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

Författarna vill tacka Dr Jesse C. Dean för att hjälpa med metodutveckling och ge återkoppling på ett utkast av manuskriptet. Detta arbete stöds av en VA karriär utveckling Award-2 RR & D N0787-W (MGB), institutionella Development Award från National Institute of General Medical Sciences av NIH under licensnummer P20-GM109040 (FFC) och P2CHD086844 (FFC). Innehållet representerar inte åsikter Department of Veterans Affairs eller Förenta staternas regering.

Alla experimentella rutiner som presenteras i detta protokoll har godkänts av den lokala institutionella Review Board och i enlighet med Helsingforsdeklarationen.
1. medgivande Process och säkerhet enkäter
<ol><li>Innan några experiment, förklara för varje ämne i aim(s) studien, de största experimentella rutiner och eventuella potentiella riskfaktorer associerade med deltog i studien. Efter att besvara några frågor eller funderingar som ämnen kan ha, be försökspersoner att erkä...

Med tanke på det växande intresset för hur motoriska cortex bidrar till motorisk kontroll av benmusklerna under dynamiska uppgifter i olika kohorter, behövs ett standardiserat TMS-protokoll som beskriver en grundlig bedömning av dessa muskler. Därför, för första gången, detta protokoll ger standardiserade metodologiska förfaranden på bilaterala bedömning av två fotled antagonistiska muskler, SOL och TA, under två muskel stater (resten och TVA) med en enda puls TMS med neuronavigation.
<p class="jove_co...

Tibialis anterior (TA) och soleus (SOL) är fotled antagonistiska muskler belägna i främre och bakre facket av underbenet, respektive. Båda musklerna är uniarticular, medan den huvudsakliga funktionen av TA och SOL är att dorsiflex och plantarflex det talocrural gemensamt, respektive1. Dessutom är TA mer funktionellt för långa muskel utflykter och mindre viktig för produktion av kraft, medan SOL är en antigravity muskel som utformats för att generera hög kraft med liten utflykt av muskel2. Båda musklerna är särskilt relevant under upprätt postural och dynamiska uppgifter (t.ex. promenader)3,4. Angående kontroll av nerver få motorneuron pooler av både muskler neurala drive från hjärnan via motorn fallande vägar5,6, förutom varierande grad av sensorisk bilresa.
Huvudmotorn fallande pathway är den corticospinal tarmkanalen, som påbörjar från det primära, premotor och kompletterande motor och avslutar i spinal motorneuron pool7,8. I människor, kan funktionella tillståndet för denna trakt (corticomotor svar - CMR) lämpligen bedömas med transkraniell magnetisk stimulering (TMS), en icke-invasiv hjärnan stimulering verktyg9,10. Sedan införandet av TMS och med tanke på deras funktionella betydelse under upprätt postural aktivitet och promenader, har CMR av TA och SOL utvärderats i olika kohorter och uppgifter11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .
I motsats till bedömningen av CMR i övre-extremitet muskler33, har ingen universell TMS-protokollet fastställts för bedömningen av CMR i nedre-extremitet muskler. På grund av avsaknaden av ett etablerat protokoll och den stora metodologiska variationen över de tidigare studierna (t.ex. typ av spolen, användning av neuronavigation, tonic aktivering, testning sida och muskel, använda och beräkning av CMR åtgärder, etc. ), tolkning av resultat över studier och kohorter kan vara besvärliga, komplicerade och felaktig. Eftersom åtgärderna som är funktionellt relevanta i olika motoriska aktiviteter, gör ett etablerat TMS protokoll som är specifika för nedre extremitet CMR bedömning att motor neuroforskare och rehabilitering forskare för att systematiskt bedöma CMR i dessa muskler över sessioner och olika kohorter.
Syftet med detta protokoll är därför att beskriva bilaterala bedömningen av TA och SOL CMR med enda puls TMS och neuronavigation system. I motsats till tidigare arbete syftar detta protokoll till att maximera noggrannheten i den experimentella procedurer, datainsamling och dataanalys genom att anställa metodologiska faktorer som optimerar giltigheten och varaktigheten av experimentet och standardisera CMR bedömning av dessa två nedre extremiteter muskler. Med tanke på att CMR av en muskel beror på om muskeln är helt avslappnad eller aktiveras delvis, beskriver det här protokollet hur de TA och SOL CMR kan bedömas under vila och tonic frivilliga aktiveringen (TVA). Följande avsnitt kommer att noggrant beskriva detta protokoll. Slutligen, representativa uppgifter presenteras och diskuteras. Protokollet beskrivs här härstammar från som 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

