This project was funded by, in part, by start-up funds from Wayne State University to M.H. Malek.

Alle Verfahren wurden von der Universität Institutional Review Board an Menschen genehmigt. 1. Herstellung des Teilnehmers Leg <ol><li> Haben die Teilnehmer ordentlich aufrollen ihre Shorts für den gewünschten Bein. Dann kleben Sie die Shorts, so dass die Quadrizeps femoris Gruppe ausgesetzt ist, und ziehen Sie eine Linie um den Bereich, der Teilnehmer muss sich zu rasieren. </li><li> WICHTIG: Lassen Sie die Teilnehmer rasieren ihre Bein vor dem Test eher als am Vortag, da dies stellt sicher, dass es keine Stoppeln, die mit dem EMG-Signal stören können. </li><li> Sobald der Teilnehmer hat der Rasur den gewünschten Bereich des Beins beendet ist, reinigen Sie die rasierte Fläche mit Alkohol, um sicherzustellen, dass keine Reste der Rasiergel (oder Sahne), die mit dem EMG-Signal stören können. </li></ol> 2. Messung der Bein für Elektrodenplatzierung <ol><li> Um die EMG-Elektrode auf der vastus lateralis platzieren, machen den following Messungen <ol><li> Haben die Teilnehmer stehen gerade mit Blick auf die Forscher. </li><li> Suchen Sie den vorderen spina iliaca superior (SIAS) und die laterale Seite der Kniescheibe. Die ASIS ist der Hüftknochen; Palpieren es durch Anordnen der Hand auf beiden Seiten des Abdomens unterhalb des Nabels. </li><li> Mit einem Maßband, den Abstand zwischen den beiden Stellen oberhalb identifiziert und nehmen 2/3 dieses Wertes an der Leitung aus der ASIS zur lateralen Seite der Patella. Hinweis: http://www.seniam.org/: Weitere Informationen zur Platzierung der EMG-Elektroden auf der SENIAM (Surface Elektromyographie für die nicht-invasive Beurteilung der Muskeln) URL gefunden werden </li></ol></li></ol> 3. Platzierung der EMG Elektroden <ol><li> Nachdem die Lage der vastus lateralis identifiziert worden ist, nehmen Sie die EMG-Elektroden (die meisten Forscher handelsübliche Einweg Ag-Ag-Cl-Elektroden) und legen Sie über den vastus lateralis, ohne den Klebstoff shield. Dann mit einem Stift markieren den Bereich, in dem das Gel Abschnitt der Elektrode in Kontakt mit dem Muskel. Sicherzustellen, dass der Elektrodenabstand 20 mm von Mitte zu Mitte. </li><li> Verwenden Sie ein Stück Sandpapier (60 grob) sanft abzuschleifen diese beiden Bereiche, um die oberflächliche Schicht der Haut zu entfernen. Während dieser Zeit, fragen Sie die Teilnehmer Grad ihrer Beschwerden. Stoppen Abschleifen, wenn der Teilnehmer zeigt das Gebiet ist warm. </li><li> Reinigen Sie die abgeriebenen Bereiche mit einem Tuch, das mit Alkohol oder einem Alkoholtupfer gedämpft wird. Damit der Bereich auf dem Bein auf, bevor die EMG-Elektroden zu trocknen. </li><li> Platzieren Sie die EMG-Elektroden an den Seiten, die abgerieben wurden (Abbildung 2). Achten Sie darauf, die Elektroden auf dem Tractus iliotibialis (IT-Band) zu platzieren. Fragen Sie die Teilnehmer, die quadriceps femoris Muskeln, um die vastus lateralis tasten zusammenzuziehen. Die Elektroden werden auf den Muskel zu gewährleisten, ist es nicht auf dem IT-Band. Hinweis: Wenn Sie die Elektroden auf der IT-Band, das EMG-Signal would gedämpft werden, wenn der Teilnehmer wird gebeten, Vertrags maximal. </li><li> Legen Sie die Referenzelektrode (3 rd Elektrode) auf einem boney Befestigungsstelle, wie beispielsweise die ASIS also nicht mit der Bewegung der Beine während der Trainingseinheit zu stören. </li></ol> 4. Überprüfen der EMG Signal <ol><li> Vor Beginn der Belastungstest, überprüfen Sie die Interelektrodenimpedanz. Hinweis: Dieser Schritt ist wichtig, weil, wenn das Signal zu viel Lärm dann die EMG-Daten während des Belastungstests gesammelt werden ungültig. <ol><li> Haben die Teilnehmer in einem Stuhl sitzen und verbinden die EMG führt zu ihrer jeweiligen Elektroden des Teilnehmers Bein befestigt. </li><li> Zu diesem Zeitpunkt haben die Teilnehmer Entspannung ihrer Bein, ohne Spannung in der Muskulatur. Dann nach ca. 30 sec der Entspannung, haben die Teilnehmer maximal Vertrag ihre quadriceps femoris Muskeln für 5 Sekunden und dann wieder davon, dass völlig entspannt. </li><li> Bei der Durchführung der Aufgabe einBove (Schritt 4.1.2), notieren Sie die Teilnehmer EMG-Signal auf dem Computer. </li><li> Stellen Sie sicher, dass die Interelektrodenimpedanz &lt;2,000 Ohm. Außerdem, wenn ein Voltmeter ist im Labor zur Verfügung, dann überprüfen Sie die Basislinienrauschen und halten