改善局部麻痹的手臂Reach-to-Grasp后低频重复经颅磁刺激取决于对象大小:一个试点研究

文摘

介绍。低频重复经颅磁刺激(LF-rTMS)交付给nonlesioned半球被证明能改善有限功能的局部麻痹的上肢中风后(问题)。结果措施主要包括临床评估小调查运动学和协调的变化。到目前为止,没有研究调查的影响如何LF-rTMS调制的抓住对象的大小。客观的。调查的影响LF-rTMS轻瘫的手的运动学和协调reach-to-grasp(轮胎式龙门吊)两个对象大小在慢性中风。方法。九个参与者收到两个经颅磁刺激条件:真正rTMS和虚假rTMS条件。前后rTMS条件,cortico-motor兴奋性(CE) nonlesioned半球,轮胎式龙门吊运动学,协调评估。对象的大小分别为1.2和7.2厘米直径。结果。假rTMS相比,真正的rTMS显著降低non-lesioned M1的CE。虽然rTMS轮胎式龙门吊操作没有影响更大的对象,真正rTMS显著提高运动时间,较小的光圈,轮胎式龙门吊协调对象。结论。LF-rTMS改善轮胎式龙门吊行动只有较小的对象在慢性中风。调查结果显示之间的离解rTMS M1和任务难度的影响这一复杂的技能。

1。介绍

有限的功能轻瘫的上肢(问题)是一种最禁用中风相关的脑损伤的后果(1- - - - - -5]。例如,有一个不正确的时机内组件的运动序列的行动2]。此外,轻度或适度的轻偏瘫患者使用不同的手把握方向和不同模式的躯干和上肢补偿与健全个人(5]。除了受损interjoint协调(4),有赤字的规定互动关节力矩(3]。显然,reach-to-grasp(轮胎式龙门吊)卒中后肢体轻瘫的受损的运动。已经有研究证明改进问题函数后低频重复经颅磁刺激(LF-rTMS)交付给nonlesioned半球[6- - - - - -13]。普渡的改进是反应时间和运动试验(6,7),运动时间9洞高尔夫挂钩的9],捏加速度[10,11),绑架拇指和其他手指运动(8),运动的把握12[],轮胎式龙门吊协调13]。这种效应的机理被认为是恢复平衡的两半球间的抑制(14- - - - - -17]。虽然好处LF-rTMS承诺后,结果措施主要是临床评估(6,7,9- - - - - -11,18,19]。很少是关于LF-rTMS对运动学变化的影响和协调的问题12,13]。到目前为止没有研究调查如何LF-rTMS是调制的任务难度的影响,也就是说,要抓住不同大小的物体。

Reach-to-grasp(轮胎式龙门吊)是一个复杂的问题的技能需要协调和精确比例的光圈。这是最重要的一个问题在日常生活活动功能和一个中风患者尤其受到挑战。重要的是,作者先前建立个体间的差异与中风和健康成人轮胎式龙门吊运动学的措施协调和可伸缩性。措施被抓获,而参与者达到尽可能快去接销子不同大小的20.,21]。协调是量化使用互相关分析之间的运输速度和光圈大小。以前的工作建立了我们独特的措施都是有效的和敏感的捕捉协调轮胎式龙门吊的变化由于中风(21)以及密集的卒中后训练后(22]。

除了协调,一个复杂的技能像轮胎式龙门吊需要visuomotor转换为精确缩放graspaperture对象的空间特征,如大小。由诺瓦克和他的同事在此前的一项研究中(12),只有reach-to-grasp运动学变量的一个对象大小进行了研究。基于费茨定律(23),达到掌握小对象是更加困难比达到掌握更大的对象。我们最近报道的部分结果的影响较小对象LF-rTMS慢性中风患者(13]。因此,本研究的目的是调查的影响LF-rTMS应用于nonlesioned初级运动皮层(M1)的运动学和协调轻瘫的轮胎式龙门吊两个对象大小,一个直径较小的和更大的对象。如果有改善轮胎式龙门吊的肢体轻瘫的对象,它将显示一个更一般的影响LF-rTMS复杂的技术问题。或者,如果效果是不同的每个对象的大小,那么建议之间的离解LF-rTMS对M1和任务难度的影响对这一复杂的技能。

