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

Forfatterne takke Dr. Jesse C. Dean for at hjælpe med metodologiske udvikling og give feedback på et udkast af manuskriptet. Dette arbejde blev støttet af en VA karriere udvikling Award-2 RR & D N0787-W (MGB), en institutionel udvikling Award fra National Institute of General Medical Sciences af NIH under grant nummer P20-GM109040 (SAK) og P2CHD086844 (SAK). Indhold repræsenterer ikke synspunkter Department of veterananliggender eller de Forenede Staters regering.

Alle eksperimentelle procedurer præsenteret i denne protokol er blevet godkendt af de lokale institutionelle Review Board og er i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen.
1. samtykke til proces og sikkerhed spørgeskemaer
<ol><li>Forud for enhver eksperiment, forklare hvert emne aim(s) af undersøgelsen, de vigtigste eksperimentelle procedurer og eventuelle potentielle risikofaktorer forbundet med deltager i undersøgelsen. Efter at besvare eventuelle spørgsmål eller bekymringer, som f...

I betragtning af den spirende interesse i hvordan den motoriske hjernebark bidrager til den motorisk kontrol af benmusklerne under dynamisk opgaver i forskellige kohorter, er et standardiseret TMS-protokollen, der beskriver en grundig vurdering af disse muskler nødvendig. Derfor, for første gang, denne protokol giver standardiserede metodologiske procedurer på bilaterale vurdering af to ankel antagonistiske muskler, SOL og TA, under to muskel stater (resten og TVA) bruger en enkelt puls TMS med neuronavigation.
<p...

Tibialis anterior (TA) og soleus (SOL) er anklen antagonistiske muskler placeret i den forreste og bagerste rum af underbenet, henholdsvis. Begge muskler er uniarticular, mens den vigtigste funktion af TA og SOL er at dorsiflex og plantarflex talocrural fælles, henholdsvis1. Desuden er TA mere funktionel for lang muskel udflugter og mindre vigtigt for kraft produktionen, mens SOL er en antigravitation muskel designet til at generere høje kraft med lille udflugt muskel2. Begge muskler er især relevante under oprejst postural og dynamisk opgaver (fx gående)3,4. Med hensyn til neurale kontrol få motorneuron puljer af begge muskler neurale drive fra hjernen via motoren faldende veje5,6, ud over forskellige grader af sensoriske drev.
Den vigtigste drivkraft faldende vej er den corticospinal tarmkanalen, som stammer fra de primære, premotor og supplerende motor områder og ophører i spinal motorneuron pools7,8. Hos mennesker, kan den funktionelle tilstand af denne tarmkanalen (corticomotor svar - CMR) realistisk vurderes ved hjælp af transkranial magnetisk stimulation (TMS), en ikke-invasiv brain stimulation værktøj9,10. Siden indførelsen af Handelsforanstaltningerne, og da deres funktionelle betydning under oprejst postural opgave og gå er TA CMR og SOL blevet vurderet i forskellige kohorter og opgaver11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .
I modsætning til vurdering af CMR i øvre ekstremiteter muskler33, fastslået ingen universelle TMS protokol blev for vurderingen af CMR i nedre-ekstremitet muskler. På grund af en forud opstillet protokol og den store metodologiske variation på tværs af de tidligere undersøgelser (f.eks. type coil, brug af neuronavigation, tonic aktivering, test side og muskel, bruge og beregning af CMR foranstaltninger, osv. ), fortolkning af resultaterne på tværs af undersøgelser og årgange kan være besværlige, kompliceret og unøjagtige. Da foranstaltningerne, der er funktionelt relevante i forskellige motoriske opgaver, vil en etableret TMS protokol specifikke at sænke ekstremitet CMR vurdering give motor neuroforskere og rehabilitering forskere at systematisk vurdere CMR i disse muskler på tværs af sessioner og forskellige kohorter.
Derfor er formålet med denne protokol til at beskrive den bilaterale vurdering af TA og SOL CMR ved hjælp af fælles puls TMS og neuronavigation system. I modsætning til tidligere arbejde, denne protokol har til formål at maksimere rigor af eksperimentelle procedurer, dataopsamling og analyse af data ved at ansætte metodologiske faktorer, der optimerer gyldighed og varigheden af forsøget, og standardisere CMR vurdering af disse to nedre ekstremiteter muskler. I betragtning af at CMR af en muskel afhænger om musklen er helt afslappet eller aktiveres delvist, beskriver denne protokol hvordan TA og SOL CMR kan vurderes under hvile og tonic frivillig aktivering (TVA). De følgende afsnit vil grundigt beskriver denne protokol. Endelig, repræsentative data præsenteres og diskuteres. Protokollen beskrevet her er afledt af der i Charalambous et al. 201832.

