Name: bilateral assessment of the corticospinal pathways of the ankle muscles using navigated transcranial magnetic stimulation
Uploaded: 2019-02-19T14:00:00
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Gli autori ringraziano il Dr. Jesse C. Dean per aiutare con lo sviluppo metodologico e fornire commenti e suggerimenti su una bozza del manoscritto. Questo lavoro è stato supportato da un RR di premio-2 VA lo sviluppo di carriera & D N0787-W (MGB), un istituzionale Development Award dal National Institute of General Medical Sciences del NIH sotto concessione numero P20-GM109040 (SAK) e P2CHD086844 (SAK). Il contenuto non rappresentano le opinioni di Department of Veterans Affairs o di governo degli Stati Uniti.

Tutte le procedure sperimentali presentate in questo protocollo sono state approvate dal locale Institutional Review Board e sono in conformità con la dichiarazione di Helsinki.
1. consenso processo e sicurezza questionari
<ol><li>Prima di qualsiasi esperimento, spiegare a ciascun soggetto persegue dello studio, le principali procedure sperimentali e qualsiasi potenziali fattori di rischio associati partecipano allo studio. Dopo aver risposto alle domande o preoccupazioni che possono avere ...

Dato l'interesse emergente come la corteccia motoria contribuisce al controllo motore dei muscoli delle gambe durante le attività dinamiche in varie coorti, è necessario un protocollo standardizzato di TMS che descrive la valutazione approfondita di questi muscoli. Di conseguenza, per la prima volta, il presente protocollo fornisce procedure metodologiche standardizzate sulla valutazione bilaterale dei due muscoli antagonistici della caviglia, SOL e TA, durante due stati di muscolo (riposo e TVA) utilizzando un singolo...

Tibiale anteriore (TA) e soleo (SOL) sono i muscoli antagonistici caviglia situati nel vano anteriore e posteriore della parte inferiore della gamba, rispettivamente. Entrambi i muscoli sono uniarticular, mentre la funzione principale di TA e SOL è a dorsiflettere e plantarflex il giunto talocrural, rispettivamente1. Inoltre, TA è più funzionale per le escursioni lungo muscolo e meno importante per la produzione di forza, mentre SOL è un muscolo antigravità progettato per generare alta forza con piccola escursione del muscolo2. Entrambi i muscoli sono particolarmente rilevanti durante verticale attività posturale e dinamica (ad es., camminare)3,4. Per quanto riguarda controllo neurale, le piscine di motoneurone di entrambi i muscoli ricevono unità neurali dal cervello tramite il motore discendente vie5,6, oltre a vari gradi di unità sensoriale.
Il motore principale scendendo via è il tratto corticospinale, che proviene dalle zone motore primarie, premotorie e supplementari e termina nel motoneurone spinale piscine7,8. In esseri umani, lo stato funzionale di questo tratto (corticomotoria risposta - CMR) può essere valutato concretamente utilizzando la stimolazione magnetica transcranica (TMS), stimolazione cerebrale non invasiva strumento9,10. Dall'introduzione di TMS e dato loro significato funzionale durante attività posturale in posizione verticale e camminare, CMR di TA e SOL sono stati valutati in varie coorti e attività11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .
In contrasto con la valutazione della CMR in muscoli del superiore-estremità33, nessun protocollo universale di TMS è stato stabilito per la valutazione della CMR in muscoli del basso-estremità. A causa della mancanza di un protocollo stabilito e la grande variabilità metodologica nell'ambito degli studi precedenti (ad esempio, tipo di bobina, uso di neuronavigazione, livello di attivazione tonica, test lato e muscoli, utilizzare e calcolo della CMR misura, ecc. ), l'interpretazione dei risultati attraverso studi e coorti possono essere ingombrante, complicati e imprecise. Come le misure sono funzionalmente rilevanti in vari compiti motori, un protocollo TMS stabilito specifico per abbassare la valutazione dell'estremità del CMR permetterà motori neuroscienziati e riabilitazione scienziati di valutare sistematicamente il CMR in questi muscoli attraverso sessioni e varie coorti.
Pertanto, l'obiettivo del presente protocollo è di descrivere la valutazione bilaterale di TA e SOL CMR utilizzando il sistema TMS e Neuronavigazione singolo impulso. A differenza di precedenti lavori, questo protocollo mira a massimizzare il rigore delle procedure sperimentali, acquisizione dati e analisi dei dati con l'ausilio di fattori metodologici che ottimizzano la validità e la durata dell'esperimento e standardizzare il CMR valutazione di questi due muscoli dell'arto inferiore. Dato che la CMR di un muscolo dipende se il muscolo è completamente rilassato o parzialmente è attivato, questo protocollo descrive come il TA e SOL CMR può essere valutata durante l'attivazione volontaria resto e tonico (TVA). Le seguenti sezioni descriveranno accuratamente il presente protocollo. Infine, dati rappresentativi saranno presentati e discussi. Il protocollo descritto qui è derivato da quella in 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