2。方法

2.1。参与者

有9人通过纳入和排除标准。入选标准如下:(1)缺血性或出血单边中风发作超过6个月,(2)年龄20 - 79年,(3)对爱丁堡库存偏手性评估的测试,(4)轻度至中度损伤水平问题Fugl-Meyer评估(FMA),(5)能够理解和遵循简单的命令根据表现细微精神状态检查(MMSE)(截止> 23),(6)能够达到和掌握至少一次的定位销,(7)没有单方面视觉忽视(明星取消测试> 44分),(8)没有观念运动的失用症(模仿毫无意义的手势;错误评分≤3)和(9)没有运动性失语,感觉性失语,和全球失语症。排除标准如下:(1)积极筛查禁忌的rTMS证实了经颅磁刺激筛查问卷比如癫痫和颅内金属植入物和(2)其他神经和肌肉骨骼问题影响的胳膊,手,或主干可能干扰任务的成就。

所有参与者给书面知情同意参与实验协议的机构审查委员会批准的南加州大学。

2.2。实验设计

本研究是一个前瞻性群组试设计。病人参与两会隔开至少5天。在每个会话,他们行为(轮胎式龙门吊)执行任务基线。其次是真正rTMS或虚假rTMS条件。虚假和真实的顺序在参与者rTMS了平衡。五个参与者收到真正的rTMS第一,四个参与者接受假经颅磁刺激在第一次会议。rTMS应用程序后,参与者重复行为的任务。

2.2.1。Reach-to-Grasp(轮胎式龙门吊)任务和程序

行为的任务是达到从指定的位置开始,掌握关于圆柱销与轻瘫的手,并把它的表就显示视觉线索和尽快使用拇指和食指。每个参与者的直背椅坐在躯干获得回椅子上用十字形带减少躯干运动。参与者的轻瘫的手落在一个手动开关,和拇指和食指指尖定位在反对。的手阻挡开始时的位置。一个发光二极管(LED)位于25厘米以上表表面定位目标背后的圆柱销提供视觉线索开始每个审判。在每个试验中,圆柱销定位在一个对象从启动开关开关位于30厘米。两个圆柱销子,每个测量10厘米高,但两个直径,使用。小销测量直径1.2厘米,而较大的定位销直径是7.2厘米。5,小对象提出了第一个10试验,紧随其后的是大对象10试验。其他四个参与者,大对象提出了首先在10-trial块,紧随其后的是10个试验的小对象。

Reach-to-grasp运动学数据获得使用运动监控系统(创新运动训练公司,芝加哥,IL),电磁六自由度运动系统传感器(提升技术)。三个传感器都附有带轻瘫的问题,人的前臂近端茎突的半径,和其他两个甲床的拇指和食指。在120赫兹位置数据被抓获。LED和手和对象提升开关与运动监控界面上的通过一个计时器和暗示以下3事件:发病,手举起发作,运动终止(对象提升开关)。

2.2.2。磁刺激程序

单脉冲经颅磁刺激是用来测量nonlesioned半球的运动皮质兴奋性。刺激与70毫米是八字形线圈连着Magstim Rapid2磁刺激和诱发响应测量从普通的伸肌肌腱牵向前(EDC)肌肉nonparetic一侧。首先,确定的“热点”。是最佳的头皮的位置一直引起最大的运动诱发电位(MEP) nonlesioned初级运动皮层(M1)表征EDC的领域。线圈的头皮无关地举行coil-handle后方远离中线指向一个45°角24,25]。接下来,休息运动阈值(MT)是由系统决定减少热点的刺激强度。对于每一个参与者,实验者开始刺激强度最大刺激器输出的70%和修改基于诱发反应。刺激强度降低系统直到电动机阈值确定。电动机阈值被定义为所需的最低强度水平诱导议员峰幅度至少50μ10 V, 5个连续试验(26]。太确定后,1 Hz rTMS申请20分钟(1200脉冲)在90%的MT nonlesioned半球EDC热点真正的rTMS条件。使用这些参数,作者先前证明LF-rTMS下调运动皮质兴奋性就是明证减少rTMS[后MEP振幅的大小17]。虚假的rTMS条件,虚假的线圈是定位类似于真正的就业条件和相同的经颅磁刺激参数。通过使用这种类型的线圈,TMS点击噪音产生,但没有经颅磁刺激脉冲被交付。确认实际rTMS运动皮质兴奋性的表达下调效果比虚假的情况下,议员们记录之前和之后都rTMS条件通过应用10单经颅磁刺激脉冲120%太EDC nonlesioned半球的热点。

