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 takker Dr. Jesse C. Dean for å hjelpe med metodiske utvikling og gi tilbakemelding på et utkast til manuskriptet. Dette arbeidet ble støttet av en VA karriere Development Award-2 RR & D N0787-W (MGB), institusjonelle Development Award fra National Institute of General Medical Sciences av NIH under bevilgning nummer P20-GM109040 (SAK) og P2CHD086844 (SAK). Innholdet representerer ikke synspunktene til Department of Veterans Affairs eller myndighetene i USA.

Alle eksperimentelle prosedyrer i denne protokollen er godkjent av lokale institusjonelle gjennomgang styret og er i tråd med erklæringen i Helsinki.
1. samtykke prosessen og sikkerhet spørreskjemaer
<ol><li>Før noen forsøk, Forklar hvert emne aim(s) studien, de viktigste eksperimentelle prosedyrene og alle mulige risikofaktorer forbundet med delta i studien. Etter spørsmål eller kommentarer som fag kan ha, spør fag å anerkjenne godkjenningsprosessen og signere skjemaet samtykke.</l...

Gitt den voksende interessen i hvordan motorisk cortex bidrar til motor kontroll av beinmuskulaturen under dynamisk oppgaver i ulike kohorter, er en standardisert TMS-protokoll som beskriver grundig vurdering av disse musklene nødvendig. Nåværende protokollen gir derfor standardisert metodologiske prosedyrer for første gang, bilaterale vurdering av to ankel antagonistiske muskler, SOL og TA, under to muskel stater (resten og TVA) bruker en enkelt puls TMS med neuronavigation.
Funnene beskr...

Fremre tibialis (TA) og soleus (SOL) er ankelen antagonistiske muskler ligger i fremre og bakre rommet i leggen, henholdsvis. Både muskler er uniarticular, mens den viktigste funksjonen til TA og SOL er dorsiflex og plantarflex talocrural felles, henholdsvis1. Videre er TA mer funksjonell for lang muskel utflukter og mindre viktig for kraft produksjon, mens SOL er en antigravitasjon muskel designet til generere høy kraft med små turbåter av muskel2. Både muskler er særlig relevant i oppreist postural og dynamisk oppgaver (f.eks walking)3,4. Om neural kontroll får motorneuron bassengene av både muskler nevrale stasjonen fra hjernen via motoren synkende veier5,6, i tillegg til varierende grad av sensoriske stasjonen.
Hovedmotor synkende veien er det corticospinal spor, hvilke stammer fra de primære, premotor og supplerende motoriske og avsluttes i spinal motorneuron bassenger7,8. Hos mennesker, kan funksjonelle tilstanden til dette heftet (corticomotor svar - CMR) feasibly vurderes bruker Transkraniell magnetisk stimulering (TMS), en ikke-invasiv hjernen stimulering verktøyet9,10. Siden introduksjonen av TMS og deres funksjonelle betydning under oppreist postural oppgaven og gå, har CMR av TA og SOL vurdert i ulike kohorter og oppgaver11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .
I motsetning til vurdering av CMR i øvre ekstremitet muskler33, er ingen universell TMS-protokoll etablert for vurdering av CMR i nedre ekstremitet muskler. På grunn av mangel på en etablert protokoll og store metodologiske variasjon over de tidligere studiene (f.eks typen coil, bruk av neuronavigation, tonic aktivisering, testing side og muskler, bruk og beregning av CMR måler, osv. ), tolkningen av resultater på tvers av studier og kohorter kan tungvinte, komplisert og unøyaktig. Tiltakene er funksjonelt relevant i ulike finmotoriske oppgaver, vil en etablert TMS protokoll gjelder nedre ekstremitet CMR vurdering tillate motor nevrologer og rehabilitering forskere å systematisk vurdere CMR musklene over økter og ulike kohorter.
Målet med denne protokollen er derfor å beskrive bilaterale vurdering av TA og SOL CMR bruker enkelt puls TMS og neuronavigation system. I motsetning til tidligere arbeid mål denne protokollen å maksimere rigor av eksperimentelle prosedyrer, datainnsamling og dataanalyse ved hjelp av metodologiske faktorer som optimaliserer gyldigheten og varigheten av forsøket, og standardisere CMR vurdering av disse to nedre ekstremitet musklene. Gitt at CMR på en muskel, avhenger av om muskelen helt avslappet eller aktiveres delvis, beskriver denne protokollen hvordan TA og SOL CMR kan vurderes under hvile og tonic frivillig aktivering (TVA). Delene nedenfor beskriver grundig stede protokollen. Til slutt, representant dataene presentert og drøftet. Protokollen beskrevet her er avledet fra det 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 beinmuskulaturen mottar nevrale signaler fra motor kortikale områder via det corticospinal spor, hvilke er en av de viktigste motor synkende tursti hos mennesker og kan bli vurdert ved hjelp Transkraniell magnetisk stimulering (TMS). Gitt rollen distale beinmuskulaturen i oppreist postural og dynamisk aktiviteter, som gåing, en voksende forskningsinteresse for vurdering og modulering av corticospinal strøk i forhold til funksjonen til disse musklene har dukket opp i det siste tiåret. Imidlertid har metodologiske parametere brukes i tidligere arbeid variert over studier gjør tolkningen av resultater fra cross-sectional og longitudinelle studier mindre robust. Derfor vil en standardisert TMS-protokollen som er spesifikke for vurdering av beinmuskulaturen corticomotor svaret (CMR) tillate direkte sammenligning av resultatene på tvers av studier og kohorter. Målet med denne utredningen er å presentere en protokoll som gir fleksibilitet til å samtidig vurdere bilaterale CMR av to viktigste ankel antagonistiske muskler, tibialis fremre og soleus, enkelt puls TMS med en neuronavigation system. Nåværende protokollen gjelder mens undersøkt muskelen er helt avslappet eller isometrically kontrakt ved definerte til maksimal isometrisk frivillig sammentrekning. Hvert emne strukturelle MRI sikrer med neuronavigation-systemet nøyaktig og presis posisjonering av spolen over Ben kortikale representasjoner under vurdering. Denne protokollen gitt inkonsekvensen i CMR avledet tiltak, og beskriver også en standardisert beregning av disse tiltakene ved hjelp av automatisert algoritmene. Men denne protokollen ikke er utført under oppreist postural eller dynamisk oppgaver, kan det brukes til å vurdere bilateralt noen par beinmuskulaturen, antagonistiske eller synergistisk, i både nevrologisk intakt og svekket fag.

