导航经颅磁刺激踝关节脊椎通路的双边评价

摘要

本协议描述了使用单脉冲经颅磁刺激和神经导航在休息和补体自愿激活过程中对胫骨前部和单索的皮质细胞反应的同时双边评估系统。

摘要

远端腿部肌肉通过皮质脊髓道接收来自运动皮质区域的神经输入, 皮质脊髓道是人类运动下降的主要途径之一, 可以使用经颅磁刺激 (tms) 进行评估。考虑到远端腿部肌肉在直立姿势和动态任务 (如行走) 中的作用, 在过去十年中, 人们对相对于这些肌肉的功能的皮质边缘区域的评估和调节产生了越来越大的研究兴趣。然而, 以往工作中使用的方法参数因研究而异, 因此对横断面和纵向研究结果的解释不那么有力。因此, 使用专门用于评估腿部肌肉皮质反应 (cmr) 的标准化 tms 协议, 将可以直接比较不同研究和队列的结果。本文的目的是提出一个协议, 提供了一个灵活的同时评估双侧 cmr 的两个主要踝关节拮抗肌肉, 胫骨前肌和单索, 使用单脉冲 tms 与神经导航系统。本协议适用于被检查的肌肉完全放松或等距收缩在最大等距自愿收缩的规定百分比。使用每个对象的结构 mri 与神经导航系统, 确保准确和准确地定位线圈在腿皮质表示在评估过程中。鉴于 cmr 衍生度量值的不一致, 该协议还描述了使用自动算法对这些度量值进行标准化计算的方法。虽然这种协议不是在直立的姿势或动态任务中进行的, 但它可以用来双边评估任何一对腿部肌肉, 无论是对抗的还是协同的, 在神经完整和受损的对象。

引言

胫骨前部 (ta) 和单侧肌 (sol) 分别位于小腿前、后室。两种肌肉均为单关节, 而 ta 和 sol 的主要功能分别是背侧和扁平关节, 分别^为1。此外, ta 是更有效的长肌肉出游和不太重要的力量生产, 而 sol 是一个反重力肌肉设计产生高力与肌肉2的小偏移^.在直立的姿势和动态任务 (如步行)^{3, 4 时}, 两种肌肉尤其重要。关于神经控制, 两个肌肉的摩托车池通过运动下降路径^{5, 6,以及}不同程度的感觉驱动从大脑接受神经驱动。

主要运动下降途径是皮质脊髓道, 它起源于原发、前运动和辅助运动区域, 并在脊髓运动神经元池^7,8终止。在人类中, 可以利用经颅磁刺激 (tms) (一种非侵入性脑刺激工具 9^,10) 来评估这一通道的功能状态。自 tms 引入以来, 并考虑到其在直立姿势任务和行走过程中的功能意义, 对 ta 和 sol 的 cmr 进行了不同队列和任务^{11、12、13、14的}评估. ^{,15,16,17,18,19,20,}21^{, 22,23 , 24、25、26、27、28、29}、^30、31、32.

与上肢肌肉33中 cmr^的评估不同, 目前还没有建立通用的 tms 协议来评估下肢肌肉中的 cmr。由于缺乏既定的协议和以前研究的方法差异很大 (例如,线圈的类型、神经导航的使用、补体激活水平、测试方面和肌肉、cmr 措施的使用和计算等)。), 对研究和队列中结果的解释可能是繁琐、复杂和不准确的。由于这些措施在功能上与各种运动任务相关, 针对下肢 cmr 评估的既定 tms 协议将使运动神经科学家和康复科学家能够系统地评估这些肌肉中的 cmr。会议和各种队列。

因此, 本协议的目的是描述使用单脉冲 tms 和神经导航系统对 ta 和 sol cmr 的双边评估。与以往的工作不同, 该协议旨在最大限度地提高实验程序、数据采集和数据分析的严谨性, 方法要素优化实验的有效性和持续时间, 并使 cmr 标准化评估这两个下肢肌肉。鉴于肌肉的 cmr 取决于肌肉是否完全放松或部分激活, 该协议描述了如何在休息和补体自愿激活 (tonic) 期间评估 ta 和 sol cmr。以下各节将全面介绍本议定书。最后, 将介绍和讨论具有代表性的数据。这里所描述的议定书来自 charalambous等人的议定书, 2018年^32.

