İnme Sonrası Alt Ekstremite Kaslarının Ayakta Nörofizyolojik Değerlendirmesi
Summary
Bu protokol, inme sonrası kişilerde TMS kullanılarak ayakta bir pozisyonda alt ekstremite kaslarının, tibialis ön ve soleus’un nörofizyolojik bir değerlendirmesini yapma sürecini açıklar. Bu pozisyon, inme sonrası TMS yanıtı verme olasılığının daha yüksek olduğunu ve nörofizyolojik değerlendirmeler sırasında azaltılmış uyarıcı gücünün kullanılmasını sağlar.
Abstract
Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS), sağlıklı ve nörolojik olarak bozulmuş popülasyonlarda motor devrelerinin davranışını ölçmek için kullanılan yaygın bir araçtır. TMS, motor kontrolü ve üst ekstremitelerin nörorehabilitasyonuna yanıtı incelemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, TMS daha düşük ekstremite postural ve yürüyüşe özgü motor kontrolü çalışmasında daha az kullanılmıştır. Düşük ekstremiteli TMS değerlendirmelerinin sınırlı kullanımı ve ek metodolojik zorlukları literatür içinde alt ekstremite TMS prosedürlerinde tutarlılık eksikliğine katkıda bulunmuştur. Daha düşük ekstremiteli TMS motor çağrışan potansiyelleri (MEP) kaydetme yeteneğinin azalmasından ilham alan bu metodolojik rapor, inme sonrası TMS değerlendirmelerini ayakta bir duruşta etkinleştirme adımlarını detaylandırıyor. Ayakta duruş, nöromüsküler sistemin aktivasyonuna izin verir ve postural ve yürüyüş görevleri sırasında sistemin durumuna daha benzer bir durumu yansıtır. Çift üst kuvvet plakaları kullanarak, katılımcılara ağırlıklarını paretik ve paretik olmayan bacakları arasında eşit olarak dağıtmaları talimatını verdik. Katılımcıların ağırlık dağılımına ilişkin görsel geri bildirimde bulunundu. Görüntü yönlendirme yazılımını kullanarak, katılımcıların lezyonlu ve lezyonsuz yarımkürelerine çift koni bobini ile tek TMS darbeleri verdik ve paretik ve paretik olmayan tibialis ön ve soleus kaslarının kortizomotor tepkisini ölçtük. Ayakta değerlendirmelerin yapılması TMS yanıt oranını artırdı ve standart oturma/dinlenme pozisyonuna kıyasla daha düşük stimülasyon yoğunluklarının kullanılmasına izin verdi. Bu TMS protokolünün kullanımı, postüral ve yürüme bozukluklarının nörorehabilitasyonu ilgi çekici olduğunda, inme sonrası alt ekstremite corticomotor yanıtını değerlendirmek için ortak bir yaklaşım sağlayabilir.
Introduction
Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS), sinir devrelerinin davranışını ölçmek için kullanılan bir araçtır. Motor kontrol/performans çalışmasına odaklanan TMS araştırmalarının büyük çoğunluğu üst ekstremitelerde yapılmıştır. Üst ve alt ekstremite çalışmaları arasındaki dengesizlik kısmen alt ekstremite corticomotor yanıtının (CMR) ölçülmesedeki ek zorluklardan kaynaklanmaktadır. Bu metodolojik engellerden bazıları, motor korteks içindeki alt ekstremite kaslarının daha küçük kortikal temsillerini ve kafa derisine göre temsillerin daha derin konumunuiçerir 1. Nörolojik yaralanma olan popülasyonlarda ek engeller de mevcuttur. Örneğin, inme sonrası bireylerin yaklaşık yarısı alt ekstremite kaslarında istirahatte TMS’ye yanıt göstermez2,3. TMS’ye inme sonrası yanıt eksikliği, hastalar kasların bazı iradesel kontrolünü sürdürdüklerinde bile görülür, bu da en azından kısmen bozulmamış bir kortikospinal sisteme işaret eder.
