Diese Arbeit wurde zum Teil durch einen Zuschuss aus dem Osteopathic Heritage Foundations zu BC Clark finanziert. Wir möchten Staat ein besonderes Dankeschön an Marissa McGinley für ihre Unterstützung bei der Schaffung von vielen der Figur Grafiken.

1. Einzel-und Paired-Pulse TMS des FCR und ES Muskeln <ol><li> Grundlegende Sicherheitshinweise: Vor der Durchführung TMS auf ein menschliches Subjekt ist es notwendig, erste Bildschirm sie für grundlegende Sicherheitsvorkehrungen, wie es um die Exposition gegenüber einem magnetischen Feld bezieht. In unserem Labor haben wir folgen der Screening-Richtlinien her durch das Institut für Magnetresonanz-Sicherheit, Bildung und Forschung 10 gesetzt. In unserem Labor haben wir auch routinemäßig auszuschließen Personen mit einer Familiengeschichte von epileptischen Anfällen. Zudem benötigen wir von Patienten unter TMS der ES Muskeln Ohrstöpsel und ein Mundschutz wegen der weniger Brennweite und stärkere Stimulation Intensitäten tragen. </li><li> Elektrische Recordings: Um TMS Antworten im motorischen System ist es notwendig, elektromyographische (EMG) Signale von Skelettmuskeln aufnehmen zu untersuchen. Für den FCR Muskel legen wir Oberflächenelektroden am Unterarm mit einer bipolaren Elektroden-Anordnung in Längsrichtung über t gelegener Muskel auf rasiert und beanspruchter Haut, wie wir zuvor 7,11 beschrieben. Für die Rückenstrecker verwenden wir eine ähnliche Elektroden-Anordnung in Längsrichtung über die Muskeln an der L3-L5-Ebene auf rasiert und beanspruchter Haut 8 befindet. </li><li> TMS-Spule Orientierung: Um überwiegend aktivieren kortikospinalen Neuronen transsynaptically ist es notwendig, die TMS-Spule entsprechend 12 Positionen. Für den FCR Muskeln legen wir eine 70-mm figure-of-eight TMS-Spule tangential auf die Kopfhaut und 45-Grad zur Mittellinie, so dass der induzierte Strom fließt in eine seitliche-posterior medial-ventral. Für die ES Muskeln benutzen wir ein Doppel-Kegel Spule, die größere Eindringtiefe hat und durch die Darstellung dieser Muskeln wird tiefer in die Homunculus benötigt. Hier ist die Spule so positioniert, dass der Strom fließt in eine vordere Richtung posterior. Wir haben unsere Spule mit einem Laser-Befestigungssystem speziell modifiziert, um uns in s unterstützenubsequent Re-Positionierung des Doppelkegel-Spule. </li><li> Identifizieren &#39;Hotspot&#39;: Es ist notwendig, um die Stimulation Lage, dass der größte motorisch evozierte Potenzial entlockt zu bestimmen. Für den FCR Muskel wir tun dies, indem subtil bewegten die TMS-Spule um in sehr kleinen Schritten und festzustellen, wo wir die größten motorisch evozierte Potential Amplitude zu beobachten. Sobald sich bemerken wir diesen Bereich mit wasserfester Tinte entweder auf der Kopfhaut oder ein Lycra-Mütze. TMS der ES Muskeln ist wesentlich unbequemer zu menschlichen Probanden als TMS der oberen Extremität Muskeln. Dementsprechend haben wir gestrafft TMS-Protokoll für die ES Muskeln, es ist die Verträglichkeit und Machbarkeit zu erhöhen. Hier wird anstelle der Lokalisierung der &quot;Hotspot&quot; verwenden wir anthropometrische Messungen auf den Scheitelpunkt des Schädels zu erkennen. Insbesondere identifizieren wir die Vertex-als Schnittpunkt des Schädels in der sagittalen (zwischen den nasinon und Inion) und koronalen (zwischen dem Tragus)-Ebenen. </li><li> Biomechanische Positionierung: </strong&gt; In unserem Labor, als wir TMS des FCR Muskeln Themen durchführen werden mit dem Arm ruht in einer ausgefahrenen Stellung in einem Biodex System 4 Dynamometer (Abbildung 2) sitzt. Wir sollten jedoch beachten, dass dies nur ein Beispiel für eine mögliche Set-up für die Messung ausgeübten Kräfte ist. Für die ES Muskeln Probanden werden gebeten, sich mit einer aufrechten Haltung zu sitzen, während ihre Hände ruhen in ihrem Schoß (Abbildung 3). Sie sind in einem Drehgestell Stuhl mit dem Oberschenkel bei 90 ° in Bezug auf den Rumpf, der untere Schenkel bei ~ 45 Sitzen ° gegenüber der Oberschenkel und der Lendenwirbelsäule in einem neutralen posture8. </li><li> Die Quantifizierung der Motor Threshold: Für den FCR, ermitteln wir Motors Schwelle (MT) durch die Bereitstellung einzelner Impulse am allmählich zunehmenden Stimulationsintensität bis motorisch evozierte Potenziale peak-to-Peak-Amplituden größer als 50 Mikrovolt in mehr als 50% der Versuche (Abbildung 4) haben . Zur Straffung der TMS-Protokoll und die Verträglichkeit und Machbarkeit wir nicht bestimmen, Motor Schwelle in der ES Muskeln mit der gleichen Präzision wie beim testen wir die oberen Extremitäten Muskulatur. Vielmehr beginnen wir mit der TMS-Protokoll durch die Bereitstellung einer ersten einzelnen Puls bei 50% der maximalen Stimulator-Ausgang, um festzustellen, ob dies Reizintensität oberhalb oder unterhalb des Motors Schwelle. Wenn ein Abgeordneter auf diesen Reiz zu beobachten ist, wie erkennbar MdEP bezogen auf das Niveau der Hintergrund-Intensität definiert EMG-Intensität auf 40% der Stimulator Ausgang reduziert, um festzustellen, ob dies Reizintensität ist sub-oder supra-Schwelle 8. </li><li> Die Quantifizierung der MEP Amplitude mit Single-Pulse TMS: Um den Motor zu untersuchen evozierte Potentiale Amplitude des FCR liefern wir eine einzelne