<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

Distale benmusklerne modtage neurale input fra motor kortikale områder via den corticospinal tarmkanalen, som er en af de vigtigste motor faldende pathway i mennesker og kan vurderes ved hjælp af transkranial magnetisk stimulation (TMS). På grund af distale benmusklerne rolle i opretstående postural og dynamisk opgaver, som at gå, er en voksende forskningsinteresse i vurdering og graduering af de corticospinal skrifter i forhold til funktionen af disse muskler opstået i det sidste årti. Dog har metodologiske parametre, der bruges i tidligere arbejde varieret på tværs af undersøgelser at gøre fortolkningen af resultater fra tværsnits- og tidsseriedataene undersøgelser mindre robust. Derfor vil tillade brug af en standardiseret TMS protokol specifikke for vurderingen af benmusklerne corticomotor svar (CMR) for direkte sammenligning af resultater på tværs af undersøgelser og kohorter. Formålet med dette oplæg er at præsentere en protokol, der giver fleksibilitet for at samtidig vurdere de bilaterale CMR af to vigtigste ankel antagonistiske muskler, tibialis anterior og soleus, ved hjælp af fælles puls TMS med en neuronavigation system. Denne protokol finder anvendelse, mens de undersøgte muskel er enten helt afslappet eller isometrisk indgået ved en defineret procentdel af maksimal isometrisk frivillige sammentrækning. Ved hjælp af hvert emne strukturelle Mr med neuronavigation system sikrer nøjagtig og præcis positionering af spolen over ben kortikale repræsentationer under vurdering. Givet inkonsekvensen i CMR afledt foranstaltninger, beskriver denne protokol også en standardiseret beregning af foranstaltningerne ved hjælp af automatiske algoritmer. Selv om denne protokol ikke er udført under oprejst postural eller dynamisk opgaver, kan det bruges til at vurdere bilateralt ethvert par af benmusklerne, enten antagonistiske eller synergistiske, i både neurologisk intakte og nedsat emner.

Tallene 2-4 præsentere data fra en repræsentativ neurologisk intakte 31 år gammel mandlige med højde og vægt på 178 cm og 83 kg, henholdsvis.
Figur 2 præsenterer bilaterale hotspots og RMT hver ankel muskler. Bruge stedet ligger på midten af området ben i hver halvkugle (se firkanter i figur 1B), intensiteten af 45% MSO anvendtes bilateralt for hotspot jagt. Hot spot placering for hver muskel afveg mellem hjernehalvdele, men som forve...

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

Denne protokol beskriver den samtidige, bilaterale vurdering af tibialis anterior og soleus corticomotor reaktion under hvile og tonic frivillig aktivering ved hjælp af en enkelt puls transkranial magnetisk stimulation og neuronavigation system.

Bilaterale vurdering af den Corticospinal veje af ankel muskler ved hjælp af navigerede transkranial magnetisk Stimulation

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 ...