2.3。肌电图记录

表面的EMG记录nonparetic EDC肌肉与表面电极(运动实验室系统)放置在一个tendon-belly安排大量的肌肉。EMG信号过滤了1 - 1000 Hz的带通放大,数字化在2000赫兹。数据图形化显示和存储进行离线分析。

2.4。相关的措施和数据分析:Corticomotor兴奋性

议员们分析了离线使用DataWizard,基于matlab的程序27]。峰幅值被计算为每个记录的议员。意味着议员振幅计算10试验前后rTMS过程。一个配对以及用于比较pre-TMS议员振幅post-TMS议员振幅。

2.4.1。Reach-to-Grasp行动

所有运动数据分析JT,失明的经颅磁刺激条件。数据过滤使用无滞后巴特沃斯低通滤波器和20 Hz截止频率。所有运动和transport-grasp协调变量提取每个试验使用定制自动计算机程序编写的MATLAB 7.5.0 (MathWorks Inc .,纳蒂克,MA)。三维位移计算的手腕传感器位置获得切向速度传输(图1(一))使用有限差分技术28]。光圈是由拇指和食指之间的距离传感器。运动发起的第一本被定义为一个连续的崛起至少3数据点在运输速度。运动物体发射的时候终止。

运动的措施(数据1(一)和1 (b))reach-to-grasp行动包括总运动时间(起始时间从运动运动终止),运输速度峰值(运输速度轨迹的最大值),运输速度峰值时间(发生的最大传输速度表示为总运动时间的百分比),峰值孔径(孔径轨迹的最大值),和时间的最大孔径(发生的最大孔径表示为总运动时间的百分比)。Reach-to-grasp协调(图1 (c))之间的最大互相关系数被传输速度和掌握光圈工具的互相关的时滞相关。我们以前的工作表明,互相关分析提供了一种全面的方法来捕获两个时空协调为轮胎式龙门吊的行为(20.,21]。空间之间的协调交通和掌握组件使用互相关为特征系数()之间的传输速度和掌握光圈。紧急时间滞后的互相关分析表明颞运输和掌握组件之间的协调。在我们的约定,一个积极的高峰交通速度滞后代表一个领先孔径达到顶峰。越高(接近1)系数和较短的时间延迟(从80年到125年)女士表示强transport-grasp协调(20.]。评分(费雪的在参与者)转换关系用于比较。改变了分数转换回等效系数报告。2-TMS条件(真实,虚假的)×两次(前,后)和重复测量方差分析是用来比较的效果真正rTMS骗局rTMS总运动时间,运输速度峰值,峰值光圈,高峰时间交通速度和最大孔径,互关联系数,和相关的时间差。Mauchly球形的测试被用来测试的假设。如果有违反,Greenhouse-Geisser修正应用。魏克森讯号等级测试是用来比较的基线变量reach-to-grasp从小型和大型对象获得的性能。

进一步探索是否有corticomotor nonlesioned半球的兴奋性的变化之间的关系和轮胎式龙门吊的变化行动rTMS之后,我们确定了皮尔森积(参数)或斯皮尔曼(非参数)相关(取决于正常)是否不同于零。显著性水平是设定在。SPSS 16.0 (SPSS Inc .,芝加哥,IL)统计软件是用于所有统计分析。