TMS-Puls auf die &quot;Hotspot&quot; bei einer Intensität von 130% des Motor-Schwelle, und berechnen Sie die Peak-to-Peak-Amplitude . Im Allgemeinen normalisieren wir dieses Ergebnis auf die maximale Verbindung Muskelfaser Aktionspotentials beobachtet folgenden supramaximale elektrische Stimulation des Nervus medianus. Wir sollten beachten, dass die MEP Größe ver. isty abhängig vom Grad der kortikalen Erregbarkeit. Dementsprechend wird, wenn die TMS-Puls während einer Kontraktion Hintergrund geliefert wird, wenn kortikale Erregbarkeit erhöht wird, wird die MEP Größe drastisch zu erhöhen. Für die ES Muskeln, liefern wir einen einzigen TMS-Impuls auf den Scheitelpunkt mit einer Intensität 40 bis 50% über dem Sub-Motor Schwellenintensität 8. Leider, denn periphere Nerven innervieren die Muskeln ES nicht zugänglich sind elektrische Stimulation sind wir nicht in der Lage, diese motorisch evozierte Potenziale, um die Verbindung Muskelfaser Aktionspotential zu normalisieren. </li><li> Die Quantifizierung der Silent Period Dauer mit Single-Pulse TMS: Wenn ein TMS-Puls auf die Hirnrinde während einer Muskelkontraktion wird ausgeliefert wird es eine motorisch evozierte Potenziale elektrischer Ruhe, bevor die Aktivität wieder auf, die von kortikospinalen Hemmung und gemeinhin als die schweigende bezeichnet wird, gefolgt produzieren Zeitraum 13 (Abbildung 5). Zur Quantifizierung der Ruhephase liefern wir einen einzigenTMS-Puls auf die &quot;Hotspot&quot; bei einer Intensität von 130% des Motor-Schwelle während der Studienteilnehmer ist die Durchführung einer Handgelenkflexion Muskelkontraktion bei 15% ihrer Maximalkraft. Wir haben bisher nicht die stille Periodendauer der ES Muskeln quantifiziert, aber wir sollten beachten, dass wir anekdotisch seine Existenz in dieser Muskelgruppe beobachtet, wenn die TMS-Puls-ID geliefert während im Hintergrund Kontraktion. </li><li> Quantifizierung intrakortikale Facilitation mit Paired-Pulse TMS: Wir verwenden paired-Puls TMS intrakortikale Erleichterung 6,7 (Abb. 6 und 7 stellt diese Messung für die FCR-und ES-Muskeln, jeweils) zu quantifizieren. Für den FCR Muskel bestimmen wir zunächst die Reizintensität benötigt, um eine motorisch evozierte Potenziale, zwischen 0,5-1,0 mV ist zu entlocken. Anschließend liefern wir eine unterschwellige Konditionierung Puls-, die in unserem Labor allgemein gesetzt ist gleich 70% der Motor-Schwelle-15-msec vor dem überschwelligen Test Puls. Diese KonditionierungImpuls an diese Zeit vor dem Test Impuls geliefert wird zunehmen, oder zu erleichtern, rief die Amplitude des Motors Potenzial mehr als eine einzige unbedingte Puls der gleichen Intensität. Für die ES Muskelgruppe die Konditionierung Intensität wird die beobachtete sub-Motor Schwellenintensität (entweder 40% oder 50% der Stimulator Output) gesetzt und der Test Intensität wird zu 40% über dem Sub-Motor Schwellenwert (80% gesetzt oder 90% der Stimulator Ausgang) 8. Wir sollten beachten, dass die Intensität der Klimaanlage Impulse je nach Ziel der Studie variiert werden konnte. Ebenso kann die Pulspausen je nach dem Muskel und seine Position relativ zu den Kortex. </li><li> Die Quantifizierung der Short-Interval intrakortikale Inhibition mit Paired-Pulse TMS: Wir verwenden auch paired-Puls TMS kurz-Intervall intrakortikale Inhibition 6,7 (Abb. 6 und 7 stellt diese Messung für die FCR-und ES-Muskeln, jeweils) zu quantifizieren. Hier, sowohl für dieFCR und ES Muskeln sind die Verfahren das gleiche wie für die Messung intrakortikale Erleichterung mit der Ausnahme, dass die Interstimulus Intervall zwischen den beiden Impulsen zu 3 ms reduziert wird beschrieben. Diese Konditionierung Impuls an diese Zeit vor dem Test Impuls geliefert werden sinken, oder zu hemmen, rief die Amplitude des Motors Potenzial mehr als eine einzige unbedingte Puls der gleichen Intensität. </li><li> Die Quantifizierung der Long-Interval intrakortikale Inhibition mit Paired-Pulse TMS: Delivering zwei identische überschwellige Prüfimpulse, die von 100 Millisekunden getrennt sind, können auch verwendet werden, um lang-Intervall intrakortikale Inhibition 6,7 zu bewerten. In diesem Fall für den FCR Muskel-Motor evozierte Potentiale mit dem zweiten Impuls zugeordnet werden kleiner, oder gehemmt mehr, als dass mit dem ersten (Abbildung 8) verbunden ist. Wir haben vorher nicht lange Intervall intrakortikale Inhibition in der ES Muskeln aufgrund von Bedenken hinsichtlich unterliegen Verträglichkeit quantifiziert. </li></ol> 2. Repräsentative Ergebnisse: Im Anschluss an die Lieferung einer überschwelligen TMS-Puls, sollten die Muskeln stimuliert zeigen eine leicht beobachtbare EMG Antwort (MEP) (dargestellt in den Abbildungen 4-8). Die Latenz zwischen dem Beginn des Stimulus und der MEP wird zwischen den Muskelgruppen geprüft variieren, aber für den FCR ist es im Allgemeinen 16-19 ms (Abbildung 6) und für die ES ist 17-22 ms (Abbildung 7, obwohl es sollte darauf hingewiesen, dass in einigen Fächern definitive MEP Einsetzen in die ES Muskeln schwieriger visuell zu identifizieren) ist. Anzumerken ist, dass bei der Prüfung der ES Muskelgruppe mehrere andere Muskelgruppen sind auch sichtbar und dramatisch gleichzeitig (einschließlich der Muskeln der unteren Extremitäten, die in derselben Gegend des Homunculus vertreten sind) stimuliert werden. Bei der Messung der intrakortikale Erleichterung der MEP Amplitude ist in der Regel größer als die mit einem einzigen unbedingten Impuls (F beobachtetBBILDUNG 6 und 7). Allerdings ist es unsere Erfahrung, dass der Grad der Erleichterung zwischen Muskelgruppen variiert mit einigen Muskelgruppen-wie der FCR-zeigt nur bescheidene Erleichterung in vielen Fächern. Für die Messung von kurz-Intervall und lang-Intervall intrakortikale Inhibition eine Abnahme der MEP-Amplitude ist in der Regel im Vergleich zu einem unbedingten Puls der gleichen Intensität (Abbildungen 6-8) beobachtet. