التقييم العصبي الفسيولوجي الدائم لعضلات الطرف السفلي بعد السكتة الدماغية
Summary
يصف هذا البروتوكول عملية إجراء تقييم عصبي فيزيولوجي لعضلات الطرف السفلي ، وعظم الساق الأمامي والنعل ، في وضع دائم باستخدام TMS في الأشخاص بعد السكتة الدماغية. يوفر هذا الموقف احتمال أكبر للحصول على استجابة TMS بعد السكتة الدماغية ويسمح باستخدام قوة محفزة مخفضة أثناء التقييمات العصبية الفسيولوجية.
Abstract
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) هو أداة شائعة تستخدم لقياس سلوك الدوائر الحركية في السكان الأصحاء وضعاف الأعصاب. يستخدم نظام رصد الأمراض على نطاق واسع لدراسة التحكم الحركي والاستجابة لإعادة التأهيل العصبي للأطراف العليا. ومع ذلك، تم TMS أقل استخداما في دراسة مراقبة المحركات الوضعية الطرف السفلي والمشي محددة. وقد ساهم الاستخدام المحدود والتحديات المنهجية الإضافية لتقييمات TMS في الطرف السفلي في عدم الاتساق في إجراءات TMS في الطرف السفلي داخل الأدبيات. مستوحاة من انخفاض القدرة على تسجيل الإمكانات التي أثارها محرك TMS السفلي (MEP) ، يفصل هذا التقرير المنهجي الخطوات لتمكين تقييمات TMS بعد السكتة الدماغية في وضعية دائمة. يسمح الوضعية الدائمة بتنشيط النظام العصبي العضلي ، مما يعكس حالة أقرب إلى حالة النظام أثناء المهام الوضعية والمشي. باستخدام لوحات القوة المزدوجة الأعلى ، أصدرنا تعليمات للمشاركين بتوزيع وزنهم بالتساوي بين أرجلهم المتساوية وغير المتساوية. وقدمت ملاحظات مرئية عن توزيع وزن المشاركين. باستخدام برنامج توجيه الصور ، قدمنا نبضات TMS واحدة عبر لفائف مزدوجة المخروط إلى نصفي الكرة الأرضية المصابين وغير المصابين بالآفات وقامنا بقياس استجابة القشرية لعضلات الساق الأمامية والنعلة. أدى إجراء التقييمات في الوضع الدائم إلى زيادة معدل استجابة TMS وسمح باستخدام كثافة التحفيز المنخفضة مقارنة بموضع الجلوس / الراحة القياسي. يمكن أن يوفر استخدام بروتوكول TMS هذا نهجا مشتركا لتقييم استجابة الكورتيكوموتور السفلية بعد السكتة الدماغية عندما تكون إعادة التأهيل العصبي لضعف الوضعية والمشية ذات أهمية.
Introduction
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) هو أداة تستخدم لقياس سلوك الدوائر العصبية. وقد أجريت معظم التحقيقات TMS التي تركز على دراسة التحكم في المحركات / الأداء في الأطراف العليا. يرجع عدم التوازن بين دراسات الطرف العلوي والسفلي جزئيا إلى التحديات الإضافية في قياس استجابة الطرف السفلي الحركي (CMR). وتشمل بعض هذه العقبات المنهجية تمثيلات القشرية أصغر من عضلات الطرف السفلي داخل القشرة الحركية والموقع الأعمق للتمثيلات بالنسبة لفروة الرأس1. وفي المجموعات السكانية التي يعانون من إصابات عصبية، توجد أيضا عقبات إضافية. على سبيل المثال، ما يقرب من نصف الأفراد بعد السكتة الدماغية تظهر أي استجابة ل TMS في بقية في عضلات الطرف السفلي2،3. وينظر إلى عدم وجود استجابة بعد السكتة الدماغية ل TMS حتى عندما يحافظ المرضى على بعض السيطرة الإرادية للعضلات، مما يشير إلى ما لا يقل عن مسار القشرية سليمة جزئيا.
يساهم عدم وجود استجابات TMS قابلة للقياس مع الحفاظ على الوظيفة الحركية في انخفاض فهمنا للتحكم الحركي الوضعي والمشي الخاص بعد السكتة الدماغية والآثار العصبية الفسيولوجية للرحاب العصبي. ومع ذلك، تم التغلب على بعض التحديات التي تواجه التقييمات العصبية الفسيولوجية العصبية بعد السكتة الدماغية. على سبيل المثال، يمكن استخدام لفائف مزدوجة المخروط لتنشيط motoneurons الطرف السفلي تقع في عمق الشق بين نصف الكرة الأرضية1. لفائف مزدوجة المخروط تنتج مجال مغناطيسي أكبر وأقوى التي تخترق أعمق في الدماغ من الرقم الأكثر شيوعا من ثمانيةلفائف 4. تغيير منهجي آخر يمكن تنفيذه لزيادة الاستجابة ل TMS هو قياس CMR خلال انكماش طوعي طفيف5. عموما, يتم تنفيذ هذا الانكماش على مستوى محدد سلفا إما عزم الدوران المشترك الطوعي الأقصى أو أقصى نشاط العضلات الكهربائية (EMG). ويمكن أيضا أن تستخدم تحفيز الأعصاب الطرفية للحصول على استجابة العضلات القصوى ويمكن استخدام EMG المسجلة من هذه الاستجابة لضبط التنشيط الطوعي المستهدف للعضلات.