unter 5 &amp; mgr; V. Darüber hinaus stellen Sie die Sampling-Frequenz auf 1000 Hz. </li></ol></li></ol> 5. Einrichten des Fahrradergometer <ol><li> Nach Überprüfung der Interelektrodenimpedanz, haben die Teilnehmer bewegen sich aus dem Sessel zu dem Fahrradergometer. </li><li> Haben die Teilnehmer stehen neben dem Fahrradergometer und heben ihre Knie, bis die Oberschenkel parallel zum Boden ist. Dann haben die Teilnehmer halten Sie diese Position und stellen Sie die Sitzhöhe um die gleiche Höhe wie der Teilnehmer Oberschenkel entsprechen. </li><li> Danach haben die Teilnehmer sitzen auf dem Fahrradergometer Sitz und dann ein paar Mal in die Pedale treten, während fragen, ob sie bequem mit der Sitzhöhe sind. Falls erforderlich, stellen Sie die Sitzhöhe. </li><li> Stellen Sie sicher, that Beine der Teilnehmer sind in der Nähe von Vollauszug mit einer leichten Biegung (~ 5 °) in die Knie bei jeder Pedalumdrehung. </li><li> Vor Beginn der Prüfung müssen die Teilnehmer tragen einen Polar Puls, so dass die Herzfrequenz kann während der gesamten Übung Test zu dokumentieren. </li></ol> 6. Die Durchführung der EMG Fatigue Threshold Protocol <ol><li> Haben die Teilnehmer starten Radfahren und die stufenweise Erhöhung ihrer Trittfrequenz auf 70 Umdrehungen / min. Dann erhöhen Sie die Leistung auf dem Fahrradergometer auf 50 W. </li><li> Haben die Teilnehmer an diesem Zyklus Leistung für ca. 2-3 min. Hinweis: Dies ist eine niedrige Trainingsintensität und wird als Warm-up zu dienen. </li><li> Nach der Aufwärmphase, erhöhen Sie die Leistung von 25 W alle 2 Minuten, bis die Teilnehmer nicht mehr in der Lage, die 70 Umdrehungen / min Kadenz beizubehalten oder fordert, dass der Test beendet werden. Anmerkung: Es wird darauf hingewiesen, daß während der Belastungstest des EMG-Signals wird 10 aufgezeichnet werdensec Epochen während jeder 2 min Bühne für sec 10-20, 30-40, 50-60, 70-80, 90-100 und 110-120 21. Die meisten EMG-Systeme verfügen über eine Option, um die automatische Aufzeichnung im gewünschten Intervall eingestellt. Somit wird für jede Stufe sollte 6 Daten-Dateien sein. </li><li> Sobald die inkrementelle Prüfung zu dem Schluss gekommen, haben die Teilnehmer führen eine Abkühlung auf 50 W. Sie sicher, dass die Länge der Abkühlphase entspricht, die der Teilnehmer Herzfrequenz Rückkehr zum Wert während der Warmlaufphase. Überwachen Sie dies, indem Sie die Herzfrequenz der Teilnehmer unter Verwendung des Polar Herzfrequenz-Messgerätes. </li><li> Nachdem die Abkühlphase abgeschlossen ist, entfernen Sie die EMG führt und haben die Teilnehmer steigen Sie vom Fahrradergometer und zum Stuhl. Dann vorsichtig die EMG-Elektroden und wischen Sie die Flächen mit einem sauberen Tuch mit Alkohol oder einem Alkoholtupfer abwischen. </li></ol> 7. Die Verarbeitung der EMG Signal <ol><li> Nachdem der Test abgeschlossen ist, ProCess die rohen EMG Datendateien, die während der Übung Test gesammelt wurden, so dass die Daten können verwendet werden, um die EMG Ermüdungsschwelle zu bestimmen. <ol><li> Führen Sie die Verarbeitung des EMG-Signals entweder mit dem verwendet, um die EMG-Signals sammeln Software oder individuelle schriftliche Software mit verschiedenen Plattformen wie MATLAB oder LabVIEW. </li><li> Filtern der erfassten EMG-Signale mit Hilfe eines Bandpassfilters. Verwenden Sie eine Einstellung von 10 bis 500 Hz. Anmerkung: Dies ändert die Frequenz des Signals, so dass Niederfrequenz-Artefakte aufgrund einer Bewegung der EMG Leitungen (&lt;10 Hz), und Hochfrequenz-Artefakten aus der Umgebung (&gt; 500 Hz), entfernt werden. Verwenden ein Kerbfilter von 60 Hz, wenn es irgendeine Störung durch die Stromversorgung des Computers oder EMG-System. </li><li> Sobald das Signal gefiltert worden ist, bestimmen die Signalamplitude durch die Berechnung der Effektivwert des Signals: Quadrat jedes der Datenpunkte, summieren sie, geteilt durch die Anzahl der Datenpunkte, dann die Quadratwurzel der resultierende Wert. Führen Sie diese Berechnungen unter Verwendung der oben genannten Software. </li></ol></li></ol> 8. Bestimmung der EMG Fatigue Threshold für jeden Teilnehmer <ol><li> Führen Sie folgende Schritte für jeden Teilnehmer. <ol><li> Nachdem das EMG-Signal verarbeitet worden ist; verwenden Sie ein Statistikprogramm (zB GraphPad Prism) und beschriften Sie die erste Spalte &quot;Time&quot; und die nachfolgenden Spalten mit den Leistungsstufen für den Test