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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Os autores agradecer Dr. Jesse C. Dean para ajudar com o desenvolvimento metodológico e fornecer feedback sobre um rascunho do manuscrito. Este trabalho foi apoiado por um RR de prêmio-2 de desenvolvimento de carreira VA & D N0787-W (MGB), um prêmio de desenvolvimento institucional do Instituto Nacional de General Medical Ciências, do NIH sob número de concessão P20-GM109040 (SAK) e P2CHD086844 (SAK). O conteúdo não representa a opinião do departamento de assuntos de veteranos ou o governo dos Estados Unidos.

Todos os procedimentos experimentais apresentados no presente protocolo tenham sido aprovados pelo Conselho de revisão institucional local e estão em conformidade com a declaração de Helsinque.
1. autorização de processo e questionários de segurança
<ol><li>Antes de qualquer experiência, explica a cada sujeito a aim(s) do estudo, os principais procedimentos experimentais e quaisquer potenciais fatores de risco associados participaram do estudo. Depois de responder a quaisquer quest?...

Dado o interesse emergente em como o córtex motor contribui para o controle motor dos músculos da perna durante tarefas dinâmicas em várias coortes, é necessário um protocolo padronizado de TMS que descreve a avaliação completa destes músculos. Portanto, pela primeira vez, o presente protocolo fornece procedimentos metodológicos padronizados na avaliação bilateral de dois músculos do tornozelo antagônicas, SOL e TA, durante dois Estados de músculo (descanso e TVA) usando um único pulso TMS com neuronaviga...

Tibial anterior (TA) e sóleo (SOL) são músculos antagónicos do tornozelo, localizados no compartimento anterior e posterior da perna, respectivamente. Ambos os músculos são uniarticular, enquanto a principal função do TA e o SOL é dorsiflex e plantarflex articulação talocrural, respectivamente1. Além disso, TA é mais funcional para excursões de músculo longo e menos importante para a produção de força, Considerando que o SOL é um músculo de antigravidade projetado para gerar força elevada com pequena excursão do músculo2. Ambos os músculos são especialmente relevantes durante tarefas de postural e dinâmica vertical (por exemplo, andar)3,4. Em matéria de controlo neural, as piscinas motorneuron de ambos os músculos recebem unidade neural do cérebro através do motor decrescente5,vias6, além de vários graus de unidade sensorial.
O motor principal, descendo o caminho é o trato corticoespinhal, que origina as áreas motor primárias, cortéx e complementares e termina no espinhal motorneuron piscinas7,8. Em humanos, o estado funcional deste trato (corticomotor resposta - CMR) pode ser viável avaliado utilizando estimulação magnética transcraniana (TMS), uma estimulação cerebral não-invasiva ferramenta9,10. Desde a introdução da TMS e dada a sua importância funcional durante tarefas postural na posição vertical e andando, CMR de TA e SOL foram avaliadas em várias tarefas e coortes11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,,27,28,29,30,31,32 .
Em contraste com a avaliação da CMR na extremidade superior músculos33, nenhum protocolo universal de TMS foi estabelecido para a avaliação da CMR, nos músculos da baixo-extremidade. Devido à falta de um protocolo estabelecido e a grande variabilidade metodológica através de estudos anteriores (por exemplo, o tipo de bobina, uso de neuronavigation, nível de ativação tônica, testes de lado e músculo, usar e medidas de cálculo da CMR, etc. ), a interpretação dos resultados através de estudos e coortes podem ser complicado, complicado e impreciso. Como as medidas são funcionalmente relevantes em várias tarefas motoras, um protocolo estabelecido de TMS específico para reduzir a avaliação de extremidade CMR permitirá neurocientistas motor e cientistas de reabilitação avaliar sistematicamente a CMR nestes músculos através sessões e várias coortes.
Portanto, o objetivo do presente protocolo é descrever a avaliação bilateral de TA e SOL CMR usando sistema TMS e neuronavigation de pulso único. Em contraste com o trabalho anterior, este protocolo visa maximizar o rigor dos procedimentos experimentais, aquisição de dados e análise de dados empregando fatores metodológicos que otimizam a validade e a duração do experimento e padronizar a CMR avaliação destes dois músculos de extremidade inferior. Dado que a CMR de um músculo depende do músculo é totalmente relaxado ou é parcialmente ativado, este protocolo descreve como o TA e o SOL CMR podem ser avaliada durante a ativação voluntária do resto e tônico (TVA). As seções a seguir descreverá minuciosamente o presente protocolo. Finalmente, dados representativos serão apresentados e discutidos. O protocolo descrito aqui é derivado que em 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