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/3387/3387fig1.jpg" /> Abbildung 1. Die grundlegenden Mechanismen der TMS. Die TMS-Spule induziert ein Magnetfeld, das die Kopfhaut eindringt und induziert einen Wirbelstrom im motorischen Kortex. Dieser Wirbelstrom wird dann in der Lage, Nervenzellen im Gehirn zu stimulieren. Abbildung von McGinley und Clark nachgedruckt, In Press 14. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/3387/3387fig2.jpg" /> Abbildung 2. Setup für die Durchführung T<html> MS auf den FCR Muskel. Beachten Sie die Aufnahme von Elektromyogramm (EMG) Signale aus dem Unterarm, und die TMS Paddel über den motorischen Kortex. Wir in der Regel auch aufzeichnen Muskelkraft und Einsatz elektrischer peripheren Nervenstimulation, die maximale Verbindung Muskelfaser Aktionspotential zu erzielen, als dies ist nützlich bei der Interpretation Amplitudenwerte (zB kann man zum Ausdruck bringen und MEP in Bezug auf die maximale Muskel-Reaktion als eine absolute Gegensatz mV-Wert, die stark durch nicht-physiologische Faktoren wie subkutanes Fettgewebe) beeinflusst werden kann. Wiedergabe aus den folgenden: Clark et al. 2008 9, Clark et al., 2010 6 und McGinley et al. 2010 7. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/3387/3387fig3.jpg" /> Abbildung 3. Setup für die Durchführung TMS auf die erector spinale Muskulatur. Abbildung von Goss et al nachgedruckt. 2011 8. _upload/3387/3387fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4. Beispiel des Motors Schwelle Entschlossenheit. Die EMG Spuren stellen die motorisch evozierte Potential (MEP) als Reaktion auf schrittweise Erhöhung Reizstärken (dargestellt als Prozentsatz der Stimulator-Ausgang (SO)). Beachten Sie, dass an der unteren Intensitäten (28-30% des SO) sehr klein Abgeordneten ausgelöst wurden (Sub-Threshold), sondern dass bei 32% SO Mitglied des Europäischen Parlaments wurde ausgelöst, der erreicht Motors Schwelle (in der Regel als Europaabgeordneter mit einem pp Amplitude definiert&gt; 50 uV). Abbildung von McGinley und Clark nachgedruckt, In Press 14. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/3387/3387fig5.jpg" /> . Abbildung 5 TMS während einer Kontraktion: motorisch evozierte Potential und Ruhephase. Die stille Zeit wird beobachtet, wenn ein Thema führt eine leichte Kontraktion und einem Reiz auf die motorischen Kortex angewandt. Der erste Teil der stillen Zeit istaufgrund des Rückenmarks Hemmung und den letzten Teil wird die kortikale Hemmung, speziell GABA B-Rezeptoren zugeschrieben. Es gibt keinen Konsens Weg, um die Dauer der Ruhephase zu quantifizieren, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass entweder die Definition aus Beginn des Stimulus oder MEP Beginn der Rückkehr der freiwilligen Störungen Elektromyogramm Signal ist die zuverlässigste 15. Wiedergabe aus Clark und Quick, 2011 16 und McGinley und Clark, In Press 14. <img alt="Abbildung 6" src="/files/ftp_upload/3387/3387fig6.jpg" /> Abbildung 6. Ändern Sie in motorisch evozierte Potential Größe ith gepaart TMS des FCR Muskel. Messung von kurz-Intervall intrakortikale Inhibition (SICI) und intrakortikale Fazilitation (ICF). Zur Quantifizierung SICI und ICF die Konditionierung Impuls (CP) unter Motor Schwelle gesetzt, und der Test-Impuls (TP) ist auf Mitglieder des Europäischen Parlaments zwischen 0,5-1 mV hervorrufen. Bei kurzen Interstimuluszeiten(ZB 3-ms) die CP hemmt die MEP im Vergleich zu den TP nur (SICI), während bei längeren Interstimuluszeiten (zB 15-msec) ist die MdEP (ICF) erleichtert. CP: Klimaanlage Puls, TP: Testpuls Abbildung von Clark et al nachgedruckt, 2010 6, McGinley et al.. 2010 14, Clark und Quick, 2011 16 und McGinley und Clark, In Press 14. <img alt="Abbildung 7" src="/files/ftp_upload/3387/3387fig7.jpg" /> Abbildung 7. Ändern Sie in motorisch evozierte Potential Größe gepaart mit TMS der ES Muskel. Beispiel EMG Spuren aus der Rückenstrecker und die Messung von kurz-Intervall intrakortikale Inhibition (SICI) und intrakortikale Fazilitation (ICF). Wiedergabe aus Goss et al. 2011 8. <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/3387/3387fig8.jpg" /> Abbildung 8. Veränderungen der motorischen evoked potenzielle Größe gepaart mit TMS. Die Messung der langen Intervall intrakortikale Inhibition (LICI). Zur Quantifizierung LICI zwei Test-Impulse werden in einem Intervall von Interstimulus 100-ms ausgeliefert. Dies führt in der zweiten MEP ist im Vergleich zu den ersten MEP gehemmt. Abbildung von Clark et al nachgedruckt., 2010 6, McGinley et al. 2010 7 und McGinley und Clark, In Press 14.

