הערכה נוירופיזיולוגית עומדת של שרירי הגפיים התחתונות לאחר שבץ
Summary
פרוטוקול זה מתאר את התהליך לביצוע הערכה נוירופיזיולוגית של שרירי הגפיים התחתונות, טיביאליס קדמי וסוליאוס, בתנוחת עמידה באמצעות TMS אצל אנשים לאחר שבץ. עמדה זו מספקת הסתברות גבוהה יותר לעורר תגובת TMS לאחר שבץ ומאפשרת שימוש בכוח ממריץ מופחת במהלך הערכות נוירופיזיולוגיות.
Abstract
גירוי מגנטי חוצה cranial (TMS) הוא כלי נפוץ המשמש למדידת ההתנהגות של מעגלים מוטוריים באוכלוסיות בריאות ופגויות נוירולוגית. TMS משמש בהרחבה כדי לחקור שליטה מוטורית ואת התגובה neurorehabilitation של הגפיים העליונות. עם זאת, TMS כבר פחות מנוצל במחקר של יציבה גפיים נמוכות יותר ושליטה מוטורית ספציפית להליכה. השימוש המוגבל והאתגרים המתודולוגיים הנוספים של הערכות TMS בגפיים התחתונות תרמו לחוסר עקביות בהליכי TMS בגפיים התחתונות בתוך הספרות. בהשראת הירידה ביכולת לרשום פוטנציאלים מעוררים מנוע TMS בגפיים נמוכות יותר (MEP), דוח מתודולוגי זה מפרט שלבים כדי לאפשר הערכות TMS לאחר שבץ בתנוחת עמידה. תנוחת העמידה מאפשרת הפעלה של המערכת הנוירו-שרירית, המשקפת מצב דומה יותר למצב המערכת במהלך משימות יציבה והליכה. בעזרת לוחות כוח כפולים, הנחינו את המשתתפים לחלק את משקלם באופן שווה בין רגליהם הפארטיות והלא פרוטיות. משוב חזותי של התפלגות המשקל של המשתתפים סופק. באמצעות תוכנת הנחיית תמונות, סיפקנו פולסים בודדים של TMS באמצעות סליל חרוט כפול לפגיעה של המשתתפים ובשרירי הסוליה. ביצוע הערכות בתנוחת העמידה הגדיל את שיעור התגובה של TMS ואפשר שימוש בעוצמות הגירוי הנמוכות יותר בהשוואה לתנוחת הישיבה/מנוחה הסטנדרטית. ניצול פרוטוקול TMS זה יכול לספק גישה נפוצה כדי להעריך את התגובה קורטיקומוטור הגפיים התחתונות לאחר שבץ כאשר neurorehabilitation של ליקויים יציבה והליכה הם עניין.
Introduction
גירוי מגנטי טרנס-קדנציאלי (TMS) הוא מכשיר המשמש למדידת התנהגות המעגלים העצביים. רוב חקירות TMS המתמקדות בחקר השליטה המוטורית / הביצועים נערכו בגפיים העליונות. חוסר האיזון בין מחקרי הגפיים העליונות והתחתונות נובע בחלקו מהאתגרים הנוספים במדידת תגובת הקורטיקומוטור של הגפיים התחתונות (CMR). חלק מהמכשולים המתודולוגיים הללו כוללים את הייצוגים הקליפתיים הקטנים יותר של שרירי הגפיים התחתונות בתוך קליפת המוח המוטורית ואת המיקום העמוק יותר של הייצוגים ביחס לקרקפת1. באוכלוסיות עם פגיעה נוירולוגית, משוכות נוספות קיימות גם כן. לדוגמה, כמחצית מהאנשים לאחר שבץ להראות שום תגובה TMS במנוחה בשרירי הגפיים התחתונות2,3. חוסר תגובה לאחר שבץ TMS נראה אפילו כאשר חולים לשמור על שליטה רצונית כלשהי של השרירים, המציין לפחות חלק שלם של מערכת קורטיקוספינל.