verwendet. </li><li> Für jede Leistung, füllen Sie das entsprechende EMG Amplitudenwert für jede 20 Sekunden-Intervall. </li><li> Für jede Leistung, analysiert die Zeit (x-Achse) gegen die EMG-Amplitude (y-Achse) Beziehung mit der linearen Regression, um zu bestimmen, ob die Steigung der Regressionsgerade ist signifikant (p &lt;0,05) von Null verschieden. </li><li> Nach dem Durchführen der Linearregressionsanalysen für alle Leistungsstufen, identifizieren die höchste Leistung mit einem nicht-signifikant (p&gt; 0,05) Hang. </li><li> Dann identifizieren lschuldest Leistung mit einer signifikanten (p &lt;0,05) Hang. </li><li> Sobald diese beiden Leistungsstufen identifiziert worden sind, fügen Sie sie und teilen durch 2; die resultierende Leistung ist der geschätzte EMG Ermüdungsschwelle. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Wir präsentieren hier ein Verfahren zur Bestimmung neuromuskuläre Ermüdung in der Quadrizeps femoris für dynamische Bewegung. Dieses Verfahren stellt eine einfache und nicht-invasive Ansatz zur Verwendung von Oberflächen-EMG. Darüber hinaus ist die Vielseitigkeit dieser Methode, die Forscher können es auf andere Arten der Bewegung wie dem Laufband 20 anzupassen. Theoretisch für Intensitäten bei oder unter dem EMG Ermüdungsschwelle der Teilnehmer sollten in der Lage, um die Übung auf unbestimmte Zeit zu erhalten 12,13 workbout sein. Briscoe et al. 8 validiert die EMG Ermüdungsschwelle für Fahrradergometrie. Bei verschiedenen Gelegenheiten jeder Teilnehmer bei 70%, 100% und 130% ihrer EMG Ermüdungsschwelle ausgeübt. Die Autoren fanden, dass bei 70% und 100% der EMG Ermüdungsschwellen Teilnehmer nicht EMG-Amplitude während der Trainingsarbeitsbelastung 8 erhöht. Für die Arbeitslast bei 130% der EMG Ermüdungsschwelle jedoch zeigten die Teilnehmer einsignifikante Erhöhung der EMG-Amplitude 8. Briscoe et al. 8 Schluss, dass die EMG Ermüdungsschwelle für Fahrradergometrie eine gültige Protokoll zu neuromuskulärer Ermüdung während der kontinuierlichen Bewegung zu bestimmen. Im Hinblick auf die kritischen Schritte in dem Protokoll und Fehlersuche sollten Sie Folgendes beachten. Wenn es zu viel Lärm in der EMG-Signal bei der Durchführung von Schritt 4.1.2 dann zuerst die Verbindung zwischen den Elektroden und der EMG-Gerät Aufzeichnen des Signals. Oftmals werden die EMG Leitungen können nicht richtig mit dem EMG-Elektrode verbunden sein. Zweitens sind die Bereiche, in denen die Elektroden Notwendigkeit gelegt, um frei von Haaren und fühlen sich glatt anfühlt und nicht grobe (dh Rasieren Stoppeln). Stellen Sie daher sicher, dass alle Haare gründlich an Orten entfernt, wo die EMG-Elektrode platziert wird. Auch ist es wichtig, den Bereich reinigen, wenn die Schleif abgeschlossen ist. Wiederum ist es das Ziel, eine saubere und glatte Oberfläche aufweisen. Drittens the Mittelbereich des EMG-Elektrode nicht trocken sein, und wenn ja, Verwenden Leitfähigkeit Gel (wie diejenigen, für die Ultraschall verwendet wird) als Ergänzung. Achten Sie darauf, um das Gel sparsam zu verwenden, weil überschüssiges Gel kann mit der Haftfähigkeit des EMG-Elektrode stören. Zusammengenommen sind diese Artikel sind häufig Täter, die den Lärm in der EMG-Signals zu erhöhen und damit die Daten gefährdend. Obwohl die EMG FT-Protokoll ist vielseitig es mögliche Beschränkungen auf ihre Anwendung in einem klinischen Umfeld. Zum Beispiel können bestimmte klinische Populationen nicht die Testprotokoll zu tolerieren. Das heißt, während der Anstieg der Arbeitsbelastung kann geändert werden (dh 5 W statt 25 W pro Stufe) Patienten mit schwerer Atemwege und / oder Herzerkrankungen vorzeitig Ermüdung während der Anfangsphase des Tests. Eine andere mögliche Einschränkung ist, dass der Quadrizeps femoris sind alle während des Zyklus Ergometrie aktiviert; jedoch ist das EMG Signals aus nur einer der aufgezeichnetendiese Muskeln. Bisher wurden keine Studien die EMG FT über die drei oberflächlichen quadriceps femoris bestimmt für Fahrradergometrie zu erkennen, ob es Unterschiede zwischen Muskeln. Zusammenfassend ist das Verfahren zum Schätzen des Ermüdungs ​​EMG Schwelle aus einer inkrementalen Belastungstest ein nützliches Werkzeug für die Beurteilung der bei der dynamischen Bewegung neuromuskuläre Ermüdung. Darüber hinaus dieser Test liefert eine objektive Methode zur Bestimmung der Wirksamkeit der verschiedenen Interventionen, die Muskelermüdung zu dämpfen.

