中风后下肢肌肉的站立神经生理学评估

摘要

该协议描述了在中风后使用TMS对站立位置的下肢肌肉，胫骨前部和比目鱼进行神经生理学评估的过程。该位置提供了引发卒中后TMS反应的更大概率，并允许在神经生理学评估期间使用降低的刺激器功率。

摘要

经颅磁刺激（TMS）是一种常用工具，用于测量健康和神经受损人群中运动回路的行为。TMS广泛用于研究运动控制和对上肢神经康复的反应。然而，TMS在下肢姿势和行走特异性运动控制的研究中应用较少。下肢TMS评估的有限使用和额外的方法学挑战导致文献中下肢TMS程序缺乏一致性。受记录下肢TMS运动诱发电位（MEP）能力下降的启发，该方法报告详细介绍了在站立姿势下进行卒中后TMS评估的步骤。站立姿势允许激活神经肌肉系统，反映出更类似于姿势和步行任务期间系统状态的状态。使用双顶力板，我们指示参与者在他们的假肢和非假肢之间平均分配他们的重量。提供了参与者体重分布的视觉反馈。使用图像引导软件，我们通过双锥线圈将单个TMS脉冲传递到参与者的病变和非病变半球，并测量了假性和非假性胫骨前肌和比目鱼肌的皮质运动反应。在站立位置进行评估可提高TMS反应率，并允许使用与标准坐姿/休息姿势相比较低的刺激强度。当姿势和步态障碍的神经康复令人感兴趣时，使用该TMS方案可以提供一种通用方法来评估卒中后下肢皮质运动反应。

引言

经颅磁刺激（TMS）是一种用于测量神经回路行为的仪器。大多数TMS研究的重点是运动控制/表现的研究是在上肢进行的。上肢和下肢检查之间的不平衡部分是由于测量下肢皮质运动反应（CMR）的额外挑战。其中一些方法障碍包括运动皮层内下肢肌肉的较小皮质表征以及相对于头皮的更深位置^1。在神经损伤人群中，还存在其他障碍。例如，大约一半的卒中后个体在下肢肌肉休息时对TMS没有反应^2，3。当患者保持对肌肉的一些意志控制时，甚至可以看到对TMS缺乏反应，表明皮质脊髓束至少部分完整。

缺乏可测量的TMS反应和维持的运动功能导致我们对卒中后姿势和行走特异性运动控制以及神经康复的神经生理学影响的理解下降。然而，卒中后下肢神经生理学评估的一些挑战已被克服。例如，双锥线圈可用于可靠地激活位于半球间裂缝¹深处的下肢运动神经元。双锥线圈产生更大，更强的磁场，比更常用的八字线圈⁴更深入地穿透大脑。可以实施的另一个方法学变化可以提高对TMS的响应性，即在轻微的自愿收缩期间测量CMR^5。通常，这种收缩是在最大自愿关节扭矩或最大肌电图（EMG）肌肉活动的预定水平上进行的。周围神经刺激也可用于引发最大的肌肉反应，并且该反应的记录肌电图可用于设置肌肉的目标自愿激活。

在活动性肌肉收缩期间进行中风后TMS评估在上肢相当普遍，其中等距任务可以模仿功能活动，例如，抓取/握住物体。相反，步行是通过皮质，皮质下和脊髓结构双侧激活多个肌肉群来完成的，并且需要姿势肌激活以抵抗重力的影响。在测量产生等距收缩的孤立肌肉时，这种激活状态可能不会反映出来。以前几项旨在了解姿势和步行特定运动控制的研究在参与者行走^6，7，8和站立^{9，10，11，12，13，14，15}时提供TMS脉冲.在直立位置测量CMR允许激活姿势肌肉和姿势和步态运动控制网络的皮质下成分。迄今为止，尚无任何关于卒中后个体进行长期TMS评估的报告。

本研究提出了一种标准化的方法，建立在现有的文献文献的基础上，即站立TMS方法^{6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，}用于中风后CMR的站立TMS评估。该方法可由研究但不限于姿势缺陷和卒中后行走特异性运动控制的研究小组使用，并建立TMS程序的更大一致性。该方法学调查的目的是确定站立式TMS评估在中风后中度步态障碍患者中是否可行。我们假设在站立位置进行评估将1）增加引发可测量反应（运动诱发电位，MEP）的可能性，以及2）用于进行站立TMS评估的刺激器功率/强度将低于通常进行的坐姿/休息评估。我们相信，该协议的成功完成和广泛使用可能会导致对中风后姿势和行走特异性运动控制的神经生理学方面以及神经康复的影响有更深入的了解。