Denne protokol er afgørende vigtigt, fordi det standardiserer en tilgang med en meget vanskelig opgave at opdage motor-fremkaldte potentialer i den distale nedre ende muskler. Den største fordel ved denne teknik er, at den konsoliderer den litteratur, der er forbundet med nedre ende stimulation, som ofte kun fokuserer på skinnebialis forreste og bruger en række teknikker. Vi har studeret denne teknik i neurologisk raske personer såvel som dem med slagtilfælde.Men, betydningen af teknikken er i standardisering nedre ende vurderinger. Teknikken giver mulighed for at identificere hullerne i vores forståelse af motorstyring under gangart og genbesøg forskning, der ikke giver mulighed for kontrol af forstyrrende faktorer. Demonstration af proceduren vil være John Kindred, ph.d., en postdoc, og Brian Cence, en forskningskoordinator, begge fra vores forskningslaboratorium.Begynd med at uploade motivets MR-filer til et neuronavigationssystem. Derefter manuelt co-registrere MR-scanning til forreste og bageste commissures, således at Montreal Neurological Institute Atlas kan bruges. Dernæst rekonstruere huden og fuld curvilinear hjerne model ved at justere afgrænsningsboksen omkring kraniet og hjernen væv.Identificer fire anatomiske landemærker ved hjælp af hudmodellen, herunder spidsen af næsen, nasion og supratragic hak i højre og venstre øre. Nu skal du placere et rektangulært gitter over benet motor område i hver halvkugle. Placer den centreret række af nettet i midten og over gyrus af benet motor kortikal område.Derefter placere den mediale kolonne af nettet parallelt og støder op til den mediale væg af den ipsilaterale halvkugle. Dette gitter vil blive brugt til at finde hot spot. Til motorkortlægning skal du bruge større gitre, enten ved at tilføje flere pletter eller øge afstanden mellem pletter efter behov.Udfør placeringer af elektroder, mens motivet er stående. Først forberede de områder, hvor hver elektrode vil blive placeret ved først barbering og derefter let eksfolierende eventuelle døde hudceller og olier ved hjælp af alkohol svaberprøver. Dernæst bede emnet til at løfte tæerne opad og derefter placere elektroden på den øverste tredjedel af linjen mellem hovedet af fibula og mediale malleolus.Gør dette bilateralt for placering på skinnebialis forreste. Nu vedhæfte elektroder bilateralt på den laterale soleus. Spørg emnet til at hæve deres hæl og derefter placere elektroden på den nederste tredjedel af linjen mellem den laterale femorale condyle og lateral malleolus under gastrocnemius muskel mave.Vedlæg også jordreferencen passiv elektrode enten på patella eller lateral malleolus bilateralt eller ensidigt, afhængigt af emg-anskaffelsesenheden i brug. Test elektrodeplaceringen ved at bede emnet om enten dorsiflex eller plantarflex anklen i en opretstående stilling, mens du viser det rå EMG-signal af alle muskler testet på en computerskærm. Hvis en elektrode er malplaceret, skal du fjerne og erstatte den, indtil der ses klare påviselige EMG-brister med minimal baggrundsstøj.Derefter, med emnet siddende med deres muskler i hvile, teste signalkvaliteten ved at aflade et par TMS impulser, mens spolen holdes væk fra motivet. Det mest afgørende skridt i denne teknik er at kontrollere, at EMG-signalet er så støjfare som muligt. Hvis dette ikke gør dette tilstrækkeligt, bliver dataanalysen utrolig vanskelig.Kontroller derefter, at basissignalet for hver EMG-kanal er tæt på nul. Hvis der er støj i en kanal, skal du fjerne den tilsvarende elektrode og gentage hudforberedelsesprocedurerne. Hvis støjen stadig er til stede, skal du justere referenceelektrodens position og udskifte elektrolytgelen.Når et godt signal er verificeret, wrap alle elektroder ved hjælp af lys skum pre-wrap tape til at holde dem på plads og for at reducere bevægelse artefakt fra EMG. Nu, sæde emnet i en stol, og for at sikre ensartede fødder placering på tværs af emner, sikre begge fødder i vandrestøvler, der tillader anklen vifte af bevægelse, der skal justeres til en bestemt position og give modstand under tonic frivillig handling. Også justere både hofte og knæ vinkler for at undgå emne ubehag og instruere emnet til at forblive stadig i hele forsøget.Begynd tonic frivillig aktivering test ved først at bestemme den maksimale frivillige isometrisksammentrækning af hver muskel bilateralt. For hver bevægelse, instruere emnet til maksimalt kontrakt den kontralaterale undersøgt muskel fire gange. Kontroller derefter placeringen af motion capture-kameraet ved at placere motivets tracker, markøren og spoletrackeren i dets opsamlingsvolumenplads.Derefter udføre emnet billede registrering ved at placere spidsen af markøren på de fire anatomiske vartegn. Nu bestemme hot spot af begge muskler bilateralt. Først skal du finde suprathreshold intensitet ved at anvende en enkelt stimulus over den centreret stedet ved siden af den interhemisfæriske revne.Dernæst skal du starte ved lav intensitet og gradvist øge TMS intensiteten med fem procent intervaller, indtil de når en intensitet, der fremkalder en motor-fremkaldt potentiale med en top til peak amplitude større end 50 lektriske i alle kontralaterale undersøgte muskler eller tre på hinanden følgende stimuli og gentag for hver muskel. Påfør en TMS puls på hvert sted i gitteret. Overfør derefter amplitudeværdierne for hvert sted