3所示。结果

九轻偏瘫患者(5米4 f,平均年龄:59(6.8)年,年龄范围:48 - 69年,右手主导中风之前)参加了实验。表1总结了参与者的特征。病变位置异构,来自两个前部和后部的发行量。中风以来的平均时间是4.8年(范围从7个月到7年)。他们的上肢轻度受损就是明证电动机Fugl-Meyer (FM)至少45分(满分66分)。所有参与者提供单方面的麻痹性痴呆。他们没有任何患有痉挛状态。他们能够成功地达到和把握销。参与者S2和S5枕病变显示的迹象不协调的行动,以调频协调项目。他们容忍rTMS没有发生不良反应或报道期间或之后的实验。

3.1。运动皮质兴奋性

的影响1 Hz rTMS M1在corticomotor兴奋性的变化了议员之间的振幅和post-rTMS条件(表1)。在1赫兹rTMS应用/ nonlesioned M1显著减少议员的振幅nonparetic EDC(配对以及,;),假rTMS议员没有显著影响振幅(配对以及,;)。这个发现证实1 Hz rTMS下调运动皮质兴奋性的一个有效工具。

3.2。Reach-to-Grasp(轮胎式龙门吊)运动学和协调

所有措施的轮胎式龙门吊运动学和轮胎式龙门吊协调两个大型和小型的对象是如图2- - - - - -6。

3.2.1之上。基线的措施

在基线,崩溃在经颅磁刺激条件下,峰掌握光圈也显著大于大对象相比,较小的对象(魏克森讯号等级测试,;)(图5)。此外,小对象相比,参与者达成,抓住了大对象更协调的模式证明了更大的最大互相关系数(魏克森讯号等级测试,;,图6(一))和较短的时间延迟(魏克森讯号等级测试,;,图6 (b))。

3.2.2。rTMS对运输运动学

图2说明了代表主题数据虚假和真实的效果,rTMS在小型和大型对象的传输速度。真正rTMS之后,而不是虚假的经颅磁刺激,reach-to-grasp运动速度为小型和大型对象。然而,LF-rTMS改善运动时间的影响是显著的小对象(图3)。有显著减少总运动时间真正rTMS后的小物件,但不是骗局,rTMS(图3(一个)左栏,经颅磁刺激条件(真实,虚假的)×时间(前,后)交互,,)。虽然类似的趋势(图观察到更大的对象3(一个),右列),效果并不显著。相比骗局,真正rTMS没有明显影响运输速度和峰值的时间运输速度峰值小或大对象(数据3 (b)和3 (c))。

3.2.3。rTMS掌握运动学上的效果

图4说明了代表主题数据显示虚假的效果和实际掌握的时间演化,rTMS孔径随着参与者达到掌握小型和大型对象。最突出的影响是增加的最大把握孔径小对象后真正LF-rTMS应用nonlesioned半球。图5显示了最大的数据掌握孔径平均所有的参与者。虽然几乎没有实际效果,rTMS RTG优先(图更大的对象5 (b)),实际rTMS显著增强最大把握孔径而达到一个更小的对象而虚假的刺激(图5(一个)、经颅磁刺激条件(真实,虚假的)×时间(前,后)交互,,)。没有显著的影响,rTMS准时达到峰值大小孔径的对象。

3.2.4。影响交通和掌握组件之间的协调

虚假的刺激相比,真正的rTMS没有明显影响之间的空间或时间协调交通和把握当参与者达到掌握更大的对象(数据6(一)和6 (b)列)。小对象、空间协调(高相关系数)与真正的rTMS rTMS rTMS前相比,改进后,人物6(一)左栏,经颅磁刺激条件(真实,虚假的)×时间(前,后)交互,,。有趣的是,参与者也表现出显著的缩短时滞的小对象轮胎式龙门吊行动与真实的和虚假的经颅磁刺激条件下,时间(前,后)作用,,。

3.2.5。之间的关系改善轮胎式龙门吊运动学和轮胎式龙门吊的协调和Corticomotor Nonlesioned半球的兴奋性的变化

虽然没有显著相关性corticomotor兴奋性的变化和轮胎式龙门吊运动学(),减少corticomotor nonlesioned半球的兴奋性表现出很强的相关性与互相关小对象轮胎式龙门吊系数(,,图7 (b))。

