Name: bilateral assessment of the corticospinal pathways of the ankle muscles using navigated transcranial magnetic stimulation
Uploaded: 2019-02-19T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation at JoVE.com

作者感谢 jesse c. dean 博士帮助方法的发展, 并提供了对手稿草稿的反馈。这项工作得到了 va 职业发展奖-2 rr & d n077-w (mgb) 的支持, 该奖项是国家卫生研究院国家普通医学研究所的机构发展奖, 赠款号为 p20-gm1090 (sak) 和 P2CHD086844 (sak)。内容并不代表退伍军人事务部或美国政府的意见。

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
<ol><li>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。</li>
	<li>管理 mri34和 tms35份</...

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...

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.

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

bilateral assessment of the corticospinal pathways of the ankle muscles using navigated transcranial magnetic stimulation

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。

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...

Watch this Scientific Journal Video about Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation at JoVE.com

Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation

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。

导航经颅磁刺激踝关节脊椎通路的双边评价

Distal leg muscles receive neural input from motor cortical areas via the corticospinal tract, which is one of the main motor descending pathway in humans ...

该协议是至关重要的，因为它标准化的方法与一个非常困难的任务，检测运动诱发的电位在近下肢肌肉。这种技术的主要优点是，它巩固了与下肢刺激相关的文献，通常只关注前肢刺激，并使用各种技术。我们已经在神经健康个体以及中风患者中研究了这项技术。然而，该技术的重要性是标准化下肢评估。该技术允许我们有机会识别我们在步态中对电机控制的理解差距，并重新审视不允许控制干扰因素的研究。展示这个程序的将是约翰·金德博士，博士后学者，和布赖恩·塞森斯，一个研究协调员，两个来自我们的研究实验室。首先将主体的MRI文件上传到神经导航系统中。然后，手动将 MRI 共同注册到前部和后部，以便使用蒙特利尔神经研究所阿特拉斯。接下来，通过调整头骨和脑组织周围的边界框，重建皮肤和全曲线脑模型。使用皮肤模型识别四个解剖地标，包括鼻子尖、鼻塞和左右耳的超前切口。现在，在每个半球的腿马达区域上放置一个矩形网格。将网格的中心行定位在腿部运动皮质区域的陀螺上。然后，将网格的中线柱平行放置，并毗邻半球的中层壁。此网格将用于查找热点。对于电机映射，请使用更大的网格，通过添加更多点或根据需要增加点之间的距离。当主体处于站立位置时，执行电极的位置。首先，准备每个电极被放置在的区域，首先剃须，然后用酒精拭子轻轻去角质任何死皮细胞和油。接下来，要求主体向上抬起其趾，然后将电极放在纤维头和中端马勒卢斯之间的线的上三分之一处。这样做双边放置在头骨前。现在，将电极双边地连接到横向鞋底。要求主体抬起脚跟，然后将电极放在胃部肌肉腹部下方的横向股骨和横向肌肉之间的下三分之一处。此外，根据使用的 EMG 采集单元，将接地参考无源电极双边或横向马勒醇上或单边连接。测试电极的位置，要求对象以直立姿势弯曲脚踝，同时显示计算机屏幕上测试的所有肌肉的原始 EMG 信号。如果电极放错位置，请将其拆下并更换，直到看到具有最小背景噪声的可检测到的 EMG 突发。然后，当主体坐在休息的肌肉上时，在线圈远离主体时，通过释放几个 TMS 脉冲来测试信号质量。该技术中最关键的一步是验证 EMG 信号是否尽可能消除噪声。如果未能充分做到这一点，数据分析将极其困难。接下来，检查每个 EMG 通道的基线信号是否接近于零。如果通道中存在噪音，请拆下相应的电极并重复皮肤制备过程。如果噪音仍然存在，请调整参考电极的位置并更换电解质凝胶。一旦确认良好的信号，使用轻泡沫预包装胶带包住所有电极，以固定到位，并减少 EMG 的运动伪影。现在，将主体放在椅子上，为了确保在主体之间保持一致的双脚放置，将双脚固定在步行靴中，使脚踝的运动范围调整到特定位置，并在补品自愿动作时提供阻力。此外，调整臀部和膝盖的角度，以避免主体不适，并指示主体在整个实验中保持静止。开始补品自愿激活测试，首先确定每个肌肉的最大的自愿等轴收缩双边。对于每个动作，指示主体最大收缩的反向检查肌肉四次。接下来，通过将拍摄跟踪器、指针和线圈跟踪器放在其捕获音量空间中，验证运动捕获摄像机的位置。然后，通过将指针的尖端放在四个解剖地标上来执行主题图像注册。现在，确定两个肌肉的两个肌肉的热点双边。首先，通过对半球间裂变旁边的中心点应用单个刺激来查找超常强度。接下来，从低强度开始，逐渐增加 TMS 强度 5% 的增量，直到达到一种强度，该强度会激发一个运动诱发的电位，在所有反向检查的肌肉或三个连续的刺激中，峰值振幅大于 50 微伏，或连续三次刺激，并重复每个肌肉。在网格的每个点上应用一个 TMS 脉冲。然后，在电子表格中转移所有反向肌肉的每个点的振幅值，并按高到低的振幅进行排序。将反向头骨前部和单侧肌肉的热点问题确定为网格中振幅最大且延迟最短的位置。选择神经导航系统中对应于肌肉热点之一的网格点。接下来，将初始强度和步进大小设置为 45 和 6% 的最大刺激器输出。然后，使用自适应阈值寻线方法进行静点电机阈值确定。对每块肌肉做两次，使用平均值进行太阳精皮质运动反应评估。现在，要评估休息期间的双边皮质运动反应，选择与检查肌肉热点对应的神经导航系统中的网格点。在每次刺激之前，指示对象保持静止，并双边放松检查的肌肉，并使用实时视觉反馈监控所有肌肉的活动。在检查肌肉的休息运动阈值的120%下应用10个单一的TMS脉冲。如果任何肌肉在 TMS 之前或之后活动，请放弃该试验并应用额外的单脉冲。重复这一点，直到每个反向检查肌肉在休息的10个波形已经收集。接下来，评估皮质运动反应在补品自愿激活双边。选择在休息条件下使用的神经导航系统中相同的网格点。要求受试者以大约 15% 的最大肌肉活动值收缩检查的肌肉，并在休息运动阈值的 120% 下应用 10 个单 TMS 脉冲。要求他们在两个水平光标内保持检查肌肉的平滑移动线，并在该水平上保持收缩几秒钟。当头骨前是检查的肌肉时，要求受试者稍微拉上靴子带，以刺激半球。当鞋底是检查的肌肉时，要求受试者稍微向下推对反向腿部的靴子。使用实时视觉反馈监控活跃和休息肌肉的肌肉活动。如果检查的肌肉的活动低于或高于预定范围，或者如果任何其他肌肉被激活，请丢弃刺激并应用额外的单脉冲。收集10个试验，而检查的肌肉在预定范围内激活。这个数字显示了双边头骨前和鞋底热点。在这里，条形图表示每个肌肉两个评估的均等静动阈值，而下面的值表示应用的刺激数。虚线指示用于热点狩猎的强度。此图显示了在休息期间刺激其热点时，头骨前和鞋底的双边反应。显示了每种肌肉的双边E姆格平均波形。如果存在电机激发电位，则显示峰值到峰值振幅和延迟的值。在这里，我们看到双边反应时，热点在补品自愿行动期间受到刺激。收集双边肌肉的EG，同时检查的反向肌肉被激活约15%的最大自愿等轴收缩。可以进行其他分析，以帮助回答有关中风后皮质脊髓的问题，因为协议中的数据是双边收集在激动剂和对手肌肉群中。研究继续使用这种技术来确定多种因素对皮质运动反应的个体贡献，以增加我们对行走运动控制的整体理解。应当指出，由于高磁场，存在一些风险因素，在手术前，筛选对象应对此进行解释。