for alle kontralaterale muskler i et regneark og sorter amplituden fra høj til lav.Identificer hot spot af den kontralaterale tibialis forreste og soleus muskler som et sted i nettet med den største amplitude og den korteste latenstid. Vælg gitterstedet i neuronavigationssystemet, der svarer til en af musklens hotspots. Dernæst indstille den oprindelige intensitet og trin størrelse på 45 og seks procent maksimal stimulator output.Brug derefter en adaptiv tærskel jagtmetode til hvilemotor tærskel bestemmelse. Gør dette to gange for hver muskel og bruge gennemsnittet for sunsequent kortikomotor respons vurdering. Nu, at vurdere bilaterale kortikomotor respons under hvile, skal du vælge gitterstedet i neuronavigation system, der svarer til den undersøgte musklens hot spot.Forud for hver stimulus, instruere emnet til at forblive stille og slappe af de undersøgte muskler bilateralt og overvåge aktiviteten af alle muskler ved hjælp af en realtid visuel feedback. Påfør ti enkelt TMS pulser på 120% af hvilemotor tærskel af den undersøgte muskel. Hvis nogen muskel er aktiv før eller efter TMS, kassere dette forsøg og anvende en ekstra enkelt puls.Gentag dette indtil 10 bølgeformer for hver kontralaterale undersøgte muskel i hvile er blevet indsamlet. Dernæst vurdere kortikomotoriske reaktion under tonic frivillig aktivering bilateralt. Vælg de samme gitterpletter i neuronavigationssystemet, der blev brugt under hvileforhold.Spørg emner til kontrakt den undersøgte muskel på ca 15% maksimal muskel aktivitet værdi og anvende 10 enkelt TMS pulser på 120% af hvile motor tærskel. Bed dem om at holde den viste glatte bevægelige linje af den undersøgte muskel inden for de to vandrette markører og til at opretholde denne sammentrækning på dette niveau i et par sekunder. Når tibialis forreste er den undersøgte muskel, bede emner til at trække lidt op mod boot stropper til benet kontralaterale til stimuleret halvkugle.Når soleus er den undersøgte muskel, bede emner til at skubbe lidt ned mod støvlen på kontralaterale ben. Overvåg muskelaktivitet af de aktive og hvilende muskler ved hjælp af realtid visuel feedback. Hvis den undersøgte muskelaktivitet er under eller over det forudbestemte interval, eller hvis en anden muskel er aktiveret, skal stimulusen kasseres, og der påføres en ekstra enkelt impuls.Saml 10 forsøg, mens den undersøgte muskel aktiveres på det forudbestemte område. Dette tal viser bilaterale tibialis forreste og soleus hot spots. Her repræsenterer barplots den gennemsnitlige hvilemotorgrænse for to vurderinger for hver muskel, mens værdierne nedenfor angiver antallet af anvendte stimuli.Den stiplede linje angiver den intensitet, der anvendes til hot spot jagt. Dette tal viser de bilaterale reaktioner af skinnebialis forreste og soleus, når deres hot spot blev stimuleret under hvile. Den bilaterale EMG gennemsnitlige bølgeform af hver muskel er vist.Hvis en motor-fremkaldte potentiale var til stede, værdierne af toppen til peak amplitude og latenstid præsenteres. Her ser vi bilaterale reaktioner, når hotspots blev stimuleret under tonic frivillige indsats. EMG af de bilaterale muskler blev indsamlet, mens den undersøgte kontralaterale muskel blev aktiveret på omkring 15% maksimal frivillig isometrisk sammentrækning.Yderligere analyse kan udføres for at hjælpe med at besvare spørgsmål vedrørende den kortikale rygmarvskanalen efter slagtilfælde, da dataene i protokollen er indsamlet i agonist og antagonistiske muskelgrupper bilateralt. Forskning fortsætter med at bruge denne teknik til at bestemme de enkelte bidrag af flere faktorer til kortikomotoriske reaktioner for at øge vores overordnede forståelse af den motoriske kontrol af at gå. Det skal bemærkes, at der er risikofaktorer på grund af det høje magnetfelt, der bør tages i betragtning af screening emner forud for denne procedure.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

A Novel Approach for Documenting Phosphenes Induced by Transcranial Magnetic Stimulation

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

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

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

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

Brug af Magnetic Resonance Spectroscopy som et værktøj til måling af Bi-halvkugleformet Transkranial Electric Stimulation Virkninger på Primary Motor Cortex Metabolisme

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

Virkningerne af transkranial vekselstrøm Stimulation på den primære Motor Cortex af Online kombineret tilgang med transkranial magnetisk Stimulation

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

Online transkranial magnetisk Stimulation protokol til måling af kortikal fysiologi tilknyttet svar hæmning

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

Kombinerede transkranial magnetisk Stimulation og electroencefalografi i den Dorsolateral præfrontale Cortex

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

Stimulering placering bestemmelse ved hjælp af en 3D digitizer med high-definition Transcranial direkte strøm stimulering

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

Måling og manipulation funktionelt specifikke neurale veje i det menneskelige motorsystem med tværkraniel magnetisk stimulation

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