Os músculos da perna distal recebem entrada neural do motor áreas corticais através do trato corticoespinhal, que é um do caminho descendente motor principal em seres humanos e podem ser avaliados usando a estimulação magnética transcraniana (TMS). Dado o papel dos músculos da perna distal em tarefas posturais e dinâmicas na posição vertical, como caminhar, um crescente interesse de pesquisa em avaliação e modulação do trato corticoespinhal em relação a função destes músculos surgiu na última década. No entanto, parâmetros metodológicos utilizados em trabalhos anteriores têm variado através de estudos, fazendo com que a interpretação dos resultados de estudos transversais e longitudinais menos robusto. Portanto, o uso de um protocolo padronizado de TMS específico para a avaliação da resposta de corticomotor dos músculos da perna (CMR) permitirá comparação direta dos resultados através de estudos e coortes. O objetivo deste trabalho é apresentar um protocolo que fornece a flexibilidade para avaliar simultaneamente a CMR bilateral dos dois músculos tornozelo principal antagonista, o tibial anterior e sóleo, usando o pulso único TMS com um sistema de neuronavigation. O presente protocolo é aplicável enquanto o músculo examinado é totalmente relaxado ou isometricamente contraiu um percentual definido de contração voluntária isométrica máxima. Usar ressonância magnética do cada sujeito com o sistema neuronavigation garante exatos e precisos de posicionamento da bobina sobre as representações corticais da perna durante a avaliação. Dada a inconsistência na CMR derivado medidas, este protocolo descreve também um cálculo padronizado destas medidas usando algoritmos automatizados. Embora este protocolo não é conduzido durante tarefas posturais ou dinâmicas na posição vertical, ele pode ser usado para avaliar bilateralmente qualquer par de músculos da perna, ou antagônicos ou sinérgicos, em indivíduos neurologicamente intactos e prejudicados.

Figuras 2-4 apresentam dados de um homem de 31 ano de idade neurologicamente representativo com altura e peso de 178 cm e 83 kg, respectivamente.
A Figura 2 apresenta os focos bilaterais e RMT de cada músculo do tornozelo. Usar o ponto localizado no centro da área de perna em cada hemisfério (ver quadrados na figura 1B), a intensidade de 45% MSO bilateralmente foi usado para a caça de ponto quente. A localização do ponto de acesso para c...

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

O presente protocolo descreve a avaliação simultânea, bilateral da resposta corticomotor do sóleo e tibial anterior durante a ativação voluntária resto e tônico, usando uma estimulação magnética de transcranial de pulso único e neuronavigation sistema.

Navegou de avaliação bilateral das vias corticoespinhal dos músculos do tornozelo utilizando estimulação magnética transcraniana

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 ...