研究方案

所有程序均由南卡罗来纳医科大学机构审查委员会批准，并符合《赫尔辛基宣言》。

1. 参与者招募

1. 从本地数据库中招募卒中后的个人。在这项实验中，从当地的电子招募数据库中招募了16个人。在某些情况下，参与者被专门招募，因为他们在我们的研究小组进行的先前研究中未能在休息时对TMS做出反应。
   1. 使用以下纳入标准进行本调查:年龄在18-85岁之间的男性和女性，卒中后至少6个月，下肢残余麻痹，并且能够在没有辅助装置的情况下站立10分钟。
   2. 如果参与者有癫痫发作史，服用降低癫痫发作阈值的处方药，有脑损伤和/或中枢神经系统其他疾病的病史，在头部植入装置或金属物体，或有严重的关节炎或骨科疾病限制其被动运动范围，则排除参与者。
      注:参与者的人口统计数据位于 表1中。

研究编号	年龄	月份 中风后	性	比赛	行程类型		中风 半球		高度 （厘米）	重量 （公斤）	自选步行速度（米/秒）	走 援助
1	67	28.7	M	C	脑出血		右		180	74.8	0.61	没有
2	84	55.8	F	C	缺 血性		右		165	68.0	0.94	没有
3	56	262.7	F	C	蛛网膜下腔出血		左		152	59.0	1.29	没有
4	67	141.8	M	C	脑出血		右		180	72.6	0.27	手杖 / AFO
6	48	21.6	M	C	脑出血		右		170	61.2	0.83	没有
7	58	93.9	M	C	急性缺血		左		168	112.5	0.77	四根手杖 / AFO
8	71	55.3	F	机 管 局	急性缺血		左		170	68.0	1.05	没有
9*	65	23.7	M	C	急性缺血		右		178	84.8	-	膝盖支架
10	70	26.6	M	C	急性缺血		左		173	78.9	0.81	没有
12	70	10.0	M	C	急性缺血		左		170	86.2	1.11	没有
13	65	80.6	M	C	急性缺血		右		185	139.7	0.93	手杖/拐杖
14	79	83.0	M	C	急性缺血		右		175	88.5	0.48	甘蔗
15	51	54.4	M	机 管 局	急性缺血		左		178	90.7	1.35	没有
17	65	18.5	M	C	急性缺血		右		170	74.8	0.28	甘蔗
18	63	48.8	F	机 管 局	急性缺血		右		170	83.9	1.12	没有
19	58	25.9	M	C	急性缺血		双		183	88.5	1.10	没有
* 参与者因无法完成所需的评估而被从数据分析中移除
AFO = 踝足矫形器

表1:参与者人口统计数据。

2. 通过电话与参与者进行初步联系，并简要说明测试程序。邀请感兴趣的个人到实验室。
   1. 到达研究设施后，让研究人员向潜在参与者充分解释实验方案。
   2. 当潜在参与者确认他们愿意参加研究时，获得当地机构审查委员会批准的书面知情同意书。