Motor fonksiyonu korunmuş ölçülebilir TMS yanıtlarının olmaması, inme sonrası postural ve yürüyüşe özgü motor kontrolü ve nörorehabilitasyonun nörofizyolojik etkilerini anlamamızın azalmasına katkıda bulunur. Bununla birlikte, inme sonrası alt ekstremite nörofizyolojik değerlendirmelerinin bazı zorlukları aşılmıştır. Örneğin, çift koni bobini, interhemisferik fissür1’inderinliklerinde bulunan alt ekstremite motonöronlarını güvenilir bir şekilde etkinleştirmek için kullanılabilir. Çift koni bobini, beynin daha derinlerine nüfuz eden daha büyük ve daha güçlü bir manyetik alanüretir. TMS’ye yanıt verme hızını artırmak için uygulanabilecek bir diğer metodolojik değişiklik, hafif bir gönüllü daralma sırasında CMR’yi ölçmektir5. Genel olarak, bu kasılma önceden belirlenmiş bir maksimal gönüllü eklem torku veya maksimal elektromiyografik (EMG) kas aktivitesi seviyesinde gerçekleştirilir. Periferik sinir stimülasyonu maksimal kas yanıtı vermek için de kullanılabilir ve bu yanıtın kaydedilen EMG’si kasın hedeflenen gönüllü aktivasyonunu ayarlamak için kullanılabilir.
Aktif kas kasılması sırasında inme sonrası TMS değerlendirmesi yapmak, izometrik görevlerin fonksiyonel aktiviteleri taklit edebileceği üst ekstremitelerde oldukça yaygındır, örneğin nesneleri kavramak /tutmak. Buna karşılık, yürüme kortikal, subkortikal ve omurilik yapıları aracılığıyla birden fazla kas grubunun bilateral aktivasyonu ile gerçekleştirilir ve yerçekiminin etkilerine karşı koymak için postural kas aktivasyonu gerektirir. İzometrik kasılma üreten izole kaslar ölçülürken bu aktivasyon durumu büyük olasılıkla yansıtılmamaktadır. Katılımcılar 6 ,7,8 ve ayaktayürürken,postural ve yürüyüşe özgü motor kontrolü anlamaya yönelik önceki birkaç çalışma TMS darbeleri verdi veayakta 9,10 ,11,12,13,14,15 . CMR’nin dik pozisyonda ölçüldür, postural kasların ve postural ve yürüyüş motor kontrol ağlarının subkortikal bileşenlerinin aktivasyonuna izin verir. Bugüne kadar, inme sonrası bireylerde ayakta TMS değerlendirmeleri yapıldığına dair herhangi bir rapor olmamıştır.
Bu çalışma, CMR post-stroke’un ayakta TMS değerlendirmesi için ayakta TMS yöntemleri6,7,8,9,10,11,12,13,14,15’inmevcut literatür gövdesi üzerine inşa edilmiş standartlaştırılmış bir metodoloji önermektedir. Bu metodoloji, postural açıkları ve inme sonrası yürüyüşe özgü motor kontrolü üzerinde çalışarak ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere araştırma grupları tarafından kullanılabilir ve TMS prosedürlerinin daha fazla tutarlılığını sağlayabilir. Bu metodolojik araştırmanın amacı, orta derecede yürüme bozukluğu olan inme sonrası bireylerde ayakta TMS değerlendirmelerinin mümkün olup olmadığını belirlemekti. Değerlendirmelerin ayakta yapılması 1) ölçülebilir bir yanıt (motor çağrıştıran potansiyel, MEP) ve 2) ayakta TMS değerlendirmeleri yapmak için kullanılan uyarıcı gücünün / yoğunluğunun genellikle yapılan oturma / dinlenme değerlendirmelerinden daha düşük olacağını varsaydık. Bu protokolün başarıyla tamamlanması ve yaygın olarak kullanılmasının, inme sonrası postural ve yürüyüşe özgü motor kontrolün nörofizyolojik yönlerinin ve nörorehabilitasyonun etkilerinin daha iyi anlaşılmasına yol açabileceğine inanıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deneysel protokol çoğu katılımcı tarafından iyi tolere edildi. Bir birey, diyabetik komplikasyonlara sekonder önceden var olan decubitus ülserleri ve önceden var olan diz ağrısını içeren ortopedik sorunlar nedeniyle ayakta TMS değerlendirmesini tamamlayamadı. Vücut ağırlığının bacaklardan yüklenmesi/boşaltılması miktarı minimumdu. Bununla birlikte, ortalama olarak, TMS darbelerinin uygulanması sırasında ölçülen biraz daha büyük bir aşağı doğru kuvvet vardı. Bunun nedeni muhtemelen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, katılımcı alımı ve veri toplamadaki katkılarından dolayı Bay Brian Cence ve Bayan Alyssa Chestnut’ı kabul etmek istiyor.