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Das übergeordnete Ziel dieses Artikels ist es, Wissenschaftler und Kliniker eine visuelle Darstellung unserer Laboratorien der transkraniellen Magnetstimulation bieten. Doch neben der Bereitstellung einer Visualisierung dieser Experimente, unten diskutieren wir grundlegende Fragen, die bei der Durchführung von TMS auf diese Weise einen kurzen Überblick über die Physiologie des TMS Antworten und diskutieren auch unsere Verwendung von TMS in Bezug auf die Nutzung von andere. Allgemeine Proble...

<table border="1"><tbody><tr><th> Name der Ausrüstung </th><th> Firma </th><th> Katalog-Nummer </th><th> Kommentare (optional) </th></tr><tr><td> Transkranielle Magnetstimulation Stimulator 2002 Transkranielle Magnetstimulation Stimulator Bi-STIM2 Figure-Eight-70-mm-Spule Doppelkegel Coil </td><td> Die Magstim Unternehmen </td><td> NA </td><td> TMS Geräte (einschließlich Spulen) </td></tr><tr><td> Biodex System 4 </td><td> Biodex </td><td> NA </td><td> Dynamometer </td></tr><tr><td> Biopac MP150 Data Acquisition System </td><td> Biopac </td><td> MP150WSW </td><td> AD-Wandler für EMG und Kraft </td></tr><tr><td> AcqKnowledge 4.0 Data Akquisition Software </td><td> Biopac </td><td> ACK100W </td><td></td></tr><tr><td> Nikomed Trace 1 EKG-Elektroden </td><td> Nikomed </td><td> 2015 </td><td> EMG-Elektroden </td></tr><tr><td> Constant Current Stimulator </td><td> Digitimer </td><td> DS7A </td><td> Peripheral Nervenstimulator </td></tr></tbody></table>

utilizing transcranial magnetic stimulation to study the human neuromuscular system