2. 图像引导系统和参与者设置

1. 利用图像引导软件确保在评估期间一致地传递TMS脉冲。
   1. 使用图像引导系统原生的MNI头部模型启动新项目。打开软件，然后选择 新建 MNI 头项目。
   2. 在弹出窗口中，单击 目标 选项卡， 然后单击 配置目标。确定头皮位置直接优于前中央回和外侧距中颌线0.5 cm的位置。
   3. 直观地标识位置后，通过单击" 新建"，然后单击"矩形网格"，添加新的 矩形网格。网格应出现在屏幕上，内侧行应位于中赱状线外侧 0.5 cm 处。
   4. 通过在网格大小框中键入 3 和 5 来调整网格大小。通过在网格间距框中键入内容，将网格间距设置为 10 x 10 mm。选择 光标工具，然后将光标移动到头皮图像。
   5. 按住鼠标按钮旋转头皮图像，以确保所有网格点都接触皮肤。如果栅格点不在头皮上，请通过移动曲率滑块来调整栅格的曲率。
   6. 重复这些步骤，在对半球上放置另一个 3 x 5 网格。
      注意:这可以在参与者入组并到达实验室之前进行。此外，如果可用，可以使用参与者的解剖学 T1 加权图像。有关使用解剖学MRI进行导航的具体细节可以在之前发表的文章¹⁶中找到。
2. 打开软件后，通过选择" 会话 "选项卡，在图像导航软件中启动新会话。
   1. 单击"新建"，然后单击"联机会话"。在下一个窗口中，通过单击在上一节（第 2.1 节）中创建的两个网格，然后选择它们，然后单击"添加"。
   2. 在 IOBox 选项卡的 "TTL 触发器选项" 下，选中"使用开关（切换入）"旁边的框，然后在" 死区时间 "框中输入 0 毫秒。点击顶部的 "下一步 "按钮。目视确保图像引导系统的摄像头处于活动状态。
3. 通过将受试者跟踪器（随图像引导系统一起提供）放在参与者的额头上，开始参与者注册。
   1. 手动调整摄像机以确保参与者跟踪器位于摄像机视野的中间。接下来，单击软件顶部的" 注册 "选项卡。
   2. 将图像引导系统的指针/标记放在配准标志物上:鼻音以及左右耳周点。将指针放在皮肤上时，单击" 下一步 "按钮将参与者的皮肤位置注册到图像引导软件。
   3. 捕获注册标志点后，单击软件窗口顶部的" 缩放 "选项卡。将指针放在参与者头皮的最右边、最左边、最上面、最前面和最后面的位置。
   4. 单击每个位置的" 下一步 "按钮，将图像引导系统缩放到参与者的头部。缩放完成后，单击软件顶部的" 执行 "选项卡。图像引导系统现已准备就绪。

3. 表面肌电图准备和设置

1. 准备参与者的胫骨前（TA）和比目镜（SOL）肌肉用于表面肌电图（sEMG）电极。为了使皮肤为sEMG做好准备，请使用酒精垫清洁该区域，如有必要，请使用一次性安全剃须刀去除任何头发。根据SENIAM指南¹⁷放置sEMG一次性凝胶电极。
   注意:TA的传感器位置是腓骨尖端和内踝尖之间线的1/3。对于 SOL，将感测器置于股骨内侧髁髁与内踝之间的线的 2/3 处。
2. 连接电极后，目视检查信号的质量。然后，继续用弹性绷带包裹戒圈，以尽量减少电极的任何移动和测试过程中产生的伪影。
   注:在TMS脉冲传递前0.1秒开始，在0.5秒的窗口中以5000 Hz记录sEMG信号。收集的确切采样频率和数据量将取决于用于记录sEMG对TMS响应的硬件和软件。有关建立EMG记录和分析的详细信息，请参见Tangisi等人^。

4. 力板和参与者安全设置

1. 打开数据收集软件并开始新的试验以校准双顶力板。
   1. 单击 "开始" 并开始 FP Zero 试用。在测力板上无负载的情况下收集 3-5 秒的数据，然后单击" 停止"。
   2. 一旦测力板被校准，参与者已经注册到图像引导系统（第2.2节），并且已经放置了sEMG电极并测试了信号质量（第3节），指示参与者站立并用安全带安装它们。
   3. 让参与者踩在测力板上，并用预先应用于测力板的遮蔽胶带来标准化他们的脚部位置，以表示脚和脚的内侧边缘与中线的距离相等的位置。
   4. 将参与者的安全带连接到天花板支架上。在测力板周围放置一个滚动器或类似装置，以便在需要时为参与者提供在测试期间稳定自己的东西。
      注意:确保在所有站立式TMS程序中，参与者通过安全带固定在天花板上，以防止跌倒。
2. 当参与者站在测力板上时，通过单击" 开始 "并选择 FP静态 试验来测量并收集参与者的体重。记录 2-5 秒的数据，然后单击" 停止 "结束试用。
   1. 站在测力板上时，确保数据收集软件显示两个条形图，表示每个参与者脚下的重量/力（图1A）。当参与者将体重转移到一侧时，条形图的高度将发生变化（图1B）。
   2. 如果参与者将腿上的重物卸到手臂上，请确保条形图显示的颜色变（图1C）。当参与者站立舒适，双腿之间分布着相等的重量后，可以开始测量CMR。