I muscoli delle gambe distale ricevano input neurali da aree corticali motorie attraverso il tratto corticospinale, che è uno del pathway discendente motore principale in esseri umani e possono essere valutati utilizzando la stimolazione magnetica transcranica (TMS). Dato il ruolo dei muscoli delle gambe distale in verticale attività posturale e dinamica, come camminare, un crescente interesse di ricerca nella valutazione e nella modulazione dei tratti corticospinal riguardante la funzione di questi muscoli è emersa nell'ultimo decennio. Tuttavia, i parametri metodologici utilizzati nel precedente lavoro hanno variato attraverso gli studi facendo l'interpretazione dei risultati da studi trasversali e longitudinali meno robusto. Di conseguenza, uso di un protocollo standardizzato di TMS specifico per la valutazione della risposta di corticomotoria dei muscoli delle gambe (CMR) permetterà per un confronto diretto dei risultati attraverso gli studi e le coorti. L'obiettivo di questa carta è di presentare un protocollo che fornisce la flessibilità necessaria per valutare simultaneamente la CMR bilaterale dei muscoli antagonisti a due principali alla caviglia, il tibiale anteriore e il soleo, utilizzo singolo impulso TMS con un sistema di neuronavigazione. Il presente protocollo è applicabile, mentre il muscolo esaminato è completamente rilassato o isometricamente contratto a una percentuale definita di massima contrazione isometrica volontaria. Usando MRI strutturale di ogni oggetto con il sistema di neuronavigazione garantisce accurato e preciso posizionamento della bobina sopra le rappresentazioni corticali gamba durante la valutazione. Dato l'incoerenza nelle misure di CMR derivato, questo protocollo descrive anche un calcolo standardizzato di queste misure utilizzando algoritmi automatizzati. Anche se questo protocollo non è condotto durante attività posturale o dinamica verticale, può essere utilizzato per valutare bilateralmente qualsiasi coppia di muscoli delle gambe, o antagonisti o sinergici, in soggetti sia normali e cerebrolesi.

Figure 2-4 presentano i dati da un rappresentanza maschio 31 anni neurologico intatto con altezza e peso di 178 cm e 83 kg, rispettivamente.
Figura 2 presenta i punti caldi bilaterale e RMT di ogni muscolo della caviglia. Utilizza il posto che si trova al centro della zona delle gambe in ogni emisfero (vedere piazze in Figura 1B), l'intensità del 45% MSO bilateralmente è stato usato per la caccia di hot spot. La posizione del punto caldo per...

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

Il presente protocollo descrive la valutazione simultanea, bilaterale della risposta corticomotoria del soleo e tibiale anteriore durante l'attivazione volontaria resto e tonico usando una stimolazione magnetica transcranica di singolo impulso e la neuronavigazione sistema.

Valutazione bilaterale delle vie Corticospinal dei muscoli della caviglia utilizzando navigato la stimolazione magnetica transcranica

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 ...