Oberflächen-Elektromyographie (EMG) ist eine nicht-invasive Ansatz des Studiums Rekrutierung motorischer Einheiten während isometrische 1-3, isokinetische 4-6, 7-10 oder kontinuierlichen Muskeltätigkeit. Die Amplitude des EMG-Signals darstellt Muskelaktivierung, die von der Anzahl der Motoreinheiten aktiviert wird, die Brennrate der Motoreinheiten oder beides 11 besteht. Das Konzept des EMG Ermüdungs ​​Schwellenwert wird verwendet, um die höchste Arbeitslast in dem ein Individuum kann beliebig oft ohne eine Erhöhung der EMG-Amplitude 8 Aktivität anzuzeigen. Es ist wichtig, kurz Diskussion der Ursprung des EMG Ermüdungsgrenze. Die ursprüngliche Studie von de Vries et al. 12 involviert ein Protokoll, das (in der Regel 3 bis 4) diskontinuierlichen Arbeitskämpfen, wo die EMG-Amplitude wurde gegen die Zeit für jeden Arbeitskampf aufgetragen mehrerer bestand. Die Leistung wurde dann gegen die Steigungskoeffizienten von der EMG Amplitude über der Zeit aufgetragen rela<html> hung und dann auf Null Steigung (die y-Achsenabschnitt) 12 extrapoliert. Die Autoren 12 ursprünglich genannt, dass das Protokoll der physischen Arbeitsfähigkeit bei der Ermüdungsschwelle (PWCFT). In einer anderen Studie deVries et al. 13 verwendet diskontinuierlichen Arbeits Anfällen, aber verwendet linearen Regression, um die erste Ausgangsleistung, die zu einer erheblichen Steigung für die EMG-Amplitude gegenüber der Zeit-Beziehung resultiert finden. Die Autoren 13 auch als das Protokoll der PWCFT, wodurch einige Verwirrung in der Literatur. In einem nachfolgenden Artikel, deVries et al. 14 modifiziert ihren früheren Protokoll 13 und entwickelte eine kontinuierliche inkrementelle Protokoll. Die EMG-Amplitude gegen die Zeit für jeden Ausgangsleistung aufgetragen, und die PWCFT wurde als Durchschnitt der höchsten Leistung, die zu keiner Änderung der EMG-Amplitude über die Zeit und dem niedrigsten Ausgangsleistung, die zu einer Erhöhung der EMG-Amplitude über die Zeit 14 in Folge geführt definierte . ent &quot;&gt; Es ist zu beachten, dass der Begriff PWC wurde ursprünglich in den späten 1950er Jahren 15,16 eingeführt und ist gleichbedeutend mit einer Fülle von Literatur (Vergangenheit, Gegenwart und in verschiedenen Ländern) Prüfung aerobe Kapazität zu einem bestimmten Arbeitsbelastung 17 werden. Außerdem der Begriff wird in der ergonomischen und industriellen Literatur, die am Tag zu Tag die Produktivität der Arbeitnehmer sich wiederholende Aktion während 8 Stunden Arbeitstage zu konzentrieren, wie Menschen in einem Montagewerk 18 verwendet. Der Begriff EMG Ermüdungsschwelle wurde ursprünglich von Matsumoto und Mitarbeitern 19 verwendet werden, nachdem sie die deVries 12 Protokoll, bei dem die Ausgangsleistung als auch das Gefälle Koeffizienten des EMG-Amplitude als Funktion der Zeit aufgetragen sind und Beziehung zu dem Punkt der Steigung Null extrapoliert modifiziert. In jüngerer Guffeys et al. 20 und Briscoe et al. 8 verwendet die Methode der deVries et al. 14 und die Terminologie der Matsumoto et al. 19 operativ definieren die EMG Ermüdungsschwelle. Moving forward, empfehlen wir, dass der Begriff EMG Ermüdungsschwelle verwendet werden. Somit wird die EMG-Amplitude gegenüber der Zeit-Beziehung für jede Ausgangsleistung aufgetragen, und unter Verwendung einer linearen Regressionsanalyse (Figur 1) analysiert. Um die EMG Ermüdungs ​​Schwelle der höchsten Leistung mit einer nicht-signifikant (p&gt; 0,05) Steigung und dem niedrigsten Ausgangsleistung mit einer signifikanten Schätzung (p &lt;0.05) Steigung identifiziert wird, und dann der Durchschnitt berechnet 14. Dieses Protokoll ist einfach, bequem und innerhalb von 15-20 min abgeschlossen. Darüber hinaus kann die inkrementelle Rate basierend auf der individuellen Ebene der gewöhnlichen körperlichen Aktivität moduliert werden, und hat daher potenzielle Anwendungen im klinischen Umfeld.