图1:在站立TMS评估期间提供给参与者的视觉反馈的代表性图像（A）显示了参与者站立时给予他们的视觉反馈，他们的体重平均分布在假肢和非假肢之间。竖线表示测力板的每个区域测量的力量。实心水平线代表测量的垂直力范围，以确保下肢的体重负荷，如果参与者需要用提供的手部支撑来稳定自己，则不要通过手臂。如果参与者的体重向一侧移动超过5%，竖线会改变颜色，以通知参与者向卸载的一侧倾斜，如（B）所示。如果参与者从腿上装载/卸载超过+/- 5%的体重，背景屏幕颜色将发生变化，如（C）所示。请点击此处查看此图的放大版本。

5. 站立式皮质运动反应评估

1. 通过确定产生一致运动诱发电位 （MEP） 的刺激强度（即肌电信号振幅> 50 μV）和/或活动肌、目标 TA 和 SOL 肌肉中可见的皮质信号周期，开始神经生理学评估。
   注:使用双锥线圈传递所有TMS脉冲，电流在前向后方向通过线圈。仅当参与者在其假肢和非假肢之间保持相等的重量分布时，才应用TMS脉冲，如上一节（第4.2节）中提到的视觉反馈/条形图所示。
   1. 首先通过将TMS脉冲应用于病变的半球来测试假肢。首先通过转动输出控制旋钮，将TMS刺激器功率电平设置为最大刺激器输出的50%（%MSO）。按下刺激器上的触发按钮，将50%MSO的单个脉冲施加到位于纵向裂缝正下方的中间网格点上。应用 2-3 个脉冲，间刺激间隔为 5-10 秒。
      注意:如果参与者在 50% MSO 时显示响应，请跳到第 5.2 节并开始识别热点。
   2. 如果在 TA 和 SOL 中未出现响应，则通过转动输出控制旋钮将刺激器功率增加 10% MSO，并像步骤 5.1.1 中那样提供 2-3 个 TMS 脉冲。
   3. 如果在将刺激器增加到60%MSO后没有看到任何反应，则再次将功率增加10%MSO。如果在 70% 的 MSO 下未引发任何 MEP，请随机选择多个网格点并应用 TMS 脉冲以确定在当前功率设置下是否存在响应。
   4. 如果在当前 70% MSO 的任何网格点未记录响应，请返回初始目标网格点着陆点，继续以 10% MSO 的增量增加刺激器功率，并如前所述应用 2-3 次刺激。
      注意:重复此过程，直到从目标肌肉记录到可靠的反应，或者直到确定参与者对TMS没有反应。并非所有参与者都会对TMS产生可衡量的反应。
2. 一旦确定了产生一致响应的刺激器功率，就开始识别热点，即对施加的TMS脉冲产生最大响应的头皮位置。
   1. 通过单击" 开始 "并选择"热点"来启动新的 热点试用版。对 15 个网格点中的每一个施加单脉冲刺激，以达到前面步骤中确定的超阈值功率水平。使用图像引导系统，将线圈移动到第一个网格点。
   2. 线圈处于正确位置后，按下刺激器单元上的触发按钮，按下TMS脉冲。接下来，将线圈移动到下一个网格位置，并施加另一个TMS脉冲。继续，直到对每个网格点施加了单个刺激，然后单击" 停止 "以结束试用。
   3. 检查在每个网格点记录的 sEMG 信号的振幅。直观地识别每个目标肌肉中记录在 sEMG 信号中具有最大 MEP 振幅的网格点。具有最大MEP振幅的网格位置是热点，将在以下部分中用于测量皮质运动反应。
      注意:在某些情况下，单个网格位置可能为 TA 和 SOL 提供最大的 MEP 振幅。在这些情况下，分别确定每块肌肉的运动阈值。
3. 接下来，使用简单的自适应参数估计通过顺序测试（PEST）确定目标肌肉的运动阈值^19，20。
   1. 打开 PEST 程序，并将初始刺激器强度设置为用于通过在框中键入值来标识热点的超阈值值。
   2. 通过单击数据收集软件中的" 开始 "选项卡，然后选择 "PEST"，开始新的 PEST 试用。
   3. 将单个TMS脉冲应用于已识别的目标肌肉的热点，其初始%MSO强度在PEST程序中显示。在PEST程序中，通过键入y或n来指示在肌肉的SEMG信号中观察到反应。PEST 程序将自动计算下一个刺激强度。
   4. 调整刺激器的功率电平以匹配PEST程序，并应用另一个TMS脉冲。继续此过程，直到 PEST 程序确定电机阈值（由刺激强度的颜色变化指示），然后单击" 停止 "选项卡结束数据收集试验。
      注意:PEST程序使用免费提供的程序，该程序指示连续脉冲使用多少刺激器功率。其中一个PEST程序可以在这里找到:（https://www.clinicalresearcher.org/software.htm）。
4. 确定目标肌肉的热点和运动阈值后，开始CMR评估。将刺激器的强度设置为确定的运动阈值的 120%。
   1. 通过单击" 开始 "选项卡并在数据收集软件中启动新试用版，然后选择一个 MEP 试用版。将线圈放在肌肉的热点上，并施加10-20次单脉冲刺激。
   2. 每次刺激之间允许5-10秒。记录诱发的 sEMG 响应以进行离线分析。允许参与者随意休息，并在测试程序之间留出足够的时间，以减少参与者出现疲劳的可能性，这可能会影响结果。
   3. 记录 MEP 后单击" 停止 "选项卡以结束试用。
      注意:处理TMS线圈的研究人员应确保参与者在应用任何TMS脉冲之前在每条腿下具有相等的重量分布。如果研究者认为在参与者的体重分布不均匀的情况下应用了刺激，则进行额外的刺激，并将先前的试验排除在将来的分析之外。在停产肌肉后立即测试非瘫痪肌肉。 图2 显示了常设TMS评估期间的实验设置。