Este protocolo é criticamente importante porque padroniza uma abordagem com uma tarefa muito difícil de detectar potenciais criados pelo motor nos músculos da extremidade inferior distal. A principal vantagem dessa técnica é que ela consolida a literatura associada à estimulação da extremidade inferior, que muitas vezes foca apenas na tibialis anterior e utiliza uma variedade de técnicas. Estudamos essa técnica em indivíduos neurologicamente saudáveis, bem como aqueles com derrame.No entanto, a importância da técnica está na padronização de avaliações de extremidades inferiores. A técnica permite a oportunidade de identificar as lacunas em nossa compreensão do controle motor durante a marcha e revisita pesquisas que não permitiram o controle de fatores interferentes. Demonstrando o procedimento estarão John Kindred, PhD, um estudioso de pós-doutorado, e Brian Cence, coordenador de pesquisa, ambos do nosso laboratório de pesquisa.Comece carregando os arquivos de ressonância magnética do sujeito em um sistema de neuronavigação. Em seguida, co-registre manualmente a ressonância magnética para comissures anteriores e posteriores, para que o Atlas do Instituto Neurológico de Montreal possa ser utilizado. Em seguida, reconstrua a pele e o modelo cerebral curvilíneo completo ajustando a caixa de delimitação ao redor do crânio e tecidos cerebrais.Identifique quatro marcos anatômicos usando o modelo de pele, incluindo a ponta do nariz, nasão e entalhe supratragico da orelha direita e esquerda. Agora, coloque uma grade retangular sobre a área do motor da perna em cada hemisfério. Posicione a linha centralizada da grade no centro e sobre o giro da área cortical do motor da perna.Em seguida, posicione a coluna medial da grade paralela e adjacente à parede medial do hemisfério ipsilateral. Esta grade será usada para encontrar o ponto quente. Para mapeamento do motor, use grades maiores, seja adicionando mais pontos ou aumentando a distância entre os pontos conforme necessário.Realize colocações de eletrodos enquanto o sujeito estiver em posição de pé. Primeiro, prepare as áreas onde cada eletrodo será colocado pela primeira vez a barba e, em seguida, levemente esfoliação de quaisquer células mortas da pele e óleos usando cotonetes de álcool. Em seguida, peça ao sujeito para levantar os dedos para cima e, em seguida, colocar o eletrodo no terço superior da linha entre a cabeça da fíbula e o maleeolus medial.Faça isso bilateralmente para colocação no tibialis anterior. Agora, conecte eletrodos bilateralmente no soleus lateral. Peça ao sujeito para levantar o calcanhar e, em seguida, coloque o eletrodo no terço inferior da linha entre o condíle femoral lateral e o maleeolus lateral abaixo da barriga muscular gastrocnemius.Além disso, anexar o eletrodo passivo de referência terrestre na patela ou no maleeolus lateral bilateral ou unilateralmente, dependendo da unidade de aquisição da EMG em uso. Teste a colocação do eletrodo pedindo ao sujeito para dorsiflex ou plantarflex o tornozelo em uma postura vertical enquanto exibe o sinal EMG bruto de todos os músculos testados em uma tela de computador. Se um eletrodo estiver mal colocado, remova e substitua-o até que sejam vistas rajadas de EMG detectáveis claras com ruído de fundo mínimo.Em seguida, com o sujeito sentado com seus músculos em repouso, teste a qualidade do sinal descarregando alguns pulsos TMS enquanto a bobina é mantida afastada do sujeito. O passo mais crucial nesta técnica é verificar se o sinal EMG é o mais claro possível de ruído. A não realização adequada torna a análise de dados incrivelmente difícil.Em seguida, verifique se o sinal de linha de base para cada canal EMG está próximo de zero. Se houver ruído em um canal, remova o eletrodo correspondente e repita os procedimentos de preparação da pele. Se o ruído ainda estiver presente, ajuste a posição do eletrodo de referência e substitua o gel eletrólito.Uma vez verificado um bom sinal, enrole todos os eletrodos usando fita pré-envoltório de espuma de luz para mantê-los no lugar e reduzir o artefato de movimento do EMG. Agora, coloque o sujeito em uma cadeira e, para garantir a colocação consistente dos pés entre os sujeitos, proteja os dois pés em botas de caminhada que permitem que a amplitude de movimento do tornozelo seja ajustada a uma posição específica e forneça resistência durante a ação voluntária tônica. Além disso, ajuste os ângulos do quadril e do joelho para evitar o desconforto no sujeito e instrua o sujeito a permanecer parado durante todo o experimento.Inicie os testes de ativação voluntária tônica, determinando primeiro a contração isométrica voluntária máxima de cada músculo bilateralmente. Para cada movimento, instrua o sujeito a contrair o músculo examinado contralateral quatro vezes. Em seguida, verifique a posição da câmera de captura de movimento colocando o rastreador de objeto, o ponteiro e o rastreador da bobina em seu espaço de volume de captura.Em seguida, realize o registro de imagem do sujeito colocando a ponta do ponteiro nos quatro marcos anatômicos. Agora, determine o ponto quente de ambos os músculos bilateralmente. Primeiro, encontre