<table><tbody><tr><td>839 E Monark cycle ergometer&amp;nbsp;</td><td>Monark Exercise AB</td><td>839 E</td><td></td></tr><tr><td>Heart rate monitor</td><td>Polar</td><td>Polar H1</td><td></td></tr><tr><td>Laptop</td><td>Dell Inspiron</td><td>varies</td><td>any laptop computer with USB slots should work.</td></tr><tr><td>EMG amplifiers</td><td>BioPac Systems, Inc.</td><td>100B</td><td>100C are the latest version</td></tr><tr><td>Disposable EMG electrodes</td><td>BioPac Systems, Inc.</td><td>EL-500</td><td></td></tr><tr><td>Sandpaper</td><td>Home Depot</td><td>9 inch x 11 inch 60 Grit course no-slip grip Advanced Sandpaper (3-Pack)</td><td></td></tr></tbody></table>

determining the electromyographic fatigue threshold following a single visit exercise test

Theoretisch ist die elektromyographische (EMG) Ermüdungsschwelle der Trainingsintensität einer einzelnen unbegrenzt ohne die Notwendigkeit, mehrere Motoreinheiten, die mit einer Erhöhung der EMG-Amplitude zugeordnet ist, zu rekrutieren aufrechterhalten kann. Auch wenn verschiedene Protokolle verwendet wurden, um die EMG Ermüdungsschwelle schätzen sie erfordern mehrere Besuche, die unpraktisch einer klinischen Umgebung sind. Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Schätzung des EMG Ermüdungsschwelle für Fahrradergometrie die einen einzigen Besuch erfordert. Dieses Protokoll ist einfach, bequem und innerhalb von 15-20 min abgeschlossen, daher hat das Potenzial, zu einem Werkzeug, das Kliniker kann in Übung Rezept verwenden, übersetzt werden.