Distala benmuskler få neurala input från motor kortikala områden via corticospinal tarmkanalen, som är en av de viktigaste motor fallande clearanceväg människor och kan bedömas med transkraniell magnetisk stimulering (TMS). Tanke på rollen för distala benmuskler i upprätt postural och dynamiska uppgifter, såsom promenader, en växande forskningsintresse för bedömning och modulering av de corticospinal trakter i förhållande till funktionen av dessa muskler har vuxit fram under det senaste decenniet. Metodologiska parametrar som används i tidigare arbete har dock varierat i studier att göra tolkningen av resultat från tvärsnittsdata och longitudinella studier mindre robust. Därför kan användning av ett standardiserat TMS specifika för bedömningen av benmusklerna corticomotor respons (CMR) för direkt jämförelse av resultat över studier och kohorter. Syftet med denna uppsats är att presentera ett protokoll som ger dig flexibilitet att samtidigt bedöma den bilaterala CMR av två huvudsakliga fotled antagonistiska muskler, den tibialis anterior och soleus, med enda puls TMS med ett neuronavigation system. Detta protokoll är tillämpligt medan undersökta muskeln är antingen fullt ut avslappats eller isometrically iklätts en definierad andel av maximal isometrisk frivillig kontraktion. Med varje försökspersonens strukturella MRI med neuronavigation systemet säkerställer korrekt och exakt positionering av spolen över benet kortikala framställningarna under bedömning. Inkonsekvensen i CMR härledda åtgärder får beskriver det här protokollet också en standardiserad beräkning av dessa åtgärder med hjälp av automatiska algoritmer. Om detta protokoll inte bedrivs under upprätt postural eller dynamiska uppgifter, kan det användas för att bedöma bilateralt något par av benmusklerna, antingen antagonistiska eller synergistisk, i både neurologiskt intakta och nedsatt ämnen.

Figurerna 2-4 presentera data från en representativ neurologiskt intakta 31-årig man med längd och vikt 178 cm och 83 kg, respektive.
Figur 2 presenterar bilaterala oroshärdar och RMT varje fotled muskler. Använda plats ligger på mitten av området benet i varje halvklotet (se rutorna i figur 1B), intensiteten i 45% MSO användes bilateralt för het fläck jakt. Het fläck platsen för varje muskel skilde sig mellan hjärnhalvorna, 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

Protokolls beskriver samtidiga, bilaterala bedömningen av corticomotor svar av tibialis anterior och soleus under vila och tonic frivilliga aktiveringen med hjälp av en enda puls transkraniell magnetisk stimulering och neuronavigation systemet.

Bilaterala bedömning av Corticospinal vägar av fotled muskler använder navigerat 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 ...