研究方案

本议定书中提出的所有试验程序都已得到地方机构审查委员会的批准, 并符合《赫尔辛基宣言》。

1. 同意流程和安全问卷

1. 在任何实验之前, 向每个科目解释研究的目的、主要实验程序以及与参与研究有关的任何潜在风险因素。在回答主体可能有的任何问题或关切后, 要求主体承认同意程序, 并签署知情同意书。
2. 管理 mri³⁴和 tms^35份安全检查问卷, 以确保研究对象的安全和 mri 和 tms 测试的资格。将所有不符合所有安全标准的受试者排除在 mri 和 tms 评估之外。

2. mri 与神经导航系统的制备

1. 在 tms 评估之前管理 mri 评估³²。让被试躺在仰卧的位置, 膝盖下有一个垫子, 以确保舒适的姿势。指示研究对象在扫描仪中保持静止。
   1. 为受试者提供耳罩, 以减轻扫描仪的噪音。由于在神经导航系统中使用双侧超悲剧凹槽进行主题图像登记, 因此优先使用耳塞在耳罩上 (见 5.2)。
   2. 获取高分辨率 t-1 加权解剖大脑图像 (最低要求: 1 毫米切片厚度和全大脑和小脑覆盖), 可以作为 nfti 或 dicom 文件。确保鼻子完全包含在图像中, 因为在神经导航系统中使用主体的鼻尖进行主题图像配准 (见 5.2)。
2. 将 mri 文件上传到神经导航系统。手动将每个主体的 mri 与前、后腔进行手动注册, 因此可以使用蒙特利尔神经研究所的地图集绘制主体的 mri 图集。
   1. 通过分别调整颅骨和脑组织周围的边界框, 重建皮肤和全曲线大脑模型。使用皮肤模型识别四个解剖地标 (鼻尖、鼻梁、右耳和左耳的超悲剧凹槽) (见图 1a)。
   2. 使用重建的曲线大脑在每个半球的腿部运动皮层区域上放置一个矩形网格 (见图 1 b)。将网格的中心行放置在腿部运动皮质区域的中心和回, 在那里神经运动池的皮质脊髓区域发源 36.将网格的内柱平行且与同侧半球的内壁相邻。
   3. 使用基于 cor一丝的方法, 在这种方法中, 方向错误对刺激站点³⁷的影响可以忽略不计, 而不是使用基于头皮的目标方法, 在这种方法中, 任何方向错误都可以改变刺激站点。使用此网格查找热点。对于电机映射, 请使用较大的网格, 方法是添加更多的点和/或增加点之间的距离 (例如, 10 毫米)。

3. 科目准备和安置

1. 利用共4个表面 emg 电极, 用单脉冲 tms 测量电生理反应。对于电极的准备和放置, 在主体处于站立位置时, 使用已公布的指南^38、39和完整的放置。
   1. 准备每个电极通过剃须和使用酒精棉签轻轻去角质任何死皮细胞和油的区域。
      注意: 对于血液稀释剂的受试者 (例如中风后的人), 在皮肤准备过程中要小心, 因为有可能出血。
   2. 在 ta 上双边连接电极。在站立的位置时, 要求受试者将脚趾向上抬起, 然后将电极放在腓骨头和内侧小腿之间线的上三分之一 (即,肌肉腹部立即侧向胫骨顶部)。
   3. 在 sol 上双侧连接电极。在站立的位置, 要求受试进行脚跟隆起, 然后将电极放置在股外侧尖锐湿疣和外侧小腿之间线的下三分之一。
   4. 将地面参考无源电极连接在膝盖骨或侧侧小腿上。根据 emg 采集单元的不同, 通过双边或单边放置接地电极。
2. 测试电极的位置和信号的质量。
   1. 测试电极的位置 (例如,清晰的视觉检测 emg 爆发), 要求受试者以直立的姿势进行背侧弯曲或植物弯曲, 同时在电脑屏幕上显示所有肌肉的原始 emg 信号。在电极放错位置的情况下, 取出并更换电极, 直到在视觉上可以检测到 emg 突发事件, 背景噪声最小。在检测电机响应 (> 50μv) 时, 适当的信噪比至关重要。
   2. 测试信号的质量 (例如,基线噪声), 在 tms 线圈远离坐姿和肌肉休息时, 多次放电 tms 单元。检查每个 emg 通道的基线信号是否接近零 (即峰值峰值振幅应小于 50μv, 并且没有基线噪声, 如50或 60 hz 电源线嗡嗡声)。如果通道中存在基线噪声, 请取出相应的电极并重复皮肤制备过程。如果噪声仍然存在 (即峰值到峰值振幅 > 50μv), 请调整参考电极的位置并更换电解质凝胶。
3. 使用光泡沫预包装胶带固定所有电极。在整个实验过程中, 定期进行检查, 以确保电极牢固地连接, 并确保信号具有良好的质量。
4. 把标的放在椅子上。为了确保双脚在实验对象之间的一致放置, 在步行靴 (即脚踝足矫形器) 中固定双脚, 使脚踝 rom 被调整到特定位置, 并在 tva 测试期间提供阻力。调整臀部和膝盖的角度, 以避免主题不适。指导实验对象在整个实验过程中保持静止。如果有的话, 在 tms 应用过程中, 使用连接在椅子上的额头休息, 以保持主体静止。