Wie in Figur 1 gezeigt, für einen einzelnen Teilnehmer, wobei jeder Leistungsabgabe, die abgeschlossen ist, hat sechs Datenpunkte, die EMG-Amplitude repräsentieren für die vastus lateralis. Daher wird in diesem Beispiel ist die höchste Leistung mit einem nicht-signifikant (p&gt; 0,05) Steigung 200 Watt, während die niedrigste Leistungsabgabe mit einer signifikanten (p &lt;0,05) Steigung 225 W. Daher wird für diesen Teilnehmer das EMG Ermüdungsschwelle ist 213 W. Wenn der EMG Ermüdungsschwelle wird für jeden Teilnehmer dann schließenden Statistik durchgeführt werden kann bestimmt. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52729/52729fig1.jpg" /> Abbildung 1: Repräsentative Ergebnisse für einen einzelnen Teilnehmer. Lineare Regression wurde für die EMG-Amplitude als Funktion der Zeit Beziehung für jeden Leistungsausgang Die durch den roten Pfeil (200 W) angegeben Leistung durchgeführt wird. Ist diehöchste Leistung mit einer nicht signifikant (p&gt; 0,05) Steigung, während die durch den grünen Pfeil (225 W) angegeben Leistung ist die niedrigste Leistungsabgabe mit einer signifikanten (p &lt;0,05) Steigung. Der Mittelwert dieser zwei Leistungsausgänge gleich 213 W, die der EMG FT ist. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52729/52729fig2.jpg" /> Abb. 2: Darstellung der Elektrodenanordnung für den M. vastus lateralis Darüber hinaus haben wir eine visuelle, wo die EMG-Elektroden für die Rectus femoris und vastus medialis Muskeln platziert ist. Http://www.seniam.org: gerechte Angaben zur EMG Elektrode angeordnet sind auf der folgenden Website zu finden.

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Determining The Electromyographic Fatigue Threshold Following a Single Visit Exercise Test

This protocol describes the electromyographic fatigue threshold which demarcates between nonfatiguing and fatiguing exercise workloads. This information could be used to develop a more individualized training program.

Bestimmung der Elektromyographische Fatigue Threshold Nach einem einzigen Besuch Ergometrie

Theoretically, the electromyographic (EMG) fatigue threshold is the exercise intensity an individual can maintain indefinitely without the need to recruit ...

determining-electromyographic-fatigue-threshold-following-single

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Medicine

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Serie: Determining The Electromyographic Fatigue Threshold Following a Single Visit Exercise Test

Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade. While the use of TMS has expanded to the study of many systems and processes during this time, the original application and perhaps one of the most common uses of TMS involves studying the physiology, plasticity and function of the human neuromuscular system. Single pulse TMS applied to the motor cortex excites pyramidal neurons transsynaptically 2 (Figure 1) and results in a measurable electromyographic response that can be used to study and evaluate the integrity and excitability of the corticospinal tract in humans 3. Additionally, recent advances in magnetic stimulation now allows for partitioning of cortical versus spinal excitability 4,5. For example, paired-pulse TMS can be used to assess intracortical facilitatory and inhibitory properties by combining a conditioning stimulus and a test stimulus at different interstimulus intervals 3,4,6-8. In this video article we will demonstrate the methodological and technical aspects of these techniques. Specifically, we will demonstrate single-pulse and paired-pulse TMS techniques as applied to the flexor carpi radialis (FCR) muscle as well as the erector spinae (ES) musculature. Our laboratory studies the FCR muscle as it is of interest to our research on the effects of wrist-hand cast immobilization on reduced muscle performance6,9, and we study the ES muscles due to these muscles clinical relevance as it relates to low back pain8. With this stated, we should note that TMS has been used to study many muscles of the hand, arm and legs, and should iterate that our demonstrations in the FCR and ES muscle groups are only selected examples of TMS being used to study the human neuromuscular system.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive tool to gain insight on the physiology and function of the human nervous system. Here, we present our TMS techniques to study cortical excitability of the upper limb and lumbar musculature.

Mit Hilfe Transkranielle Magnetstimulation auf die menschliche neuromuskuläre System zu studieren

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been in use for more than 20 years 1, and has grown exponentially in popularity over the past decade.  While ...