يعد إجراء تقييم TMS بعد السكتة الدماغية أثناء تقلص العضلات النشط شائعا إلى حد ما في الأطراف العليا حيث يمكن للمهام متساوي القياس محاكاة الأنشطة الوظيفية ، على سبيل المثال ، استيعاب / احتجاز الأشياء. في المقابل، يتم المشي من خلال التنشيط الثنائي لمجموعات العضلات المتعددة عبر هياكل القشرية، تحت القشرية، والحبل الشوكي ويتطلب تنشيط العضلات الوضعية لمقاومة آثار الجاذبية. من المرجح ألا تنعكس حالة التنشيط هذه عند قياس العضلات المعزولة التي تنتج انكماشا متساوي القياس. وقد سلمت العديد من الدراسات السابقة الموجهة إلى فهم الوضعية والمشي محددة التحكم الحركي نبضات TMS بينما كان المشاركون يسيرون6،7،8 ويقف9،10،11،12،13،14،15 . قياس CMR في وضع مستقيم يسمح لتنشيط العضلات الوضعية والمكونات تحت القشرية من الشبكات الوضعية والمشية التحكم الحركي. حتى الآن، لم تكن هناك أي تقارير عن إجراء تقييمات TMS الدائمة في الأفراد بعد السكتة الدماغية.
تقترح هذه الدراسة منهجية موحدة ، مبنية على مجموعة من الأدبيات الموجودة لأساليب TMS الدائمة6و7و8و9و10و11و12و13و14و15، لتقييم TMS الدائم ل CMR بعد السكتة الدماغية. ويمكن استخدام هذه المنهجية من قبل مجموعات البحوث التي تدرس، على سبيل المثال لا الحصر، العجز الوضعي والتحكم الحركي الخاص بالمشي بعد السكتة الدماغية وإرساء اتساق أكبر لإجراءات نظام إدارة المركبات. كان الغرض من هذا التحقيق المنهجي هو تحديد ما إذا كانت تقييمات TMS الدائمة ممكنة في الأفراد بعد السكتة الدماغية الذين يعانون من ضعف مشية معتدل. افترضنا أن إجراء التقييمات في الوضع الدائم من شأنه أن يزيد من احتمال الحصول على استجابة قابلة للقياس (الإمكانات المثارة الحركية ، MEP) و 2) أن قوة / كثافة التحفيز المستخدمة لإجراء تقييمات TMS الدائمة ستكون أقل من تقييمات الجلوس / الراحة التي يتم إجراؤها عادة. ونحن نعتقد أن الانتهاء الناجح والاستخدام الواسع النطاق لهذا البروتوكول قد يؤدي إلى فهم أكبر للجوانب العصبية الفسيولوجية للتحكم الحركي الوضعي والمشي الخاص بعد السكتة الدماغية وآثار إعادة التأهيل العصبي.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد تسامح معظم المشاركين مع البروتوكول التجريبي. لم يتمكن أحد الأفراد من إكمال تقييم TMS الدائم بسبب قرحة الديكي الموجودة مسبقا الثانوية لمضاعفات السكري ومشاكل العظام التي تنطوي على ألم في الركبة موجود مسبقا. كان مقدار تحميل / تفريغ وزن الجسم من الساقين ضئيلا. ومع ذلك، كان هناك، في المتوسط،…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود صاحبا البلاغ أن يعترفا بالسيد براين سينس والسيدة أليسا تشيستنات لمساهمتهما في توظيف المشاركين وجمع البيانات.
تم توفير التمويل لهذا المشروع جزئيا من خلال جائزة التطوير التقني من المركز الوطني للصحة للتعديل العصبي لإعادة التأهيل (NM4R) (HD086844) وجائزة تطوير البحث والتطوير الوظيفي لإعادة تأهيل شؤون المحاربين القدامى 1 (RX003126) وجائزة الجدارة (RX002665).
لا تمثل محتويات هذا التقرير آراء وزارة شؤون المحاربين القدامى في الولايات المتحدة، أو المعاهد الوطنية الأميركية للصحة، أو حكومة الولايات المتحدة.
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).