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) wird seit mehr als 20 Jahre 1 gewesen, und hat exponentiell in der Popularität in den letzten zehn Jahren gewachsen. Während die Verwendung von TMS hat das Studium der vielen Systeme und Prozesse in dieser Zeit erweitert, umfasst der ursprünglichen Anwendung und vielleicht eine der häufigsten Anwendungen von TMS Studium der Physiologie, Plastizität und Funktion des menschlichen neuromuskulären Systems. Einzel-Puls-TMS an den Motor angelegte Kortex erregt Pyramidenneuronen transsynaptically 2 (Abbildung 1) und führt zu einer messbaren elektromyographischen Reaktion, die zur Untersuchung und Beurteilung der Integrität und Erregbarkeit der kortikospinalen-Darm-Trakt des Menschen 3 kann. Zusätzlich jüngsten Fortschritte in der magnetischen Stimulation ermöglicht nun für die Partitionierung der kortikalen gegen spinale Erregbarkeit 4,5. Zum Beispiel kann paired-Puls TMS verwendet, um intrakortikale fazilitatorischen und hemmenden Eigenschaften beurteilen durch die Kombination von einem Zustand seinIng. Reiz und ein Testreiz an verschiedenen Interstimuluszeiten 3,4,6-8. In diesem Video-Beitrag zeigen wir Ihnen die methodischen und technischen Aspekte dieser Techniken. Insbesondere werden wir zeigen, single-pulse und gepaarte-pulse TMS Techniken wie der flexor carpi radialis (FCR) Muskel-sowie die Rückenstrecker (ES) Muskulatur angewendet. Unsere Laboruntersuchungen der FCR Muskel, wie es von Interesse für unsere Forschung über die Auswirkungen des Handgelenkes Hand gegossen Immobilisierung auf reduzierte Muskelleistung 6,9 ist, und wir untersuchen die ES Muskeln durch diese Muskeln klinische Relevanz, wie es zu Schmerzen im unteren Rücken bezieht 8. Mit dieser angegeben ist, müssen wir beachten, dass TMS benutzt wurde, um viele Muskeln der Hand, Arm und Beinen zu studieren, und wiederholen soll, dass unsere Demonstrationen in der FCR-und ES Muskelgruppen nur einige Beispiele für TMS genutzt, um das menschliche neuromuskuläre Studie ausgewählt Systems.

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Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Tool, um Einblick in die Physiologie und Funktion des menschlichen Nervensystems zu gewinnen. Hier präsentieren wir unsere TMS Techniken zur kortikalen Erregbarkeit der oberen Extremität und lumbalen Muskulatur zu studieren.

Mit Hilfe Transkranielle Magnetstimulation auf die menschliche neuromuskuläre System zu studieren

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade.  While ...

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Research

JoVE Journal

Medicine

26.4K Aufrufe.  Ohio University. Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Tool, um Einblick in die Physiologie und Funktion des menschlichen Nervensystems zu gewinnen. Hier präsentieren wir unsere TMS Techniken zur kortikalen Erregbarkeit der oberen Extremität und lumbalen Muskulatur zu studieren.

Serie: Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System

A Murine Model of Muscle Training by Neuromuscular Electrical Stimulation

Neuromuscular electrical stimulation (NMES) is a common clinical modality that is widely used to restore1, maintain2 or enhance3-5 muscle functional capacity. Transcutaneous surface stimulation of skeletal muscle involves a current flow between a cathode and an anode, thereby inducing excitement of the motor unit and the surrounding muscle fibers. 
NMES is an attractive modality to evaluate skeletal muscle adaptive responses for several reasons. First, it provides a reproducible experimental model in which physiological adaptations, such as myofiber hypertophy and muscle strengthening6, angiogenesis7-9, growth factor secretion9-11, and muscle precursor cell activation12 are well documented. Such physiological responses may be carefully titrated using different parameters of stimulation (for Cochrane review, see 13). In addition, NMES recruits motor units non-selectively, and in a spatially fixed and temporally synchronous manner14, offering the advantage of exerting a treatment effect on all fibers, regardless of fiber type. Although there are specified contraindications to NMES in clinical populations, including peripheral venous disorders or malignancy, for example, NMES is safe and feasible, even for those who are ill and/or bedridden and for populations in which rigorous exercise may be challenging. 
Here, we demonstrate the protocol for adapting commercially available electrodes and performing a NMES protocol using a murine model. This animal model has the advantage of utilizing a clinically available device and providing instant feedback regarding positioning of the electrode to elicit the desired muscle contractile effect. For the purpose of this manuscript, we will describe the protocol for muscle stimulation of the anterior compartment muscles of a mouse hindlimb.

A murine model of neuromuscular electrical stimulation (NMES), a safe and inexpensive clinical modality, to the anterior compartment muscles is described. This model has the advantage of modifying a readily available clinical device for the purpose of eliciting targeted and specific muscle contractions in mice.

Einem Mausmodell der Muscle Training durch neuromuskuläre Elektrostimulation

Neuromuscular electrical stimulation (NMES) is a common clinical modality that is widely used to restore1, maintain2 or enhance3-5 muscle functional ...