Tallene 2-4 presentere data fra en representant nevrologisk intakt 31 år gammel mann med høyde og vekt 178 cm og 83 kg, henholdsvis.
Figur 2 viser den bilaterale aktiveringspunkt og RMT hver ankel muskler. Bruke stedet ligger på midten av skiområdet etappe i hver halvkule (se torg figur 1B), intensiteten av 45% MSO bilateralt gjelder aktiveringspunktet jakt. Aktiveringspunkt plasseringen for hver muskel differansen imellom halvkuler, men s...

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

Nåværende protokollen beskriver samtidige, bilaterale vurdering av corticomotor svar tibialis fremre og soleus under hvile og tonic frivillig aktivisering benytter en enkelt puls Transkraniell magnetisk stimulering og neuronavigation system.

Bilaterale vurdering av Corticospinal veier ankel muskler med navigert Transkraniell magnetisk stimulering

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 protokollen er kritisk viktig fordi den standardiserer en tilnærming med en svært vanskelig oppgave med å oppdage motoriske potensialer i de distale nedre ekstremitetsmusklene. Den største fordelen med denne teknikken er at den konsoliderer litteraturen forbundet med nedre ekstremitetsstimulering, som ofte bare fokuserer på tibialis fremre og bruker en rekke teknikker. Vi har studert denne teknikken hos nevrologisk friske individer så vel som de med hjerneslag.Imidlertid er betydningen av teknikken i å standardisere lavere ekstremitetsvurderinger. Teknikken gir mulighet til å identifisere hullene i vår forståelse av motorkontroll under gangart og revisits forskning som ikke tillater kontroll av forstyrrende faktorer. Viser prosedyren vil være John Kindred, PhD, en postdoktor, og Brian Cence, en forskningskoordinator, både fra vårt forskningslaboratorium.Begynn med å laste opp motivets MR-filer til et nevronvigeringssystem. Deretter, manuelt medregistrere MR til fremre og bakre kommissærer, slik at Montreal Neurological Institute Atlas kan brukes. Deretter rekonstruerer huden og full curvilinear hjernemodell ved å justere markeringsboksen rundt skallen og hjernevevet.Identifiser fire anatomiske landemerker ved hjelp av hudmodellen, inkludert spissen av nesen, nasionen og supratragisk hakk av høyre og venstre øre. Plasser nå et rektangulært rutenett over benmotorområdet på hver halvkule. Plasser den midterte raden av rutenettet i midten og over gyrus av benmotorkortikale området.Deretter plasserer du den mediale kolonnen i rutenettet parallelt og ved siden av den mediale veggen på den ipsilaterale halvkule. Dette rutenettet vil bli brukt til å finne hot spot. For motortilordning bruker du større rutenett, enten ved å legge til flere flekker eller øke avstanden mellom flekker etter behov.Utfør plasseringer av elektroder mens motivet er i stående stilling. Først forberede områdene der hver elektrode vil bli plassert ved første barbering og deretter lett eksfoliere noen døde hudceller og oljer ved hjelp av alkohol vattpinner. Deretter ber du motivet om å løfte tærne oppover og deretter plassere elektroden på den øvre tredjedelen av linjen mellom hodet på fibula og mediale malleolus.Gjør dette bilateralt for plassering på tibialis fremre. Nå, fest elektroder bilateralt på lateral soleus. Be faget om å heve hælen og deretter plassere elektroden på den nedre tredjedelen av linjen mellom lateral femoral condyle og lateral malleolus under gastrocnemius muskelmagen.Fest også den passive jordelektroden enten på patella eller lateral malleolus bilateralt eller ensidig, avhengig av EMG-oppkjøpsenheten som er i bruk. Test elektrodeplasseringen ved å be motivet om enten dorsiflex eller plantarflex ankelen i oppreist stilling mens du viser det rå