4. tva 测试

1. 双侧确定每个肌肉的最大自愿等距收缩 (mvic)。对于每个动作 (即背屈和足肌), 指示受试者在被试坐姿坐姿时, 最大限度地收缩对侧检查肌肉 (例如,右 ta) 4次 (约5次收缩, 休息 60秒)上述。
2. 计算过去三项试验中每个 mvic 期间的最大肌肉活动值 (即围绕最大校正和平滑 emg 中心的 100 ms 窗口内的平均值)、三个值的平均值和每个肌肉平均值的15±5%mvic。
   注意: 可以使用更大的 mvic, 但在临床队列中可能不可行 (例如,中风后的人)。

5. 在神经导航系统中注册

1. 将主体跟踪器 (头带或眼镜) 放置在被刺激半球的另一侧的主体头部, 使跟踪器在刺激每个网格点时不会阻塞线圈的定位。
   注意: 在使用头带的情况下, 请确保头带在主体的头部上舒适, 但不要过度紧, 因为长时间后可能会引起头痛。
2. 通过将拍摄对象跟踪器、指针和线圈跟踪器放置在其捕获音量空间中, 验证运动捕捉相机的正确位置。通过将指针的尖端放在4个解剖土地上执行主题图像注册 (参见图 1a)。
3. 对所有解剖地标进行采样后, 通过将指针尖端放在主体头骨上方的几个点 (即验证阶段) 上, 验证是否准确地进行了注册。如果从指针尖端到重建皮肤的距离小于3毫米, 请进行 tms 实验;否则, 重复主题图像配准, 直到获得所需的错误值。在实验过程中, 如果主题跟踪器意外移动, 则重复注册。