Forschung

Medizin

Utilizing Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation to Improve Language Function in Stroke Patients with Chronic Non-fluent Aphasia

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been shown to significantly improve language function in patients with non-fluent aphasia1. In this experiment, we demonstrate the administration of low-frequency repetitive TMS (rTMS) to an optimal stimulation site in the right hemisphere in patients with chronic non-fluent aphasia. A battery of standardized language measures is administered in order to assess baseline performance. Patients are subsequently randomized to either receive real rTMS or initial sham stimulation. Patients in the real stimulation undergo a site-finding phase, comprised of a series of six rTMS sessions administered over five days; stimulation is delivered to a different site in the right frontal lobe during each of these sessions. Each site-finding session consists of 600 pulses of 1 Hz rTMS, preceded and followed by a picture-naming task. By comparing the degree of transient change in naming ability elicited by stimulation of candidate sites, we are able to locate the area of optimal response for each individual patient. We then administer rTMS to this site during the treatment phase. During treatment, patients undergo a total of ten days of stimulation over the span of two weeks; each session is comprised of 20 min of 1 Hz rTMS delivered at 90% resting motor threshold. Stimulation is paired with an fMRI-naming task on the first and last days of treatment. After the treatment phase is complete, the language battery obtained at baseline is repeated two and six months following stimulation in order to identify rTMS-induced changes in performance. The fMRI-naming task is also repeated two and six months following treatment. Patients who are randomized to the sham arm of the study undergo sham site-finding, sham treatment, fMRI-naming studies, and repeat language testing two months after completing sham treatment. Sham patients then cross over into the real stimulation arm, completing real site-finding, real treatment, fMRI, and two- and six-month post-stimulation language testing.

We explore the use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to improve language abilities in patients with chronic stroke and non-fluent aphasia. After identifying a site in the right frontal gyrus for each patient that responds optimally to stimulation, we target this site during ten days of rTMS treatment.

Verwendung Repetitive Transkranielle Magnetstimulation zur Sprache Funktion bei Schlaganfall-Patienten mit chronischer Non-fließend Aphasie verbessern

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been shown to significantly improve language function in patients with non-fluent aphasia1. In this ...

Technique and Considerations in the Use of 4x1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS)

High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) has recently been developed as a noninvasive brain stimulation approach that increases the accuracy of current delivery to the brain by using arrays of smaller "high-definition" electrodes, instead of the larger pad-electrodes of conventional tDCS. Targeting is achieved by energizing electrodes placed in predetermined configurations. One of these is the 4x1-ring configuration. In this approach, a center ring electrode (anode or cathode) overlying the target cortical region is surrounded by four return electrodes, which help circumscribe the area of stimulation. Delivery of 4x1-ring HD-tDCS is capable of inducing significant neurophysiological and clinical effects in both healthy subjects and patients. Furthermore, its tolerability is supported by studies using intensities as high as 2.0 milliamperes for up to twenty minutes.
Even though 4x1 HD-tDCS is simple to perform, correct electrode positioning is important in order to accurately stimulate target cortical regions and exert its neuromodulatory effects. The use of electrodes and hardware that have specifically been tested for HD-tDCS is critical for safety and tolerability. Given that most published studies on 4x1 HD-tDCS have targeted the primary motor cortex (M1), particularly for pain-related outcomes, the purpose of this article is to systematically describe its use for M1 stimulation, as well as the considerations to be taken for safe and effective stimulation. However, the methods outlined here can be adapted for other HD-tDCS configurations and cortical targets.

Technique and Considerations in the Use of 4x1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation HD-tDCS

High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS), with its 4x1-ring montage, is a noninvasive brain stimulation technique that combines both the neuromodulatory effects of conventional tDCS with increased focality. This article provides a systematic demonstration of the use of 4x1 HD-tDCS, and the considerations needed for safe and effective stimulation.

Technik und Überlegungen bei der Verwendung von 4x1 Ring High-Definition-transkranielle Gleichstrom-Stimulation (HD-tDCS)

High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) has recently been developed as a noninvasive brain stimulation approach that increases ...

Using Saccadometry with Deep Brain Stimulation to Study Normal and Pathological Brain Function

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including Parkinson's and Huntington's can disrupt it. People with Parkinson's disease, for example, tend to have increased saccadic latencies. Consequently, the quantitative measurement of saccadic eye movements has received considerable attention as a potential biomarker for neurodegenerative conditions. A lot more can be learned about the brain in both health and disease by observing what happens to eye movements when the function of specific brain areas is perturbed. Deep brain stimulation is a surgical intervention used for the management of a range of neurological conditions including Parkinson's disease, in which stimulating electrodes are placed in specific brain areas including several sites in the basal ganglia. Eye movement measurements can then be made with the stimulator systems both off and on and the results compared. With suitable experimental design, this approach can be used to study the pathophysiology of the disease being treated, the mechanism by which DBS exerts it beneficial effects, and even aspects of normal neurophysiology.

This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.

Mit Saccadometry mit Deep Brain Stimulation Normale und Pathologische Funktion des Gehirns zu studieren

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including ...

