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神经科学

Bilateralen Bewertung der kortikospinalen Bahnen der Knöchel Muskeln mit navigierte transkranielle Magnetstimulation

Published: February 19, 2019
doi:
10.3791/58944
, , , ,
1Department of Neurology,New York University School of Medicine, 2Department of Health Sciences and Research,Medical University of South Carolina, 3Department of Physical Therapy,University of Nevada Las Vegas, 4Department of Health Professions,Medical University of South Carolina, 5Ralph H. Johnson VA Medical Center, 6Department of Psychiatry,Medical University of South Carolina, 7Division of Physical Therapy,Medical University of South Carolina

Summary

Dieses Protokoll beschreibt die gleichzeitige, bilateralen Bewertung der Corticomotor Reaktion des m. Tibialis anterior und Soleus während der Rest und Tonic freiwillige Aktivierung mit einem Einzelimpuls Transcranial magnetische Anregung und neuronavigation System.

Abstract

Distal Beinmuskeln erhalten neuronalen Input von motorischen kortikale Areale über des kortikospinalen Trakts, die motorischen absteigenden Hauptweg beim Menschen zählt und mit Hilfe der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) beurteilt werden können. Angesichts der Rolle der distalen Beinmuskulatur in aufrechten Haltungs- und dynamische Aufgaben, wie walking, ist ein wachsendes Forschungsinteresse bei der Beurteilung und Modulation der kortikospinalen Traktate bezogen auf die Funktion dieser Muskeln in den letzten zehn Jahren entstanden. Allerdings haben methodische Parameter in früheren Arbeiten über Studien, so dass die Interpretation der Ergebnisse von Querschnitts- und longitudinale Studien weniger robust variiert. Daher ermöglicht die Verwendung eines standardisierten TMS-Protokolls, die spezifisch für die Beurteilung der Beinmuskulatur Corticomotor Reaktion (CMR) zum direkten Vergleich der Ergebnisse über Studien und Kohorten. Das Ziel dieses Papiers ist ein Protokoll zu präsentieren, das bietet die Flexibilität, um gleichzeitig die bilateralen CMR der zwei wichtigsten Knöchel antagonistischen Muskeln, die Tibialis anterior und Soleus, mit einzelnen Impuls TMS mit einem Neuronavigation System bewerten. Dieses Protokoll gilt, während die untersuchte Muskel ist entweder vollständig entspannt oder isometrisch an einen bestimmten Prozentsatz der maximalen isometrischen freiwillige Kontraktion vertraglich. Mit jedem Fach strukturellen MRT mit der Neuronavigation-System sorgt für genaue und präzise Positionierung der Spule über das Bein kortikale Repräsentationen während der Bewertung. Die Inkonsistenz im CMR abgeleiteten Maßnahmen gegeben, beschreibt dieses Protokoll auch eine standardisierte Berechnung dieser Maßnahmen mit automatisierten Algorithmen. Obwohl dieses Protokoll nicht während aufrechter Körperhaltung oder dynamische Aufgaben durchgeführt wird, es lässt sich bilateral jedes Paar der Beinmuskulatur, antagonistischen oder synergistische bei neurologisch intakten und beeinträchtigte Personen zu beurteilen.

Introduction

M. Tibialis anterior (TA) und Soleus (SOL) sind Knöchel antagonistischen Muskeln befindet sich im vorderen und hinteren Abteil des Unterschenkels, beziehungsweise. Beide Muskeln sind Uniarticular, während die Hauptfunktion des TA und SOL, Dorsiflex und Plantarflex die Sprunggelenke Gelenk bzw.1. Darüber hinaus ist TA funktioneller für lange Muskel Ausflüge und weniger wichtig für die Produktion der Kraft, während SOL eine Antigravitation Muskel entwickelt, um hohe Kraft mit kleinen Ausflug der Muskel2zu erzeugen. Beide Muskeln sind während der aufrechte Körperhaltung und dynamische Aufgaben (z. B. walking)3,4besonders relevant. Über neuronale Kontrolle erhalten die Motoneuron-Pools der beiden Muskeln neuronale Laufwerk aus dem Gehirn über die absteigenden Bahnen5,6, neben unterschiedlicher sensorischen Antrieb Motor.

Der Hauptmotor absteigender Weg ist des kortikospinalen Trakts, die stammt aus der primären, prämotorischen und zusätzlichen motorischen Areale und endet in der spinal Motoneuron Becken7,8. Beim Menschen kann der Funktionszustand des dieses Traktat (Corticomotor Response – CMR) durchaus realistisch mit der transkraniellen Magnetstimulation (TMS), eine nicht-invasive Gehirn Stimulation Werkzeug9,10bewertet werden. Seit der Einführung der TMS und angesichts ihrer funktionellen Bedeutung während aufrechter Körperhaltung Aufgabe und walking sind CMR von TA und SOL in verschiedenen Kohorten und Aufgaben11,12,13,14 untersucht worden ,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29,30,31,32 .