Forschung

Medizin

Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is constantly integrated into the central nervous system and these sensory inputs need to be weighted in order meet the task specific goals. Additional feedback presented as augmented feedback was shown to have an impact on motor control and motor learning. A number of studies investigated whether force or position feedback has an influence on motor control and neural activation. However, as in the previous studies the presentation of the force and position feedback was always identical, a recent study assessed whether not only the content but also the interpretation of the feedback has an influence on the time to fatigue of a sustained submaximal contraction and the (inhibitory) activity of the primary motor cortex using subthreshold transcranial magnetic stimulation. This paper describes one possible way to investigate the influence of the interpretation of feedback on motor behaviour by investigating the time to fatigue of submaximal sustained contractions together with the neuromuscular adaptations that can be investigated using surface EMG. Furthermore, the current protocol also describes how motor cortical (inhibitory) activity can be investigated using subthreshold TMS, a method known to act solely on the cortical level. The results show that when participants interpret the feedback as position feedback, they display a significantly shorter time to fatigue of a submaximal sustained contraction. Furthermore, subjects also displayed an increased inhibitory activity of the primary cortex when they believed to receive position feedback compared when they believed to receive force feedback. Accordingly, the results show that interpretation of feedback results in differences on a behavioural level (time to fatigue) that is also reflected in interpretation-specific differences in the amount of inhibitory M1 activity.

Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback.

Steuerkraft und Position in Humans - Die Rolle der Augmented Feedback

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is ...

Verhalten

Measuring the Motor Aspect of Cancer-Related Fatigue using a Handheld Dynamometer

Cancer-related fatigue (CRF) is commonly reported by patients both during and after receiving treatment for cancer. Current CRF diagnoses rely on self-report questionnaires which are subject to report and recall biases. Objective measurements using a handheld dynamometer, or handgrip device, have been shown in recent studies to correlate significantly with subjective self-reported fatigue scores. However, variations of both the handgrip fatigue test and fatigue index calculations exist in the literature. The lack of standardized methods limits the utilization of the handgrip fatigue test in the clinical and research settings. In this study, we provide detailed methods for administering the physical fatigue test and calculating the fatigue index. These methods should supplement existing self-reported fatigue questionnaires and help clinicians assess fatigue symptom severity in an objective and quantitative manner.

Simple and accessible methods were developed to measure the motor aspect of cancer-related fatigue objectively and quantitatively. We describe, in detail, ways to administer the physical fatigue test using a simple handgrip device as well as methods to calculate fatigue indices.

Messung des Motoraspekts krebsbedingter Ermüdung mit einem Handmessgerät

Cancer-related fatigue (CRF) is commonly reported by patients both during and after receiving treatment for cancer. Current CRF diagnoses rely on ...

Krebsforschung

Standing Neurophysiological Assessment of Lower Extremity Muscles Post-Stroke

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a common tool used to measure the behavior of motor circuits in healthy and neurologically impaired populations. TMS is used extensively to study motor control and the response to neurorehabilitation of the upper extremities. However, TMS has been less utilized in the study of lower extremity postural and walking-specific motor control. The limited use and the additional methodological challenges of lower extremity TMS assessments have contributed to the lack of consistency in lower extremity TMS procedures within the literature. Inspired by the decreased ability to record lower extremity TMS motor evoked potentials (MEP), this methodological report details steps to enable post-stroke TMS assessments in a standing posture. The standing posture allows for the activation of the neuromuscular system, reflecting a state more akin to the system's state during postural and walking tasks. Using dual-top force plates, we instructed participants to equally distribute their weight between their paretic and non-paretic legs. Visual feedback of the participants' weight distribution was provided. Using image guidance software, we delivered single TMS pulses via a double-cone coil to the participants' lesioned and non-lesioned hemispheres and measured the corticomotor response of the paretic and non-paretic tibialis anterior and soleus muscles. Performing assessments in the standing position increased the TMS response rate and allowed for the use of the lower stimulation intensities compared to the standard sitting/resting position. Utilization of this TMS protocol can provide a common approach to assess the lower extremity corticomotor response post-stroke when the neurorehabilitation of postural and gait impairments are of interest.

This protocol describes the process for performing a neurophysiological assessment of the lower extremity muscles, tibialis anterior and soleus, in a standing position using TMS in people post-stroke. This position provides a greater probability of eliciting a post-stroke TMS response and allows for the use of reduced stimulator power during neurophysiological assessments.

Stehende neurophysiologische Beurteilung der Muskulatur der unteren Extremitäten nach dem Schlaganfall

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a common tool used to measure the behavior of motor circuits in healthy and neurologically impaired ...