Questo protocollo è di fondamentale importanza perché standardizza un approccio con un compito molto difficile di rilevare i potenziali evocati dal motore nei muscoli dell'estremità inferiore distale. Il principale vantaggio di questa tecnica è che consolida la letteratura associata alla stimolazione degli arti inferiori, che spesso si concentra solo sulla tibialis anteriore e utilizza una varietà di tecniche. Abbiamo studiato questa tecnica in individui neurologicamente sani e in quelli con ictus.Tuttavia, l'importanza della tecnica è nella standardizzazione delle valutazioni degli arti inferiori. La tecnica consente l'opportunità di identificare le lacune nella nostra comprensione del controllo motorio durante l'andatura e rivisita la ricerca che non ha permesso il controllo dei fattori interferenti. A dimostrare la procedura saranno John Kindred, PhD, uno studioso post-dottorato, e Brian Cence, coordinatore della ricerca, entrambi del nostro laboratorio di ricerca.Inizia caricando i file mri del soggetto in un sistema di astigazione neuronale. Quindi, registra manualmente la risonanza prima delle commissioni anteriori e posteriori, in modo da poter utilizzare l'Atlante del Montreal Neurological Institute. Successivamente, ricostruisci la pelle e il modello cerebrale curvilineo completo regolando il riquadro di delimitazione intorno al cranio e ai tessuti cerebrali.Identifica quattro punti di riferimento anatomici usando il modello della pelle, tra cui la punta del naso, la nasione e la tacca sopratragica dell'orecchio destro e sinistro. Ora, posizionare una griglia rettangolare sopra l'area del motore della gamba in ogni emisfero. Posizionare la fila centrata della griglia al centro e sopra il giro dell'area corticale del motore della gamba.Quindi, posizionare la colonna mediale della griglia parallela e adiacente alla parete mediale dell'emisfero ipsilaterale. Questa griglia verrà utilizzata per trovare l'hot spot. Per la mappatura del motore, utilizzare griglie più grandi, aggiungendo più punti o aumentando la distanza tra i punti in base alle esigenze.Eseguire posizionamenti di elettrodi mentre il soggetto è in posizione eresi. In primo luogo, preparare le aree in cui ogni elettrodo verrà posizionato prima radendo e poi esfoliando leggermente eventuali cellule e oli morti della pelle usando tamponi alcool. Quindi, chiedi al soggetto di sollevare le dita dei piedi verso l'alto e quindi posizionare l'elettrodo al terzo superiore della linea tra la testa della fibula e il malleolo mediale.Fallo bilateralmente per il posizionamento sulla tibialis anteriore. Ora, attaccare gli elettrodi bilateralmente sul soleus laterale. Chiedi al soggetto di alzare il tallone e quindi posizionare l'elettrodo al terzo inferiore della linea tra il condilo femorale laterale e il malleolo laterale sotto la pancia muscolare gastroclio.Inoltre, attaccare l'elettrodo passivo di riferimento a terra sulla rotula o sul malleolo laterale bilateralmente o unilateralmente, a seconda dell'unità di acquisizione EMG in uso. Testare il posizionamento dell'elettrodo chiedendo al soggetto di dorsiflex o plantarflex la caviglia in posizione verticale mentre si visualizza il segnale EMG grezzo di tutti i muscoli testati sullo schermo di un computer. Se un elettrodo è fuori posto, rimuoverlo e sostituirlo fino a quando non si vedono raffiche EMG rilevabili chiare con un rumore di fondo minimo.Quindi, con il soggetto seduto con i muscoli a riposo, testare la qualità del segnale scaricando alcuni impulsi TMS mentre la bobina è tenuta lontana dal soggetto. Il passo più cruciale di questa tecnica è verificare che il segnale EMG sia il più chiaro possibile dal rumore. In caso di mancata adempimento, l'analisi dei dati è incredibilmente difficile.Quindi, verificare che il segnale di base per ogni canale EMG sia vicino allo zero. Se il rumore è presente in un canale, rimuovere l'elettrodo corrispondente e ripetere le procedure di preparazione della pelle. Se il rumore è ancora presente, regolare la posizione dell'elettrodo di riferimento e sostituire il gel elettrolita.Una volta verificato un buon segnale, avvolgere tutti gli elettrodi utilizzando un nastro pre-avvolgente in schiuma leggera per tenerli in posizione e ridurre l'artefatto del movimento dall'EMG. Ora, posizionare il soggetto su una sedia e, per garantire un posizionamento coerente dei piedi tra i soggetti, fissare entrambi i piedi in stivali da passeggio che consentono di regolare la gamma di movimento della caviglia in una posizione specifica e fornire resistenza durante l'azione volontaria tonica. Inoltre, regola sia gli angoli dell'anca che del ginocchio per evitare il disagio del soggetto e istruisci il soggetto a rimanere fermo durante l'esperimento.Inizia il test di attivazione volontaria tonica determinando prima la massima contrazione isometrica volontaria di ogni muscolo bilateralmente. Per ogni movimento, istruire il soggetto a contrarre al massimo il muscolo contralaterale esaminato quattro volte. Quindi, verificare la posizione della fotocamera di acquisizione del movimento posizionando il tracker soggetto, il puntatore e il tracker della bobina nel suo spazio di volume di