Research

JoVE Journal

Neuroscience

A Novel Approach for Documenting Phosphenes Induced by Transcranial Magnetic Stimulation

一个新颖的方法记录经颅磁刺激诱发幻视

Stimulation of the human visual cortex produces a transient perception of light, known as a phosphene. Phosphenes are induced by invasive electrical ...

科研

神经科学

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

结合经颅磁刺激和功能磁共振成像检查默认模式网络

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

Electrode Positioning and Montage in Transcranial Direct Current Stimulation

经颅直接电流刺激电极定位和蒙太奇

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a technique that has been intensively investigated in the past decade as this method offers a ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

磁共振波谱的用途，用于对初级运动皮层新陈代谢双半球经颅电刺激效果的测量工具一

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

Effects of Transcranial Alternating Current Stimulation on the Primary Motor Cortex by Online Combined Approach with Transcranial Magnetic Stimulation

经颅磁刺激在线联合方法对经颅交流电刺激对原发性运动皮层的影响

Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) is a neuromodulatory technique able to act through sinusoidal electrical waveforms in a specific ...

Online Transcranial Magnetic Stimulation Protocol for Measuring Cortical Physiology Associated with Response Inhibition

在线经颅磁刺激测量与反应抑制相关的皮质生理

We describe the development of a reproducible, child-friendly motor response inhibition task suitable for online Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) ...

Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex

侧前额叶皮质联合经颅磁刺激与脑电图的研究

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method that produces neural excitation in the cortex by means of brief, time-varying magnetic ...

Stimulation Location Determination using a 3D Digitizer with High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation

使用具有高清晰度颅内直接电流刺激的 3D 数字化仪确定刺激位置

The abundance of neuroimaging data and rapid development of machine learning has made it possible to investigate brain activation patterns. However, ...

Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

利用颅内磁刺激测量和操纵人体运动系统中功能特定的神经通路

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...