisk (EMG) muskelaktivitet. Perifer nervestimulering kan også brukes til å fremkalle en maksimal muskelrespons, og den registrerte EMG av denne responsen kan brukes til å sette målrettet frivillig aktivering av muskelen.
Å utføre TMS-vurdering etter hjerneslag under aktiv muskelkontraksjon er ganske vanlig i de øvre ekstremitetene der isometriske oppgaver kan etterligne funksjonelle aktiviteter, for eksempel å gripe / holde objekter. I motsetning oppnås turgåing gjennom bilateral aktivering av flere muskelgrupper via kortikale, subkortiske og ryggmargsstrukturer og krever postural muskelaktivering for å motstå effekten av tyngdekraften. Denne aktiveringstilstanden gjenspeiles sannsynligvis ikke når du måler isolerte muskler som produserer en isometrisk sammentrekning. Flere tidligere studier rettet mot å forstå postural og gangspesifikk motorstyring har levert TMS-pulser mens deltakerne gikk6,7,8 ogstående 9,10,11,12,13,14,15 . Målingen av CMR i oppreist stilling gjør det mulig å aktivere posturale muskler og subkortiske komponenter i posturale og gangmotorstyringsnettverk. Til dags dato har det ikke vært noen rapporter om å utføre stående TMS-vurderinger hos enkeltpersoner etter hjerneslag.
Denne studien foreslår en standardisert metodikk, bygget på den eksisterende litteraturen av stående TMS-metoder6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, for stående TMS-vurdering av CMR etter hjerneslag. Denne metodikken kan benyttes av forskningsgrupper som studerer, men ikke begrenset til, posturale underskudd og gangspesifikk motorisk kontroll etter hjerneslag og etablerer større konsistens av TMS-prosedyrer. Hensikten med denne metodologiske undersøkelsen var å avgjøre om stående TMS-vurderinger er gjennomførbare hos personer etter hjerneslag med moderate ganghemminger. Vi antok at å utføre vurderinger i stående stilling ville 1) øke sannsynligheten for å fremkalle en målbar respons (motorindusert potensial, MEP) og 2) at stimulatorkraften / intensiteten som brukes til å utføre stående TMS-vurderinger, ville være lavere enn for de vanligvis utførte sitte- / hvilevurderingene. Vi tror at vellykket gjennomføring og utbredt bruk av denne protokollen kan føre til en større forståelse av de nevrofysiologiske aspektene ved postural postural og gangspesifikk motorisk kontroll og effekten av nevrorehabilitering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den eksperimentelle protokollen ble godt tolerert av de fleste deltakerne. En person var ikke i stand til å fullføre den stående TMS-evalueringen på grunn av eksisterende decubitus sår sekundært til diabetiske komplikasjoner og ortopediske problemer som involverer eksisterende knesmerter. Mengden lasting / lossing av kroppsvekt fra beina var minimal. Imidlertid var det i gjennomsnitt en litt større nedadgående kraft målt under påføring av TMS-pulsene. Dette skyldes sannsynligvis vekten av spolen og det nedadg?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å anerkjenne Mr. Brian Cence og Mrs. Alyssa Chestnut for deres bidrag til deltakerrekruttering og datainnsamling.
Støtten til dette prosjektet ble delvis gitt av en teknisk utviklingspris fra NIH National Center for Neuromodulation for Rehabilitation (NM4R) (HD086844) og av Veteran’s Affairs Rehabilitation Research and Development Career Development Award 1 (RX003126) og Merit Award (RX002665).
Innholdet i denne rapporten representerer ikke synspunktene til det amerikanske veterandepartementet, US National Institutes of Health eller USAs regjering.
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).