4所示。讨论

作者观察到局部麻痹的四肢改善轮胎式龙门吊的运动学和轮胎式龙门吊配合小对象而不是更大的对象后LF-rTMS nonlesioned M1的半球。这个结果表明离解rTMS对M1和任务难度的影响之间的相互作用对这个复杂的技能。

4.1。基线差异轮胎式龙门吊运动学和协调的函数对象的大小

健全的成年人相比,赤字运动学和协调reach-to-grasp组件是中风后观察。然而,对于每一个测量在这项研究中,使用性能优越观察当参与者达到掌握大型与小型销。参与者更快、更协调,实现更大的峰值掌握光圈,支持这一概念,达到掌握小对象比达到掌握更具挑战性较大的对象作为预测的费茨定律(23]。

一个关键的不变特征描述正常轮胎式龙门吊操作是空间和时间之间的协调和理解组件。虽然Michaelson和他的同事们(29日)也报道慢运动中风后的病人,他们报道相对保存之间的协调和理解组件。他们使用时间达到峰值孔径之间的时间延迟和峰值传输速率的测量时间协调。在目前的研究中,我们使用小说和更敏感的互相关分析捕获之间达到协调和把握20.,21]。我们证明了空间和时间之间的协调联系和掌握组件,当参与者到达受损掌握小对象而不是更大的对象。我们的研究结果之间的差异和Michaelson和他的同事们可以归因于一个较小的尺寸在我们的研究对象(直径1.2厘米)相比,用于Michaelson研究(3.3毫米直径)。精度要求成功地达到和把握小对象可能会把更多的要求对病人身体段之间更好的协调。差异也可能出现的结果测量用来研究达到和掌握组件之间的协调。与使用单一时间事件描述协调、互相关分析措施协调整个时空的运输速度和掌握光圈轮胎式龙门吊捕捉每一个时间点上的行动。

4.2。轮胎式龙门吊运动学上的差异与协调LF-rTMS后的函数对象的大小

在目前的研究中,rTMS contralesional M1在运动学的有益影响和协调轮胎式龙门吊的行为变得更加强劲明显小相比更大的对象。这表明,任务难度与rTMS对轮胎式龙门吊的行为的影响。对象大小影响任务难度,这样小的对象需要更精确,从而导致更大的参与corticosubcortical网络相比更大的对象。先前的研究已经证明M1侧的更多参与执行复杂的任务执行过程中手(30.- - - - - -32]。中风后,提高IHI nonlesioned半球可能抑制损伤的接触M1在更复杂的运动的局部麻痹的四肢15,16]。nonlesioned M1发布的差别,对这些基因进行从大IHI M1,因此允许损伤M1期间涉及更复杂的小对象轮胎式龙门吊操作的性能。相反,一个更复杂的任务可能提供了一个更敏感的措施揭示rTMS等神经生理学干预后行为的影响。

参与者在当前的研究中是相对温和的障碍和展示了更好的协调与大比小reach-to-grasp对象。我们认为这是不太可能由于天花板效应较大的对象。这可以支持这一事实(1)异常的对象都是明显的同龄健康成年人相比,执行相同的任务(20.)和(2)改进轮胎式龙门吊的性能与一个更大的物体在另一个治疗研究(33]。最近,我们表明,轻度至中度中风患者能够改善局部麻痹的手臂运动后接受密集的特定于任务的运动训练(33]。有限的改善更大的对象在一个会话LF-rTMS在这项研究可能表明需要更多的经颅磁刺激会话或rTMS会话与运动训练相结合。

有趣的是,我们观察到显著改善滞后的时间与虚假rTMS小对象。这种改进的时滞可能归因于期间重复任务的性能的影响实验。有证据表明,即使短期任务练习轻瘫的手可以提高任务的某些方面的性能。然而,虚假的经颅磁刺激没有提高任何其他措施提供了证据表明,真正的rTMS是更有效的改善轮胎式龙门吊操作的性能。此外,少数不太可能重复进行的这项研究将有助于实现恢复正常两半球间的平衡,但它不能排除。