a intensidade do supratensão aplicando um único estímulo sobre o ponto centralado ao lado da fissura interhemisférica.Em seguida, comece em baixa intensidade e aumente gradualmente a intensidade do TMS em cinco por cento de incrementos até atingir uma intensidade que provoca um potencial evocado pelo motor com um pico de amplitude máxima superior a 50 microvolts em todos os músculos examinados contralateral ou três estímulos consecutivos e se repetir para cada músculo. Aplique um pulso TMS em cada ponto da grade. Em seguida, transfira os valores de amplitude de cada ponto para todos os músculos contralaterais em uma planilha e classifique a amplitude de alta para baixa.Identifique o ponto quente dos músculos tibialis anterior e soleus contralateral como um local na grade com maior amplitude e menor latência. Selecione a mancha de grade no sistema de neuronavigção que corresponde a um dos pontos quentes do músculo. Em seguida, ajuste a intensidade inicial e o tamanho do passo em 45 e 6% de saída máxima do estimulador.Em seguida, use um método de caça de limiar adaptativo para determinar o limiar do motor de repouso. Faça isso duas vezes para cada músculo e use a média para a avaliação de resposta corticomotor solar. Agora, para avaliar a resposta bilateral do corticomotor durante o repouso, selecione o ponto de grade no sistema de neuronavigação que corresponde ao ponto quente do músculo examinado.Antes de cada estímulo, instrua o sujeito a ficar parado e relaxar os músculos examinados bilateralmente e monitorar a atividade de todos os músculos usando um feedback visual em tempo real. Aplique dez pulsos TMS únicos a 120% do limiar do motor de repouso do músculo examinado. Se algum músculo estiver ativo antes ou depois do TMS, descarte esse ensaio e aplique um pulso único adicional.Repita isso até que 10 formas de onda para cada músculo examinado contralateral em repouso tenham sido coletadas. Em seguida, avalie a resposta corticomotor durante a ativação voluntária tônica bilateralmente. Selecione os mesmos pontos de grade no sistema de neuronavigção que foram utilizados durante as condições de repouso.Peça aos sujeitos que contraam o músculo examinado a aproximadamente 15% do valor máximo de atividade muscular e apliquem 10 pulsos TMS únicos a 120% do limiar do motor de repouso. Peça-lhes para manter a linha móvel suave exibida do músculo examinado dentro dos dois cursores horizontais e para sustentar essa contração nesse nível por alguns segundos. Quando tibialis anterior é o músculo examinado, peça aos sujeitos para puxar ligeiramente contra as alças da bota para o contralateral da perna para o hemisfério estimulado.Quando soleus é o músculo examinado, peça aos sujeitos para empurrar ligeiramente para baixo contra a bota na perna contralateral. Monitore a atividade muscular dos músculos ativos e descansando usando feedback visual em tempo real. Se a atividade do músculo examinado estiver abaixo ou acima da faixa pré-determinada, ou se algum outro músculo for ativado, descarte o estímulo e aplique um pulso único adicional.Colete 10 ensaios enquanto o músculo examinado é ativado no intervalo predeterminado. Este número mostra pontos quentes bilaterais de tibialis anterior e soleus. Aqui, as parcelas de barras representam o limiar médio do motor de repouso de duas avaliações para cada músculo, enquanto os valores abaixo denotam o número de estímulos aplicados.A linha tracejada indica a intensidade usada para a caça ao ponto quente. Este número mostra as respostas bilaterais de tibialis anterior e soleus quando seu ponto quente foi estimulado durante o repouso. A forma de onda média do EMG bilateral de cada músculo é mostrada.Se um potencial evocado por motor estivesse presente, os valores do pico para o pico de amplitude e latência são apresentados. Aqui, vemos respostas bilaterais quando os pontos quentes foram estimulados durante a ação voluntária tônica. O EMG dos músculos bilaterais foi coletado enquanto o músculo contralateral examinado foi ativado com contração isométrica voluntária máxima de cerca de 15%.Análises adicionais podem ser realizadas para ajudar a responder perguntas sobre o trato espinhal cortical pós-acidente vascular cerebral, uma vez que os dados no protocolo são coletados em grupos musculares agonistas e antagonistas bilateralmente. A pesquisa continua utilizando essa técnica para determinar as contribuições individuais de múltiplos fatores para as respostas corticomotores, a fim de aumentar nossa compreensão geral do controle motor da caminhada. Deve-se notar que existem fatores de risco devido ao alto campo magnético que devem ser contabilizados por sujeitos de triagem antes deste procedimento.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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Neurociência

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Combinando Estimulação Magnética Transcraniana e fMRI para o Exame da rede de modo padrão

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Electrode Positioning and Montage in Transcranial Direct Current Stimulation

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