acquisizione.Quindi, eseguire la registrazione dell'immagine del soggetto posizionando la punta del puntatore sui quattro punti di riferimento anatomici. Ora, determinare il punto caldo di entrambi i muscoli bilateralmente. Per prima cosa, trova l'intensità soprasoglierendo applicando un singolo stimolo sul punto centrato accanto alla fessura interemisferica.Successivamente, iniziare a bassa intensità e aumentare gradualmente l'intensità del TMS del cinque per cento fino a raggiungere un'intensità che suscita un potenziale evocato dal motore con un picco di ampiezza di picco superiore a 50 microvolt in tutti i muscoli esaminati contralaterali o tre stimoli consecutivi e ripetere per ogni muscolo. Applicare un impulso TMS su ogni punto della griglia. Quindi, trasferisci i valori di ampiezza di ogni punto per tutti i muscoli contralaterali in un foglio di calcolo e ordina l'ampiezza dall'alto al basso.Identificare il punto caldo dei muscoli contralaterali tibiali anteriori e soleus come posizione nella griglia con la più grande ampiezza e la latenza più breve. Selezionare il punto della griglia nel sistema di asagriazione neuronale che corrisponde a uno dei punti caldi del muscolo. Quindi, impostare l'intensità iniziale e la dimensione del passo al 45 e al 6% di uscita massima dello stimolatore.Quindi, utilizzare un metodo di ricerca della soglia adattiva per la determinazione della soglia del motore a riposo. Fallo due volte per ogni muscolo e usa la media per la valutazione della risposta corticomotoria solare. Ora, per valutare la risposta corticomotoria bilaterale durante il riposo, selezionare il punto della griglia nel sistema di astigazione neuronale che corrisponde al punto caldo del muscolo esaminato.Prima di ogni stimolo, istruire il soggetto a rimanere fermo e rilassare i muscoli esaminati bilateralmente e monitorare l'attività di tutti i muscoli utilizzando un feedback visivo in tempo reale. Applicare dieci singoli impulsi TMS al 120% della soglia del motore a riposo del muscolo esaminato. Se un muscolo è attivo prima o dopo il TMS, scartare lo studio e applicare un singolo impulso aggiuntivo.Ripetere questa situazione fino a quando non sono state raccolte 10 forme d'onda per ogni muscolo malato esaminato a riposo. Successivamente, valutare bilateralmente la risposta corticomotoria durante l'attivazione volontaria tonica. Selezionare le stesse macchie della griglia nel sistema di aggregazione neuronale utilizzate durante le condizioni di riposo.Chiedi ai soggetti di contrarre il muscolo esaminato a circa il 15% del valore massimo dell'attività muscolare e applicare 10 impulsi TMS singoli al 120% della soglia del motore a riposo. Chiedi loro di mantenere la linea di movimento liscia visualizzata del muscolo esaminato all'interno dei due cursori orizzontali e di sostenere quella contrazione a quel livello per alcuni secondi. Quando tibialis anterior è il muscolo esaminato, chiedi ai soggetti di tirare leggermente contro le cinghie dello stivale per l'emisfero contralaterale della gamba.Quando soleus è il muscolo esaminato, chiedi ai soggetti di spingere leggermente verso il basso contro lo stivale sulla gamba contralaterale. Monitorare l'attività muscolare dei muscoli attivi e a riposo utilizzando il feedback visivo in tempo reale. Se l'attività del muscolo esaminato è inferiore o superiore all'intervallo predeterminato, o se viene attivato qualsiasi altro muscolo, scartare lo stimolo e applicare un singolo impulso aggiuntivo.Raccogli 10 prove mentre il muscolo esaminato viene attivato all'intervallo predeterminato. Questa figura mostra i punti caldi bilaterali tibialis anteriore e soleus. Qui, i grafici a barre rappresentano la soglia motoria a riposo media di due valutazioni per ogni muscolo, mentre i valori seguenti denotano il numero di stimoli applicati.La linea tratteggiata indica l'intensità utilizzata per la caccia al punto caldo. Questa cifra mostra le risposte bilaterali di tibialis anterior e soleus quando il loro punto caldo è stato stimolato durante il riposo. Viene mostrata la forma d'onda media bilaterale EMG di ogni muscolo.Se era presente un potenziale evocato dal motore, vengono presentati i valori dell'ampiezza e della latenza dal picco al picco. Qui vediamo risposte bilaterali quando i punti caldi sono stati stimolati durante l'azione volontaria tonica. L'EMG dei muscoli bilaterali è stato raccolto mentre il muscolo contralaterale esaminato è stato attivato a una contrazione isometrica volontaria massima di circa il 15%.Ulteriori analisi possono essere condotte per aiutare a rispondere alle domande riguardanti il tratto spinale corticale post-ictus poiché i dati nel protocollo sono raccolti in gruppi muscolari agonisti e antagonisti a livello bilaterale. La ricerca continua utilizzando questa tecnica per determinare i contributi individuali di più fattori alle risposte corticomotorie al fine di aumentare la nostra comprensione complessiva del controllo motorio della camminata. Va notato che ci sono fattori di rischio dovuti all'elevato campo magnetico che dovrebbero essere contabili rilevati dai soggetti di screening prima di questa procedura.

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