4.3。rTMS应用在Nonlesioned M1提高了轮胎式龙门吊的运动学和协调行动

在这项研究中,我们提供了进一步支持了这种观点,即过度活跃在nonlesioned M1适应不良,可能会妨碍性能unimanual轮胎式龙门吊轻瘫的手的动作。我们的发现改善的运动学和局部麻痹的手臂轮胎式龙门吊的协调一致和扩展先前的结果。而诺瓦克和同事证明改善运动学的把握LF-rTMS后应用于M1 (12),我们的数据表明,这些改进可能特定于任务的特征,在我们的研究中,测定对象的大小。一个潜在的机制这一效应nonlesioned兴奋性的差别是对这些半球后LF-rTMS服务恢复平衡的两半球间的抑制(6,8,10,34]。有证据表明,两半球间的相互作用调制的运动学运动(35]。nonlesioned M1的差别可能对这些降低了IHI ipsilesional M1 EDC表征区域,从而提高运动学的开放在轮胎式龙门吊的行动。抑制解除的损伤M1 rTMS(超过nonlesioned M1)可能会发现它的作用在神经网络的关键轮胎式龙门吊协调轻瘫的手。最近的研究(36- - - - - -38支持M1是神经网络的一部分高层规划运动学和动力学之间的转换(38]。它有利于肢体运动的外在表现和内在表示之间的转换行为。因此,至少有一个关键的一部分高级神经的操作为轮胎式龙门吊的行为似乎驻留在M1。这些可能包括协调和视觉信息的变换(即。,对象特征和手的位置)成一个行动。从异常高IHI当“释放”,进行M1可能能够更有效地贡献作为神经网络的协调达到和掌握组件。

另一个但不是相互排斥的机制可能归因于提高轻瘫的手打开rTMS后观察。有证据表明从一个广泛的行为研究,改变在一个组件(即。掌握)轮胎式龙门吊行动改变其他组件(即运动的特点。,达到)[39- - - - - -42]。因此,改善手打开后rTMS可能改善轮胎式龙门吊的达到和掌握组件之间的协调行动。rTMS后改善配合减少运动时间,但不是虚假的经颅磁刺激,表明nonlesioned M1时更有效的运动性能是抑制。

4.4。潜在的局限性

虽然我们的差别表明对这些nonlesioned M1与改善运动学和轮胎式龙门吊的协调运动,我们无法确定精确的机制,导致了这些改进。额外的评估使用paired-pulse两半球间的抑制技术允许清晰洞察机制实施的改善局部麻痹的手运动行为。在这项研究中,我们没有评估参与者的能力区分虚假和真实的rTMS。这可能潜在地限制参与者的致盲的干预。的差别,对这些议员振幅与实际LF-rTMS但不是虚假的真正表明LF-rTMS是有效减少contralesional半球的兴奋性。

其他研究的局限性包括一个小样本大小以及缺乏4参与者的病变信息。此外,显示异类样本获得的损伤信息。然而,受试设计以及平衡的方法经颅磁刺激条件允许我们演示的顺序有效和可靠的结果。我们的结果显示一个积极的影响LF-rTMS轮胎式龙门吊的小对象的行为,但不是大对象。小数量的科目,我们可能是过于乐观的初步试验检测之间的离解LF-rTMS对M1和任务难度的影响对于这个技能。更大的样本量和需要更多的同质病变以保证结果。

5。结论

这里我们展示改善运动学和协调reach-to-grasp小对象在慢性中风患者减少nonlesioned M1的兴奋性。这些结果可能扩展支持contralesional overexcitability假设的持续的局部麻痹的手臂赤字后慢性中风。据我们所知,这是第一个研究调查之间的协调达到使用功能和把握轮胎式龙门吊的任务,对象的大小限制,和互相关分析应用LF-rTMS之后。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Jarugool Tretriluxana和Shailesh Kantak同样这项工作。

承认

这个项目是由加州物理治疗基金Jarugool Tretriluxana。

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