Using Retinal Imaging to Study Dementia

The retina offers a unique &#8220;window&#8221; to study pathophysiological processes of dementia in the brain, as it is an extension of the central nervous system (CNS) and shares prominent similarities with the brain in terms of embryological origin, anatomical features and physiological properties.&#160; The vascular and neuronal structure in the retina can now be visualized easily and non-invasively using retinal imaging techniques, including fundus photography and optical coherence tomography (OCT), and quantified semi-automatically using computer-assisted analysis programs. Studying the associations between vascular and neuronal changes in the retina and dementia could improve our understanding of dementia and, potentially, aid in diagnosis and risk assessment.&#160; This protocol aims to describe a method of quantifying and analyzing retinal vasculature and neuronal structure, which are potentially associated with dementia. This protocol also provides examples of retinal changes in subjects with dementia, and discusses technical issues and current limitations of retinal imaging.

The retina shares prominent similarities with the brain and thus represents a unique window to study vasculature and neuronal structure in the brain non-invasively. This protocol describes a method to study dementia using retinal imaging techniques. This method can potentially aid in diagnosis and risk assessment of dementia.

Retinale Bildgebung bei der Demenz zu studieren

The retina offers a unique &#8220;window&#8221; to study pathophysiological processes of dementia in the brain, as it is an extension of the central ...

Surgical Labyrinthectomy of the Rat to Study the Vestibular System

To study the vestibular system or the vestibular compensation process, a number of methods have been developed to cause vestibular damage, including surgical or chemical labyrinthectomy and vestibular neurectomy. Surgical labyrinthectomy is a relatively simple, reliable, and rapid method. Here, we describe the surgical technique for rat labyrinthectomy. A postauricular incision is made under general anesthesia to expose the external auditory canal and the tympanic membrane, after which the tympanic membrane and the ossicles are removed without the stapes. The stapes artery, which is located between the stapes and the oval window, is a vulnerable structure and must be preserved to obtain a clear surgical field. A hole to fenestrate the vestibule is made with a 2.1-mm drill bur superior to the stapes. Then, 100% ethanol is injected through this hole and aspirated several times. Meticulous dissection under a microscope and careful bleeding control are essential to obtain reliable results. Symptoms of vestibular loss, such as nystagmus, head tilting, and a rolling motion, are seen immediately after surgery. The rotarod or rotation chair test can be used to objectively and quantitatively evaluate the vestibular function.

This protocol describes the surgical labyrinthectomy of a rat, which is a useful method for studying the vestibular system.

Chirurgische Labyrinthectomy der Ratte das vestibuläre System untersuchen

To study the vestibular system or the vestibular compensation process, a number of methods have been developed to cause vestibular damage, including ...

Updated Technique for Reliable, Easy, and Tolerated Transcranial Electrical Stimulation Including Transcranial Direct Current Stimulation

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive method of neuromodulation using low-intensity direct electrical currents. This method of brain stimulation presents several potential advantages compared to other techniques, as it is noninvasive, cost-effective, broadly deployable, and well-tolerated provided proper equipment and protocols are administered. Even though tDCS is apparently simple to perform, correct administration of the tDCS session, especially the electrode positioning and preparation, is vital for ensuring reproducibility and tolerability. The electrode positioning and preparation steps are traditionally also the most time consuming and error-prone. To address these challenges, modern tDCS techniques, using fixed-position headgear and pre-assembled sponge electrodes, reduce complexity and setup time while also ensuring that the electrodes are consistently placed as intended. These modern tDCS methods present advantages for research, clinic, and remote-supervised (at home) settings. This article provides a comprehensive step-by-step guide for administering a tDCS session using fixed-position headgear and pre-assembled sponge electrodes. This guide demonstrates tDCS using commonly applied montages intended for motor cortex and dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) stimulation. As described, selection of the head size and montage-specific headgear automates electrode positioning. Fully assembled pre-saturated snap-electrodes are simply affixed to the set position snap-connectors on the headgear. The modern tDCS method is shown to reduce setup time and reduce errors for both novice and expert operators. The methods outlined in this article can be adapted to different applications of tDCS as well as other forms of transcranial electrical stimulation (tES) such as transcranial alternating current stimulation (tACS) and transcranial random noise stimulation (tRNS). However, since tES is application specific, as appropriate, any methods recipe is customized to accommodate subject, indication, environment, and outcome specific features.

When administering transcranial direct current stimulation (tDCS), reproducible electrode preparation and placement are vital for a tolerated and effective session. The purpose of this article is to demonstrate updated modern setup procedures for the administration of tDCS and related transcranial electrical stimulation techniques, such as transcranial alternating current stimulation (tACS).

Aktualisierte Technik für zuverlässige, einfache und tolerierte transkranielle elektrische Stimulation einschließlich transkranieller Gleichstromstimulation

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive method of neuromodulation using low-intensity direct electrical currents. This method of ...

