Стоячая нейрофизиологическая оценка мышц нижних конечностей после инсульта
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.
Protocol
Representative Results
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 ко?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