Detta protokoll är kritiskt viktigt eftersom det standardiserar ett tillvägagångssätt med en mycket svår uppgift att upptäcka motor-framkallade potentialer i den distala nedre änden musklerna. Den största fördelen med denna teknik är att den konsoliderar litteraturen i samband med lägre änden stimulering, som ofta fokuserar bara på tibialis främre och använder en mängd olika tekniker. Vi har studerat denna teknik i neurologiskt friska individer samt de med stroke.Men är vikten av tekniken i standardisera nedre änden bedömningar. Tekniken möjliggör möjligheten att identifiera luckorna i vår förståelse av motorisk kontroll under gång och återbesök forskning som inte gjorde det möjligt för kontroll av störande faktorer. Demonstrerar proceduren kommer att vara John Kindred, PhD, en postdoktor, och Brian Cence, en forskningskoordinator, båda från vårt forskningslaboratorium.Börja med att ladda upp motivets MR-filer i ett neuronavigationssystem. Sedan, manuellt samregistrera MRI till främre och bakre commissures, så att Montreal Neurologiska Institutet Atlas kan användas. Därefter rekonstruera huden och full kurvigalinjära hjärnan modell genom att justera begränsningsramen runt skallen och hjärnvävnader.Identifiera fyra anatomiska landmärken med hjälp av hudmodellen, inklusive nästippen, nasion och supratragic notch av höger och vänster öra. Nu, placera en rektangulär rutnät över benet motor område i varje halvklot. Placera den centrerade raden av gallret i mitten och över benmotorns kortikala områdes gyrus.Placera sedan den mediala kolonnen i rutnätet parallellt och intill den mediala väggen i den ipsilaterala hemisfären. Detta rutnät kommer att användas för att hitta den heta punkten. För motor kartläggning, använda större galler, antingen genom att lägga till fler fläckar eller öka avståndet mellan fläckar som behövs.Utför placeringar av elektroder medan motivet är i stående ställning. Först förbereda de områden där varje elektrod kommer att placeras genom att först raka och sedan lätt exfoliera alla döda hudceller och oljor med hjälp av alkohol svabbprover. Därefter ber du motivet att lyfta tårna uppåt och sedan placera elektroden vid den övre tredjedelen av linjen mellan vadbenets huvud och mediala malleolus.Gör detta bilateralt för placering på tibialis främre. Nu, bifoga elektroder bilateralt på laterala soleus. Be motivet att höja sin häl och sedan placera elektroden vid den nedre tredjedelen av linjen mellan den laterala femorala condyle och laterala malleolus under gastrocnemius muskel mage.Också, bifoga marken referens passiv elektrod antingen på patella eller laterala malleolus bilateralt eller ensidigt, beroende på EMG förvärvsenhet i bruk. Testa elektrodplaceringen genom att be försökspersonen att antingen dorsiflex eller plantarflex vristen i en upprätt hållning medan du visar den råa EMG-signalen för alla muskler som testats på en datorskärm. Om en elektrod är felplacerad, ta bort och ersätta den tills tydliga detekterbara EMG-skurar med minimalt bakgrundsljud ses.Sedan, med motivet sittande med sina muskler i vila, testa signalkvaliteten genom att urladda några TMS pulser medan spolen hålls borta från motivet. Det mest avgörande steget i denna teknik är att kontrollera att EMG-signalen är så fri från buller som möjligt. Underlåtenhet att göra detta på ett adekvat sätt gör dataanalys otroligt svårt.Kontrollera därefter att baslinjesignalen för varje EMG-kanal är nära noll. Om buller förekommer i en kanal, ta bort motsvarande elektrod och upprepa hudberedningsförfarandena. Om bruset fortfarande finns justerar du referenselektrodens läge och ersätter elektrolytgelen.När en bra signal är verifierad, linda alla elektroder med hjälp av ljusskum pre-wrap tejp för att hålla dem på plats och för att minska rörelse artefakt från EMG. Nu, placera ämnet i en stol och, för att säkerställa konsekventa fötter placering över ämnen, säkra båda fötterna i walking stövlar som gör att ankeln rörelseomfång som ska justeras till en viss position och ge motstånd under tonic frivillig åtgärd. Justera också både höft- och knävinklar för att undvika ämnes obehag och instruera motivet att förbli stilla under hela experimentet.Börja tonic frivilliga aktiveringstestning genom att först bestämma den maximala frivilliga isometrisk sammandragning av varje muskel bilateralt. För varje rörelse, instruera ämnet att maximalt kontrakt den kontralateral undersökta muskeln fyra gånger. Därefter verifierar du rörelsefångstkamerans position genom att placera motivets spårare, pekare och spolspåraren i dess infångstvolymutrymme.Sedan utför motivet bildregistrering genom att placera spetsen på pekaren på de fyra anatomiska landmärken. Nu, bestämma hot spot av båda musklerna bilateralt. Först, hitta suprathreshold intensitet genom att tillämpa en enda stimulans över den centrerade platsen bredvid den interhemispheric spricka.Nästa, börja på låg intensitet och gradvis öka TMS intensitet med fem procent steg tills nå en intensitet som framkallar en motor-evoked potential med en topp till topp amplitud större än 50 mikrovolt i alla kontralateral undersökta muskler eller tre på varandra följande stimuli och upprepa för varje muskel. Applicera en TMS-puls på varje plats i rutnätet. Sedan överför amplitudvärdena för varje plats för alla