6. tms

1. 在休息和 tva 期间使用相同的方法参数。
   1. 在被检查肌肉的最佳部位 (即热点; 有关更多详细信息, 请参阅下一段) 上应用单脉冲刺激。每5-10 随机应用每个刺激, 以避免刺激预期, 并最大限度地减少以前的脉冲对随后的一个⁴⁰的结转影响。
   2. 如果同时使用两个 tms 单元, 请将这些单元设置为标准或同步模式⁴¹。标准模式比单个单元应用较弱的脉冲, 而同时模式应用比单个单元更强的脉冲。这两种方法的使用都可以基于协议的需要和刺激的总数。
   3. 使用双锥线圈诱导后前颅电流。如有必要, 使用神经导航系统手动控制线圈, 并在每次刺激前纠正其相对于所需的受激点的位置。
   4. 在不同的会话和主题中, 随机随机选择被检查的肌肉和半球的顺序。在休息状态后, 请务必管理 tva 条件, 以避免在休息时进行测试时出现任何干扰 (例如,由于 tva 测试导致下降路径疲劳)。
2. 双边确定两个肌肉的热点。
   1. 通过在半球裂隙旁边的中心点上应用单个刺激, 找出将在热点狩猎时使用的超临界强度 (参见图 1 b中的蓝色和红色方块)。使用这个点, 因为它位于腿部运动区^36,42的位置。
   2. 在低强度下启动 (例如,最大30% 的刺激器输出;mso), 并逐渐增加 tms 强度5% 的增量, 直到达到的强度, 引发电机诱发电位 (mep) 的峰值振幅大于50μv 的所有对侧检查肌肉连续3次刺激。
   3. 在每次刺激后立即确定是否根据所有被检查的肌肉的原始波形和峰值到峰值振幅 (搜索窗口: tms 发病后20-60 毫秒) 获得了 mep。
   4. 在网格的每个点上应用一个 tms 脉冲 (共36个刺激)。热点协议完成后, 将电子表格中所有对侧肌肉的每个点的振幅和延迟值进行传输, 并将振幅从高到低、延迟从低到高进行排序。确定对侧 ta 和 sol 的热点为网格中振幅最大、延迟最短43的位置^.
      注意: 如果最大振幅和最短延迟不在同一位置, 请使用最大振幅定义热点。
3. 双侧确定每个肌肉的静息运动阈值 (rmt)。
   1. 在神经导航系统中选择与被检查的肌肉热点相对应的网格点。
   2. 采用自适应阈值搜索方法对被检查的肌肉⁴⁴进行 rmt 测定。将初始强度和步长分别设置为45和 6% mso 32.运行 rmt 狩猎两次为每个肌肉, 并使用平均值进行后续的 cmr 评估。
4. 在休息期间评估双边 ta 和 sol cmr。
   1. 在神经导航系统中选择与被检查的肌肉热点相对应的网格点。在被检查的肌肉 1.2 rmt 下应用10个单 tms 脉冲。
   2. 在每次刺激之前, 指示受试保持静止, 并双边放松检查的肌肉, 并使用显示在计算机屏幕上的实时视觉反馈来监测所有肌肉的活动。如果 tms 之前或之后任何肌肉处于活动状态, 请放弃该试验, 并应用额外的单个脉冲。重复, 直到10个波形的每个对侧检查肌肉在休息已收集。
5. 在 tva 期间对 ta 和 sol cmr 进行双边评估。
   1. 在神经导航系统中选择与被检查的肌肉热点相对应的网格点。
   2. 要求受试者将被检查的肌肉收缩在15±5% 的 mvic, 并在 1.2 rmt 应用10个单一的 tms 脉冲。指示受试者将被检查肌肉 (ta 或 sol) 的平滑移动线 (根平均平方振幅为 0.165秒) 保持在两个水平光标 (mvic 范围: 15±5%) 内并将这种收缩维持在这一水平几秒钟。
   3. 当 ta 是被检查的肌肉时, 要求受试者稍微向上拉对侧腿上的战利品 (即,腿与被检查的肌肉对侧刺激半球)。当 sol 是被检查的肌肉时, 要求受试者对侧腿上的靴子稍微向下推。
   4. 使用电脑屏幕上的实时视觉反馈显示, 监测活动肌肉和剩余静息肌肉的肌肉活动。放弃刺激, 再次应用额外的单一脉冲, 以防被检查的肌肉活动低于或高于预定的范围或任何其他肌肉被激活。收集10项试验, 而检查的肌肉被激活在预定的范围。