EMG-signalet til alle muskler testet på en dataskjerm. Hvis en elektrode er feilplassert, fjern og skift den ut til det er klart påviselig EMG-utbrudd med minimal bakgrunnsstøy.Deretter, med motivet sittende med musklene i ro, test signalkvaliteten ved å lade noen TMS-pulser mens spolen holdes borte fra motivet. Det mest avgjørende trinnet i denne teknikken er å verifisere at EMG-signalet er så klart for støy som mulig. Unnlatelse av å gjøre dette tilstrekkelig gjør dataanalyse utrolig vanskelig.Kontroller deretter at grunnlinjesignalet for hver EMG-kanal er nær null. Hvis det er støy i en kanal, fjerner du den tilsvarende elektroden og gjentar prosedyrene for hudforberedelse. Hvis støyen fortsatt er til stede, justerer du referanseelektrodens posisjon og skifter elektrolyttgelen.Når et godt signal er verifisert, pakk alle elektroder ved hjelp av lett skum pre-wrap tape for å holde dem på plass og for å redusere bevegelsesartefakt fra EMG. Nå, sete motivet i en stol og, for å sikre konsekvent føtter plassering på tvers av, sikre begge føttene i walking støvler som tillater ankelen bevegelsesområde som skal justeres til en bestemt posisjon og gi motstand under tonic frivillig handling. Juster også både hofte- og knevinkler for å unngå ubehag i motivet og instruere motivet til å forbli stille gjennom hele eksperimentet.Begynn tonic frivillig aktivering testing ved først å bestemme maksimal frivillig isometrisk sammentrekning av hver muskel bilateralt. For hver bevegelse, instruere motivet til maksimalt kontrakt kontralateral undersøkt muskel fire ganger. Kontroller deretter posisjonen til bevegelsesopptakskameraet ved å plassere motivets tracker, peker og spolesporingen i opptaksvolumområdet.Deretter utfører du motivet bilderegistrering ved å plassere spissen av pekeren på de fire anatomiske landemerkene. Nå, bestemme hot spot av begge musklene bilateralt. Først finner du suprathreshold intensiteten ved å bruke en enkelt stimulans over det sentrerte stedet ved siden av den interhemisfæriske sprekken.Deretter starter du med lav intensitet og gradvis øke TMS intensiteten med fem prosent trinn til å nå en intensitet som fremkaller en motor-fremkalt potensial med en topp til peak amplitude større enn 50 mikrovolt i alle kontralaterale undersøktmuskler eller tre påfølgende stimuli og gjenta for hver muskel. Påfør én TMS-puls på hvert sted i rutenettet. Deretter overfører du amplitudverdiene til hvert sted for alle kontralaterale muskler i et regneark og sorterer amplitude fra høyt til lavt.Identifiser hot spot av kontralaterale tibialis fremre og soleus muskler som et sted i rutenettet med den største amplituden og den korteste ventetiden. Velg rutenettet i neuronavigation system som tilsvarer en av muskelens hot spots. Deretter angir du den opprinnelige intensiteten og trinnstørrelsen til 45 og seks prosent maksimal stimulatorutgang.Deretter bruker du en adaptiv terskeljaktmetode for hvilemotorterskelbestemmelse. Gjør dette to ganger for hver muskel og bruk gjennomsnittet for sunsequent kortikomotorisk responsvurdering. Nå, for å vurdere bilateral kortikomotorisk respons under hvile, velg rutenettet i neuronavigation system som tilsvarer den undersøkte muskelen hot spot.Før hver stimulans, instruere emnet til å holde seg stille og slappe av de undersøkte musklene bilateralt og overvåke aktiviteten til alle muskler ved hjelp av en sanntid visuell tilbakemelding. Påfør ti enkle TMS pulser på 120% av hvilemotorterskelen til den undersøkte muskelen. Hvis noen muskler er aktive før eller etter TMS, kast den studien og bruk en ekstra enkelt puls.Gjenta dette til 10 bølgeformer for hver kontralaterale undersøkte muskel i ro har blitt