kontralaterala muskler i ett kalkylblad och sortera amplitud från hög till låg.Identifiera hot spot av kontralateral tibialis främre och soleus muskler som en plats i rutnätet med den största amplituden och den kortaste latens. Välj rutnätsfläcken i neuronavigationssystemet som motsvarar en av muskelns hot spots. Därefter ställer du in den initiala intensiteten och stegstorleken vid 45 och sex procent maximal stimulatorutgång.Använd sedan en adaptiv tröskeljaktmetod för vilomotor tröskelbestämning. Gör detta två gånger för varje muskel och använda genomsnittet för sunsequent corticomotor svar bedömning. Nu, för att bedöma bilaterala kortikomotoriska svar under vila, välj nätet plats i neuronavigation system som motsvarar den undersökta muskelns hot spot.Före varje stimulans, instruera ämnet att stanna stilla och slappna av de undersökta musklerna bilateralt och övervaka aktiviteten av alla muskler med hjälp av en realtid visuell feedback. Applicera tio enda TMS pulser vid 120%av vilande motor tröskel av den undersökta muskeln. Om någon muskel är aktiv före eller efter TMS, kassera den prövningen och applicera ytterligare enstaka puls.Upprepa detta tills 10 vågformer för varje kontralateral undersökta muskeln i vila har samlats in. Därefter bedöma kortikomotoriska svaret under tonic frivilliga aktivering bilateralt. Välj samma rutnät fläckar i neuronavigation systemet som användes under viloförhållanden.Be försökspersoner att kontraktera den undersökta muskeln vid cirka 15%maximalt muskelaktivitetsvärde och applicera 10 enstaka TMS-pulser vid 120%av vilomotortröskel. Be dem att hålla den visade smidiga rörliga linjen i den undersökta muskeln inom de två horisontella markörerna och att upprätthålla denna sammandragning på den nivån i några sekunder. När tibialis främre är den undersökta muskeln, be ämnen att dra något upp mot boot banden för benet kontralateral till stimulerade halvklotet.När soleus är den undersökta muskeln, be försökspersoner att trycka något ner mot stöveln på kontralateralbenet. Övervaka muskelaktiviteten hos de aktiva och vilomuskulaturerna med hjälp av visuell feedback i realtid. Om den undersökta muskelns aktivitet ligger under eller över det förutbestämda intervallet, eller om någon annan muskel aktiveras, kassera stimulansen och applicera ytterligare enstaka puls.Samla in 10 försök medan den undersökta muskeln aktiveras på det förutbestämda intervallet. Denna siffra visar bilaterala tibialis främre och soleus hot spots. Här representerar barområden den genomsnittliga vilomotor tröskeln för två bedömningar för varje muskel, medan värdena nedan betecknar antalet stimuli tillämpas.Den streckade linjen anger den intensitet som används för hot spot-jakten. Denna figur visar de bilaterala svaren av tibialis främre och soleus när deras hot spot stimulerades under vila. Den bilaterala EMG genomsnittliga vågform av varje muskel visas.Om en motor-framkallat potential var närvarande, presenteras värdena för topp till topp amplitud och latens. Här ser vi bilaterala svar när hot spots stimulerades under tonic frivilliga åtgärder. EMG av de bilaterala musklerna samlades medan den undersökta kontralateral muskel aktiverades på ca 15%maximalt frivilliga isometrisk kontraktion.Ytterligare analys kan genomföras för att hjälpa till att besvara frågor angående den kortikala spinal tract post-stroke eftersom data i protokollet samlas in i agonist och antagonist muskelgrupper bilateralt. Forskning fortsätter att använda denna teknik för att bestämma de enskilda bidragen från flera faktorer till kortikomotoriska svar för att öka vår övergripande förståelse av den motoriska kontrollen av promenader. Det bör noteras att det finns riskfaktorer på grund av det höga magnetfält som bör redovisas av screening ämnen före detta förfarande.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

A Novel Approach for Documenting Phosphenes Induced by Transcranial Magnetic Stimulation

En ny metod för att dokumentera fosfener framkallas av transkraniell magnetisk stimulering

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

Kombinera transkraniell magnetisk stimulering och fMRI för att undersöka nätverket standardläge

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

Elektrod Positionering och Montage i Transkraniell likström stimulering

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

Användning av magnetisk resonansspektroskopi som ett verktyg för mätning av Bi-hemisfären transkraniell elektriska retningar Effekter på Primär 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

Effekterna av transkraniell växelström stimulering på primära motoriska Cortex av Online kombinerat tillvägagångssätt 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 protokoll för mätning av kortikal fysiologi är associerad med svar hämning

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

Kombinerade transkraniell magnetisk stimulering och elektroencefalografi av dorsolaterala prefrontala 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 platsbestämning med hjälp av en 3D-digitizer med högupplöst transcranial rikta ström 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

Mätning och manipulera funktionellt specifika neurala vägar i det mänskliga 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 ...