היעדר תגובות TMS מדידות עם תפקוד מוטורי מתוחזק תורם לירידה בהבנה שלנו של שליטה מוטורית לאחר שבץ והליכה ספציפית להומור וההשפעות הנוירופיזיולוגיות של neurorehabilitation. עם זאת, חלק מהאתגרים של הערכות נוירופיזיולוגיות בגפיים התחתונות לאחר שבץ הוכרעו. לדוגמה, סליל קונוס כפול יכול לשמש כדי להפעיל באופן אמין את motoneurons הגפיים התחתונות הממוקם עמוק בתוך סדק בין-הומיספירה1. סליל חרוט כפול מייצר שדה מגנטי גדול וחזק יותר החודר עמוק יותר לתוך המוח מאשר דמות נפוצה יותר של שמונה סליל4. שינוי מתודולוגי נוסף שניתן ליישם כדי להגדיל את ההיענות ל- TMS הוא מדידת ה- CMR במהלך התכווצות מרצון קלה5. בדרך כלל, התכווצות זו מבוצעת ברמה קבועה מראש של מומנט מפרקים מרצון מקסימלי או פעילות שרירים אלקטרומיוגרפית מקסימלית (EMG). גירוי עצבי היקפי יכול לשמש גם כדי לעורר תגובת שרירים מקסימלית ואת EMG המוקלט של תגובה זו ניתן להשתמש כדי להגדיר את ההפעלה מרצון ממוקד של השריר.
ביצוע הערכת TMS לאחר שבץ במהלך התכווצות שריר פעיל נפוץ למדי בגפיים העליונות שבהן משימות איזומטריות יכולות לחקות פעילויות פונקציונליות, למשל, אחיזה/החזקה של אובייקטים. לעומת זאת, ההליכה מתבצעת באמצעות הפעלה דו-צדדית של קבוצות שרירים מרובות באמצעות מבנים קליפת המוח, תת-קורטיקלי וחוט השדרה ודורש הפעלת שריר יציבה כדי להתנגד להשפעות הכבידה. מצב הפעלה זה ככל הנראה אינו משתקף בעת מדידת שרירים מבודדים המייצרים התכווצות איזומטרית. מספר מחקרים קודמים המכוונים להבנת היציבה והבקרה המוטורית הספציפית להליכה סיפקו פולסים TMS בזמן שהמשתתפים הלכו6,7,8 ועומדים 9,10,11,12,13,14,15 . מדידת ה- CMR במצב זקוף מאפשרת הפעלה של שרירי יציבה ורכיבים תת-קרטיים של רשתות בקרת המנועים של היציבה וההליכה. עד כה, לא היו דיווחים על ביצוע הערכות TMS עומדות אצל אנשים לאחר שבץ.
מחקר זה מציע מתודולוגיה מתוקננת, הבנויה על גוף הספרות הקיים של שיטות TMS עומדות6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, להערכת TMS עומדת של CMR לאחר שבץ. מתודולוגיה זו יכולה להיות מנוצלת על ידי קבוצות מחקר הלומדות, אך לא רק, גירעונות יציבה ושליטה מוטורית ספציפית להליכה לאחר שבץ וליצור עקביות רבה יותר של הליכי TMS. מטרת חקירה מתודולוגית זו הייתה לקבוע אם הערכות TMS עומדות אפשריות אצל אנשים לאחר שבץ מוחי עם ליקויים הליכה בינוניים. שיערנו כי ביצוע הערכות בתנוחת העמידה יגדיל את הסבירות לתגובה מדידה (פוטנציאל מעורר מנוע, MEP) ו -2) כי כוח הממריץ / עוצמה המשמשים לביצוע הערכות TMS עומדות יהיה נמוך מזה של הערכות הישיבה / מנוחה המבוצעות בדרך כלל. אנו מאמינים כי ההשלמה המוצלחת והשימוש הנרחב בפרוטוקול זה עשויים להוביל להבנה רבה יותר של ההיבטים הנוירופיזיולוגיים של שליטה מוטורית לאחר שבץ והליכה והשפעות של neurorehabilitation.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול הניסיוני היה נסבל היטב על ידי רוב המשתתפים. אדם אחד לא הצליח להשלים את הערכת TMS עומדת בשל כיבים דקוביטוס קיימים משני לסיבוכים סוכרתיים ובעיות אורתופדיות הכרוכות בכאבי ברכיים קיימים. כמות הטעינה / פריקה של משקל הגוף מהרגליים הייתה מינימלית. עם זאת, היה, בממוצע, כוח כלפי מטה מעט גדו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות למר בריאן סנס וגברת אליסה צ’סטנאט על תרומתם לגיוס משתתפים ואיסוף נתונים.
המימון לפרויקט זה ניתן בחלקו על ידי פרס פיתוח טכני מהמרכז הלאומי לנוירומודולציה של NIH לשיקום (NM4R) (HD086844) ועל ידי פרס מחקר ופיתוח קריירה של שיקום וותיקים 1 (RX003126) ופרס הצטיינות (RX002665).
תוכן דו”ח זה אינו מייצג את עמדותיהם של המחלקה לענייני חיילים משוחררים של ארה”ב, המכונים הלאומיים לבריאות של ארה”ב או ממשלת ארצות הברית.
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).