Visualization of Endogenous Mitophagy Complexes In Situ in Human Pancreatic Beta Cells Utilizing Proximity Ligation Assay

Mitophagy is an essential mitochondrial quality control pathway, which is crucial for pancreatic islet beta cell bioenergetics to fuel glucose-stimulated insulin release. Assessment of mitophagy is challenging and often requires genetic reporters or multiple complementary techniques not easily utilized in tissue samples, such as primary human pancreatic islets. Here we demonstrate a robust approach to visualize and quantify formation of key endogenous mitophagy complexes in primary human pancreatic islets. Utilizing the sensitive proximity ligation assay technique to detect interaction of the mitophagy regulators NRDP1 and USP8, we are able to specifically quantify formation of essential mitophagy complexes in situ. By coupling this approach to counterstaining for the transcription factor PDX1, we can quantify mitophagy complexes, and the factors that can impair mitophagy, specifically within beta cells. The methodology we describe overcomes the need for large quantities of cellular extracts required for other protein-protein interaction studies, such as immunoprecipitation (IP) or mass spectrometry, and is ideal for precious human islet&#160;samples generally not available in sufficient quantities for these approaches. Further, this methodology obviates the need for flow sorting techniques to purify beta cells from a heterogeneous islet population for downstream protein applications. Thus, we describe a valuable protocol for visualization of mitophagy highly compatible for use in heterogeneous and limited cell populations.

This protocol outlines a method for quantitative analysis of mitophagy protein complex formation specifically in beta cells from primary human islet samples. This technique thus allows analysis of mitophagy from limited biological material, which are crucial in precious human pancreatic beta cell samples.

Visualisierung von endogenen Mitophagie-Komplexen in Situ in menschlichen Pankreas-Betazellen unter Verwendung von Proximity Ligation Assay

Mitophagy is an essential mitochondrial quality control pathway, which is crucial for pancreatic islet beta cell bioenergetics to fuel glucose-stimulated ...

Study Design for Navigated Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for Speech Cortical Mapping

The cortical areas involved in human speech should be characterized reliably prior to surgery for brain tumors or drug-resistant epilepsy. The functional mapping of language areas for surgical decision-making is usually done invasively by electrical direct cortical stimulation (DCS), which is used to identify the organization of the crucial cortical and subcortical structures within each patient. Accurate preoperative non-invasive mapping aids surgical planning, reduces time, costs, and risks in the operating room, and provides an alternative for patients not suitable for awake craniotomy. Non-invasive imaging methods like MRI, fMRI, MEG, and PET are currently applied in presurgical design and planning. Although anatomical and functional imaging can identify the brain regions involved in speech, they cannot determine whether these regions are critical for speech. Transcranial magnetic stimulation (TMS) non-invasively excites the cortical neuronal populations by means of electric field induction in the brain. When applied in its repetitive mode (rTMS) to stimulate a speech-related cortical site, it can produce speech-related errors analogous to those induced by intraoperative DCS. rTMS combined with neuronavigation (nrTMS) enables neurosurgeons to preoperatively assess where these errors occur and to plan the DCS and the operation to preserve the language function. A detailed protocol is provided here for non-invasive speech cortical mapping (SCM) using nrTMS. The proposed protocol can be modified to best fit the patient- and site-specific demands. It can also be applied to language cortical network studies in healthy subjects or in patients with diseases that are not amenable to surgery.

Navigated repetitive transcranial magnetic stimulation is a highly efficient non-invasive tool for mapping speech-related cortical areas. It helps in designing brain surgery and speeds up the direct cortical stimulation conducted during the surgery. This report describes how to perform speech cortical mapping reliably for preoperative evaluation and research.

Studiendesign für navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation zur sprachkortikalen Kartierung

The cortical areas involved in human speech should be characterized reliably prior to surgery for brain tumors or drug-resistant epilepsy. The functional ...

Verbesserung der Schlaganfallrehabilitation durch Virtual-Reality-basierte Berufsausbildung

Cognitive Function and Upper Limb Rehabilitation Training Post-Stroke Using a Digital Occupational Training System

Stroke rehabilitation often requires frequent and intensive therapy to improve functional recovery. Virtual reality (VR) technology has shown the potential to meet these demands by providing engaging and motivating therapy options. The digital occupational training system is a VR application that utilizes cutting-edge technologies, including multi-touch screens, virtual reality, and human-computer interaction, to offer diverse training techniques for advanced cognitive capacity and hand-eye coordination abilities. The objective of this study was to assess the effectiveness of this program in enhancing cognitive function and upper extremity rehabilitation in stroke patients. The training and assessment consist of five cognitive modules covering perception, attention, memory, logical reasoning, and calculation, along with hand-eye coordination training. This research indicates that after eight weeks of training, the digital occupational training system can significantly improve cognitive function, daily living skills, attention, and self-care abilities in stroke patients. This software can be employed as a time-saving and clinically effective rehabilitation aid to complement traditional one-on-one occupational therapy sessions. In summary, the digital occupational training system shows promise and offers potential financial benefits as a tool to support the functional recovery of stroke patients.

Autor im Rampenlicht: Rehabilitation von Schlaganfallpatienten mit einem digitalen Berufsbildungssystem

The current protocol outlines how the VR-based digital occupational training system enhances the rehabilitation of patients with cognitive impairment and upper limb dysfunction following a stroke.