samlet inn. Deretter vurderer du den kortikomotoriske responsen under tonic frivillig aktivering bilateralt. Velg de samme rutenettpunktene i nevronvigeringssystemet som ble brukt under hvileforhold.Be forsøkspersonene om å kontrakt den undersøkte muskelen på ca 15% maksimal muskelaktivitetsverdi og bruke 10 enkelt TMS pulser ved 120% av hvilemotorterskelen. Be dem om å holde den viste glatte bevegelige linjen i den undersøkte muskelen innenfor de to horisontale markørene og for å opprettholde denne sammentrekningen på dette nivået i noen sekunder. Når tibialis fremre er undersøkt muskel, be fagene å trekke litt opp mot støvel stropper for beinet kontralateral til stimulert halvkule.Når soleus er den undersøkte muskelen, be fagene om å presse litt ned mot støvelen på det kontralaterale benet. Overvåk muskelaktiviteten til de aktive og hvilende musklene ved hjelp av visuell tilbakemelding i sanntid. Hvis den undersøkte muskelens aktivitet er under eller over det forhåndsbestemte området, eller hvis noen annen muskel er aktivert, kast stimulansen og påfør en ekstra enkelt puls.Samle 10 studier mens undersøkt muskelen er aktivert på forhåndsbestemt rekkevidde. Denne figuren viser bilaterale tibialis fremre og soleus hot spots. Her representerer barplott den gjennomsnittlige hvilemotorterskelen for to vurderinger for hver muskel, mens verdiene nedenfor betegner antall stimuli som brukes.Den stiplede linjen indikerer intensiteten som brukes til hot spot jakt. Denne figuren viser de bilaterale reaksjonene til tibialis fremre og soleus når deres hot spot ble stimulert under hvile. Den bilaterale EMG gjennomsnittlig bølgeform av hver muskel er vist.Hvis et motor-fremkalt potensial var til stede, verdiene av toppen til topp amplitude og ventetid presenteres. Her ser vi bilaterale reaksjoner når hot spots ble stimulert under tonic frivillig handling. EMG av bilaterale muskler ble samlet mens den undersøkte kontralaterale muskelen ble aktivert ved ca 15% maksimal frivillig isometrisk sammentrekning.Ytterligere analyser kan utføres for å svare på spørsmål om kortikale spinalkanalen etter hjerneslag siden dataene i protokollen samles inn i agonistiske og antagonist muskelgrupper bilateralt. Forskning fortsetter å bruke denne teknikken til å bestemme de individuelle bidragene fra flere faktorer til kortikomotoriske svar for å øke vår generelle forståelse av motorkontrollen av å gå. Det bør bemerkes at det er risikofaktorer på grunn av det høye magnetfeltet som bør redegjøres for ved å screene personer før denne prosedyren.

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

Bruk av Magnetic Resonance Spectroscopy som et verktøy for måling av Bi-hemisfærisk transkranial elektrostimulasjonen Effekter på Primær Motor Cortex Metabolism

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

Effekter av Transkraniell vekselstrøm stimulering på primære motorisk Cortex av Online kombinert tilnærming med Transkraniell magnetisk stimulering

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 Transkraniell magnetisk stimulering protokollen for å måle kortikale fysiologi tilknyttet svar hemming

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

Kombinert Transkraniell magnetisk stimulering og Elektroencefalogram på Dorsolateral Prefrontal 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

Besluttsomhet ved stimulering av posisjon ved hjelp av en 3D-digitaliseringsenhet med High-Definition Transkraniell 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 manipulering funksjonelt spesifikke nevrale veier i det menneskelige motorsystemet med transkraniell magnetisk stimulering

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