Bu projenin finansmanı kısmen NIH Ulusal Rehabilitasyon Nöromodülasyon Merkezi (NM4R) (HD086844) ve Gazi İşleri Rehabilitasyon Araştırma ve Geliştirme Kariyer Geliştirme Ödülü 1 (RX003126) ve Liyakat ödülü (RX002665) tarafından sağlanmıştır.
Bu raporun içeriği ABD Gazi İşleri Bakanlığı, ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri veya Abd Hükümeti’nin görüşlerini temsil etmez.
Materials
| Data Acquisition Software | MathWorks | MatLab | The custom data collection program was written in Matlab. However, other software/hardware providers can be used (e.g. National Instruments, AD Instruments, CED Spike2 or Signal) |
| Double-cone coil | Magstim | D110 | Double-cone coil for TMS pulse delivery |
| Dual force plate | Advanced Mechanical Technology Inc (AMTI) | Dual-top Accusway | Force plate used to measure force/weight distrobution under each leg independently. |
| Dual-pulse TMS | Magstim | Bistim 200 | Connects two Magstim 200 units together for dual-pulse applications |
| EMG pre-amplifiers | Motion Labs Inc | MA-422 | Preamplifiers for disposable surface EMG electrodes |
| EMG system | Motion Labs Inc | MA400 | EMG system for data collection |
| Neuronavigation System | Rogue Research | Brainsight | Software and hardware used to ensure consistent placement/delivery of magnetic stimulations. Marking the stimulation location on a participant's head or on a place showercap can also be used in the absence of neuronavigational software. |
| Recruitment Database | N/A | N/A | Electronic database including names of possible individuals who are eligble for your studies. |
| TMS unit (x2) | Magstim | Magstim 200 | Delivers TMS pulses |
References
- Kesar, T. M., Stinear, J. W., Wolf, S. L. The use of transcranial magnetic stimulation to evaluate cortical excitability of lower limb musculature: Challenges and opportunities. Restorative Neurology and Neuroscience. 36 (3), 333-348 (2018).
- Sivaramakrishnan, A., Madhavan, S. Absence of a transcranial magnetic stimulation-induced lower limb corticomotor response does not affect walking speed in chronic stroke survivors. Stroke. 49 (8), 2004-2007 (2018).
- Kindred, J. H., et al. Individualized responses to ipsilesional high-frequency and contralesional low-frequency rTMS in chronic stroke: A pilot study to support the individualization of neuromodulation for rehabilitation. Frontiers in Human Neuroscience. 14, 578127 (2020).
- Lu, M., Ueno, S. Comparison of the induced fields using different coil configurations during deep transcranial magnetic stimulation. PLoS One. 12 (6), 0178422 (2017).
- Hess, C. W., Mills, K. R., Murray, N. M. Responses in small hand muscles from magnetic stimulation of the human brain. The Journal of Physiology. 388, 397-419 (1987).