Im Gegensatz zu der Bewertung der CMR in Muskeln der oberen Extremitäten33entstand kein universal TMS-Protokoll für die Beurteilung der CMR in den Muskeln der unteren Extremitäten. Aufgrund des Fehlens von einer etablierten Protokoll und die große methodische Variabilität über die früheren Studien (z. B. Art der Spule, Nutzung der Neuronavigation, der tonische Aktivierung, Test Seite und Muskel, verwenden und Berechnung der CMR misst, etc.. ), die Interpretation der Ergebnisse in Studien und Kohorten können umständlich, kompliziert und ungenau. Da die Maßnahmen in verschiedenen motorischen Aufgaben funktional relevant sind, ermöglicht eine etablierte TMS protokollspezifisch zu senken Sie Extremität CMR Bewertung motor Neurowissenschaftler und Reha-Wissenschaftler das CMR in diesen Muskeln über systematisch zu bewerten Sitzungen und verschiedenen Kohorten.

Daher ist das Ziel dieses Protokolls, die bilateralen Bewertung der TA und SOL CMR mit einzelnen Impuls TMS und Neuronavigation System zu beschreiben. Dieses Protokoll soll im Gegensatz zu früheren Arbeiten der Maximierung der Strenge der experimentellen Verfahren, Datenerfassung und Datenanalyse durch den Einsatz von methodischer Faktoren, die die Gültigkeit und Dauer des Experiments zu optimieren und standardisieren die CMR Bewertung von diesen beiden Muskeln der unteren Extremität. Angesichts der Tatsache, dass die CMR eines Muskels hängt davon ab, ob der Muskel ist völlig entspannt oder teilweise aktiviert, beschreibt dieses Protokoll, wie die TA und SOL CMR während der Rest und Tonic freiwillige Aktivierung (TVA) bewertet werden kann. Den folgenden Abschnitten werden gründlich dieses Protokolls werden. Zu guter Letzt werden repräsentative Daten vorgestellt und diskutiert werden. Das hier beschriebene Protokoll wird im Charalambous Et Al. 201832daraus abgeleitet.

Protocol

Alle experimentelle Verfahren präsentiert in diesem Protokoll von der örtlichen Institutional Review Board genehmigt worden und sind in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki. 1. Zustimmung Prozeß und Sicherheit Fragebögen Erklären Sie vor jedem Experiment zu jedem Thema bezüglich der Studie, die wichtigsten experimentellen Verfahren und jede mögliche Risikofaktoren im Zusammenhang mit der Teilnahme an der Studie. Fragen Sie nach Beantwortung von Fragen oder Anliege…

Representative Results

Abbildungen 2-4 präsentieren Daten von einem repräsentativen neurologisch intakten 31 Jahre alten Mann mit Größe und Gewicht von 178 cm und 83 kg, jeweils. Abbildung 2 zeigt die bilateralen Hot Spots und RMT jeden Muskel Knöchel. Vor Ort befinden sich auf der Mitte des Bereichs Bein in jeder Hemisphäre (siehe Kästchen in Abb. 1 b), die Intensität von 45 % MSO bilateral für die Jagd auf Hot-Spot verwendet wurde. Der Hotspot-Standort f?…

Discussion

Angesichts der aufkommenden Interesse an wie der motorische Kortex zur Motorsteuerung der Beinmuskulatur bei dynamischen Aufgaben in verschiedenen Kohorten beiträgt, wird eine standardisierte TMS-Protokoll, die beschreibt die gründliche Bewertung dieser Muskeln benötigt. Also, zum ersten Mal dieses Protokolls bietet standardisierte methodische Verfahren auf bilateralen Bewertung der beiden Knöchel antagonistischen Muskeln, SOL und TA, während zwei Muskel Staaten (Rest und TVA) mit einem Einzelimpuls TMS mit Neuronav…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken Dr. Jesse C. Dean für die Hilfe mit methodischen Entwicklung und Bereitstellung von Feedback auf einen Entwurf des Manuskripts. Diese Arbeit wurde durch eine VA Karriere Entwicklung Award-2 RR & D N0787-W (MGB), eine institutionelle Development Award von der National Institute of General Medical Sciences des NIH unter Grant-Nummer P20-GM109040 (SAK) und P2CHD086844 (SAK) unterstützt. Der Inhalt stellt nicht die Aussicht auf das Department of Veterans Affairs oder Regierung der Vereinigten Staaten dar.

Materials

2 Magstim stimulators (Bistim module) The Magstim Company Limited; Whitland, UK Used to elicit bilateral motor evoked potentials in tibialis anterior and soleus muscles.
Adaptive parameter estimation by sequential testing (PEST) for TMS http://www.clinicalresearcher.org/software.htm Used to determine motor thresholds.
Amplifier Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA MA-300 Used to amplify EMG data.
Data Aqcuisition Unit Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA Micro 1401 Used to aqcuire EMG data.
Double cone coil The Magstim Company Limited; Whitland, UK PN: 9902AP Used to elicit bilateral motor evoked potentials in tibialis anterior and soleus muscles.
Polaris Northen Digital Inc.; Waterloo, Ontario, Canada Used to track the reflectiive markers located on subject tracker and coil tracker.
Signal Cambridge Electronics Design Limited; Cambridge, UK version 6 Used to collect motor evoked potentials during rest and TVA.
Single double differential surface EMG electrodes Motion Lab Systems; Baton Rouge, LN, USA MA-411 Used to record EMG signals.
TMS Frameless Stereotaxy Neuronavigation Sytem Brainsight 3, Rouge Research,
Montreal, Canada		 Used to navigate coil position during TMS assessment.
Walker boot Mountainside Medical Equipment, Marcy, NY Used to stabilize ankle joint.
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Charalambous, C. C., Liang, J. N., Kautz, S. A., George, M. S., Bowden, M. G. Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (144), e58944, doi:10.3791/58944 (2019).
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