7. 数据分析

1. 对于除 rmt 以外的所有 cmr 度量值, 计算所有肌肉的每个 mep 扫描的每个度量值 (总持续时间应至少为500毫秒, 刺激前至少100毫秒), 然后将这10个值平均以获得一个值 (即,,意思)³²。振幅和皮质静默期 (csp) 是 cmr 的代用可激发性度量, 而延迟是 cmr 的代理连接度量。对于休息和 tva, 相对于每个主体的身高, 使延迟正常化, 因为潜伏期受距离的影响, 到被检查的肌肉⁴⁵。
2. 计算休息期间的 mep 振幅和延迟。
   1. 计算来自原始 emg 的振幅 (μv) 作为 mep 正负峰 (即峰值到峰值) 之间的最大差异。对于这两个特殊的肌肉, 在 tms 发病后20-60 毫秒的时间范围内寻找峰值到峰值。
      注意: 尽管20-60 毫秒的 mep 搜索窗口可能适用于神经完整的主体和中风后的人, 但其他神经人群 (如多发性硬化症) 可能需要更宽的 mep 搜索窗口 (例如 20-60毫秒)。
   2. 计算从整流 emg 的延迟 (ms) 作为 tms 开始和 mep 开始之间的时间 (即, 当校正后的 emg 跟踪首次越过预定的阈值的时间-平均加上三个标准偏差的100毫秒刺激 emg)^32,46岁
3. 计算 tva 期间的 mep 振幅、延迟和 csp。
   1. 计算来自原始 emg 的振幅 (μv) 作为 mep 正负峰 (即峰值到峰值) 之间的最大差异。对于这两个特殊的肌肉, 在 tms 发病后20-60 毫秒的时间范围内寻找峰值到峰值。
   2. 计算整流 emg 的潜伏期 (ms) 为 tms 开始和 mep 开始之间的时间。
      1. 计算 tva 中的 mep 发病量与在静止中不同。通过查找校正后的 emg 跟踪超过预定阈值设置到100毫秒前刺激平均 emg 水平的两个时间点来计算 mep 的起始和偏移量。然后, 找到至少大于刺激前 emg 加三个标准偏差的平均值的峰值, 以及这两个时间点之间的峰值。然后, 在该峰值之前的第一个峰值到50个数据点 (采样率为 5000 hz), 该峰值的校正后的 emg 跟踪首次越过平均刺激前 emg 的阈值。将该时间定义为 mep 开始³²。
   3. 计算来自整流 emg 的 csp (ms) 作为 mep 偏移量和 emg 恢复之间的时间 (即绝对 csp: 排除 mep 持续时间)⁴⁷。在该峰值后, 从最后一个峰值搜索到200个数据点 (采样率为 5000 hz), 该时间校正后, 整流的 emg 跟踪最后一次越过平均刺激前 emg 的阈值;将该时间定义为 mep 偏移量。然后, 计算基线 emg 的恢复, 即校正后的 emg 跟踪最后一次跨越平均刺激前 emg 32 的25% 的时间.

结果

图 2-4显示了一位具有代表性的神经完整的31岁男性的数据, 身高和体重分别为178厘米和83公斤。

图 2显示了每个踝关节肌肉的双侧热点和 rmt。利用位于每个半球腿部区域中心的位置 (参见图 1 b 中的正方形), 45% mso 的强度被双边用于热点狩猎。每个肌肉的热点位置在半球之间不同, 但不出所料, 这四个热点都位于腿部运动皮质区域。这一发现...

讨论

鉴于人们对运动皮层如何在不同队列的动态任务中对腿部肌肉的运动控制产生了兴趣, 因此需要一个标准化的 tms 协议来描述对这些肌肉的彻底评估。因此, 本协议首次提供了标准化的方法程序, 用于在两个肌肉状态 (休息和 tva) 中使用带有神经导航的单脉冲 tms 对两个踝关节对抗肌肉 (sol 和 ta) 进行双边评估。

代表性成果部分所述的调查结果指出了应考虑的几个关键步骤。首先...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
2 Magstim stimulators (Bistim module)	The Magstim Company Limited; Whitland, UK		Used to elicit bilateral motor evoked potentials in tibialis anterior and soleus muscles.
Adaptive parameter estimation by sequential testing (PEST) for TMS	http://www.clinicalresearcher.org/software.htm		Used to determine motor thresholds.
Amplifier	Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA	MA-300	Used to amplify EMG data.
Data Aqcuisition Unit	Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA	Micro 1401	Used to aqcuire EMG data.
Double cone coil	The Magstim Company Limited; Whitland, UK	PN: 9902AP	Used to elicit bilateral motor evoked potentials in tibialis anterior and soleus muscles.
Polaris	Northen Digital Inc.; Waterloo, Ontario, Canada		Used to track the reflectiive markers located on subject tracker and coil tracker.
Signal	Cambridge Electronics Design Limited; Cambridge, UK	version 6	Used to collect motor evoked potentials during rest and TVA.
Single double differential surface EMG electrodes	Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA	MA-411	Used to record EMG signals.
TMS Frameless Stereotaxy Neuronavigation Sytem	Brainsight 3, Rouge Research, Montreal, Canada		Used to navigate coil position during TMS assessment.
Walker boot	Mountainside Medical Equipment, Marcy, NY		Used to stabilize ankle joint.