- Petersen, N., Christensen, L. O., Nielsen, J. The effect of transcranial magnetic stimulation on the soleus H reflex during human walking. The Journal of Physiology. 513, 599-610 (1998).
- Capaday, C., Lavoie, B. A., Barbeau, H., Schneider, C., Bonnard, M. Studies on the corticospinal control of human walking. I. Responses to focal transcranial magnetic stimulation of the motor cortex. Journal of Neurophysiology. 81 (1), 129-139 (1999).
- Schubert, M., Curt, A., Colombo, G., Berger, W., Dietz, V. Voluntary control of human gait: conditioning of magnetically evoked motor responses in a precision stepping task. Experimental Brain Research. 126 (4), 583-588 (1999).
- Ackermann, H., Scholz, E., Koehler, W., Dichgans, J. Influence of posture and voluntary background contraction upon compound muscle action potentials from anterior tibial and soleus muscle following transcranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 81 (1), 71-80 (1991).
- Lavoie, B. A., Cody, F. W., Capaday, C. Cortical control of human soleus muscle during volitional and postural activities studied using focal magnetic stimulation. Experimental Brain Research. 103 (1), 97-107 (1995).
- Soto, O., Valls-Solé, J., Shanahan, P., Rothwell, J. Reduction of intracortical inhibition in soleus muscle during postural activity. Journal of Neurophysiology. 96 (4), 1711-1717 (2006).
- Kesar, T. M., Eicholtz, S., Lin, B. J., Wolf, S. L., Borich, M. R. Effects of posture and coactivation on corticomotor excitability of ankle muscles. Restorative Neurology and Neuroscience. 36 (1), 131-146 (2018).
- Nandi, T., et al. In standing, corticospinal excitability is proportional to COP velocity whereas M1 excitability is participant-specific. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 303 (2018).
- Tokuno, C. D., Keller, M., Carpenter, M. G., Márquez, G., Taube, W. Alterations in the cortical control of standing posture during varying levels of postural threat and task difficulty. Journal of Neurophysiology. 120 (3), 1010-1016 (2018).
- Mouthon, A., Taube, W. Intracortical inhibition increases during postural task execution in response to balance training. 신경과학. 401, 35-42 (2019).
- 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. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (144), (2019).
- Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. Journal of Electromyography and Kinesiology. 10 (5), 361-374 (2000).
- Tankisi, H., et al. Standards of instrumentation of EMG. Clinical Neurophysiology. 131 (1), 243-258 (2020).
- Mishory, A., et al. The maximum-likelihood strategy for determining transcranial magnetic stimulation motor threshold, using parameter estimation by sequential testing is faster than conventional methods with similar precision. The Journal of ECT. 20 (3), 160-165 (2004).
- Borckardt, J. J., Nahas, Z., Koola, J., George, M. S. Estimating resting motor thresholds in transcranial magnetic stimulation research and practice: a computer simulation evaluation of best methods. The Journal of ECT. 22 (3), 169-175 (2006).
- McNemar, Q. Note on the sampling error of the difference between correlated proportions or percentages. Psychometrika. 12 (2), 153-157 (1947).
- Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert Guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
- McDonnell, M. N., Stinear, C. M. TMS measures of motor cortex function after stroke: A meta-analysis. Brain Stimulation. 10 (4), 721-734 (2017).
- Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. The Journal of Physiology. 586 (2), 325-351 (2008).
- Chen, G., Patten, C., Kothari, D. H., Zajac, F. E. Gait differences between individuals with post-stroke hemiparesis and non-disabled controls at matched speeds. Gait & Posture. 22 (1), 51-56 (2005).
- Knarr, B. A., Reisman, D. S., Binder-Macleod, S. A., Higginson, J. S. Understanding compensatory strategies for muscle weakness during gait by simulating activation deficits seen post-stroke. Gait & Posture. 38 (2), 270-275 (2013).
- Ammann, C., et al. A framework to assess the impact of number of trials on the amplitude of motor evoked potentials. Scientific Reports. 10 (1), 21422 (2020).