图2:在站立位置测量皮质运动反应（CMR）期间拍摄的图像。 图像引导系统和收集的sEMG活动在数据收集期间显示给研究人员，如位于图像左侧的监视器所示。在参与者的前面和稍微右侧提供了重量分布的视觉反馈。参与者穿着安全带，该安全带连接到天花板上，以防止站在双顶力板上时跌倒。为参与者的手臂提供支持，以帮助参与者在应用TMS脉冲后稳定自己。 请点击此处查看此图的放大版本。

6. 坐姿皮质运动反应评估

1. 完成站立式TMS评估后，以静息/坐姿重新测量运动阈值和CMR。
   1. 使用前面描述的相同过程（第 5.2-5.4 节）。唯一的变化是参与者应该坐在椅子上，双腿支撑，肌肉放松。
   2. 在站立评估（第5.2节）中，在坐姿中使用相同的热点。以与站立姿势相同的方式进行神经生理学测试，但使用静息/坐姿运动阈值120%的刺激强度除外。
      注意:可能需要使用先前确定的刺激器功率执行其他测试。例如，如果对不同姿势位置的MEP振幅进行比较，则可能需要使用类似的绝对刺激器功率。这将取决于手头的研究问题，应该在研究设计过程中确定。

7. 统计方法

1. 为了测试站立将导致唤起可测量响应的概率增加的假设，请构建一个2 x 2表，并使用McNemar的测试²¹来测试比例。
2. 要比较电机阈值的功率水平，请对在两个位置都有可测量反应的参与者使用配对 t检验。确定显著性，alpha = 0.05。

结果

一名参与者由于先前存在的膝关节疼痛和到达研究实验室之前收到的糖尿病伤口而无法耐受站立的TMS程序而被从分析中删除，最终样本量为15。糖尿病伤口直接位于TA上方，并排除了该肌肉的任何sEMG测量。在坐位或站立TMS程序期间，没有向研究者报告重大不良事件。报告了几种轻微的不良事件，例如颈部肌肉疼痛和轻微头痛。然而，这些小事件是在测试结束时报告的，目前尚不清楚坐姿或站立程?...

讨论

实验方案被大多数参与者很好地耐受。一名患者由于先前存在的继发于糖尿病并发症的褥疮溃疡和涉及先前存在的膝关节疼痛的骨科问题而无法完成站立性TMS评估。从腿部装载/卸载体重的量是最小的。然而，平均而言，在应用TMS脉冲期间测量的下向力略大。这可能是由于线圈的重量和调查人员施加的向下压力，以确保头皮/头部和TMS线圈之间有足够的接触。与静态试验相比，TMS程序中捕获的体重?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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