Quantifying Arms and Legs Contributions during Repetitive Electrically-Assisted Sit-To-Stand Exercise in Paraplegics: A Pilot Study

Execution of Sit-to-Stand (SitTS) in incomplete spinal cord injury (SCI) patients involves motor function in both upper and lower extremities. The use of arm support, in particular, is a significant assistive factor while executing SitTS movement in SCI population. In addition, the application of functional electrical stimulation (FES) onto quadriceps and gluteus maximus muscles is one of the prescribed management for incomplete SCI to improve muscle action for simple lower limb movements. However, the relative contribution of upper and lower extremities during SitTS has not been thoroughly investigated. Two motor incomplete SCI paraplegics performed repetitive SitTS to fatigue exercise challenge. Their performance was investigated as a mixed-method case-control study comparing SitTS with and without the assistance of FES. Three sets of SitTS tests were completed with 5-min resting period allocated in between sets, with mechanomyography (MMG) sensors attached over the rectus femoris muscles bilaterally. The exercise was separated into 2 sessions; Day 1 for voluntary SitTS and Day 2 for FES-assisted SitTS. Questionnaires were conducted after every session to gather the participants&#39; input about their repetitive SitTS experience. The analysis confirmed that a SitTS cycle could be divided into three phases; Phase 1 (Preparation to stand), Phase 2 (Seat-off), and Phase 3 (Initiation of hip extension), which contributed to 23% &#177; 7%, 16% &#177; 4% and 61% &#177; 6% of the SitTS cycle, respectively. The contribution of arms and legs during SitTS movement varied in different participants based on their legs&#39; Medical Research Council (MRC) muscle grade. In particular, the applied arm forces start to increase clearly when the leg forces start to decline during standing. This finding is supported by the significantly reduced MMG signal indicating leg muscle fatigue and their reported feeling of tiredness.

Arms contribution in Sit-To-Stand (SitTS) is determined by the legs' muscle condition. Several compensating strategies were discovered in efforts to achieve complete SitTS cycles. These findings triangulate the spinal cord injury (SCI) persons' biomechanical measures with their subjective feeling of load borne by both their limbs throughout the SitTS approaches.

Quantifizierung der Beiträge von Armen und Beinen während wiederholter elektrisch unterstützter Sitzübungen bei Querschnittgelähmten: Eine Pilotstudie

Execution of Sit-to-Stand (SitTS) in incomplete spinal cord injury (SCI) patients involves motor function in both upper and lower extremities. The use of ...

Ingenieurwesen

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels). The present protocol describes how this method can be used to stimulate the posterior tibial nerve that activates plantar flexor muscles. Percutaneous electrical nerve stimulation consists of inducing an electrical stimulus to a motor nerve to evoke a muscular response. Direct (M-wave) and/or indirect (H-reflex) electrophysiological responses can be recorded at rest using surface electromyography. Mechanical (twitch torque) responses can be quantified with a force/torque ergometer. M-wave and twitch torque reflect neuromuscular transmission and excitation-contraction coupling, whereas H-reflex provides an index of spinal excitability. EMG activity and mechanical (superimposed twitch) responses can also be recorded during maximal voluntary contractions to evaluate voluntary activation level. Percutaneous nerve stimulation provides an assessment of neuromuscular function in humans, and is highly beneficial especially for studies evaluating neuromuscular plasticity following acute (fatigue) or chronic (training/detraining) exercise.

We present a protocol to assess changes in neuromuscular function. Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method that evokes muscular responses. Electrophysiological and mechanical properties of these responses permit the evaluation of neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels).

Beurteilung der neuromuskulären Funktion Mit Perkutane elektrische Nervenstimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Neurowissenschaften

Measuring Neuromuscular Junction Functionality

Neuromuscular junction (NMJ) functionality plays a pivotal role when studying diseases in which the communication between motor neuron and muscle is impaired, such as aging and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Here we describe an experimental protocol that can be used to measure NMJ functionality by combining two types of electrical stimulation: direct muscle membrane stimulation and the stimulation through the nerve. The comparison of the muscle response to these two different stimulations can help to define, at the functional level, potential alterations in the NMJ that lead to functional decline in muscle.
Ex vivo preparations are suited to well-controlled studies. Here we describe an intensive protocol to measure several parameters of muscle and NMJ functionality for the soleus-sciatic nerve preparation and for the diaphragm-phrenic nerve preparation. The protocol lasts approximately 60 min and is conducted uninterruptedly by means of a custom-made software that measures the twitch kinetics properties, the force-frequency relationship for both muscle and nerve stimulations, and two parameters specific to NMJ functionality, i.e. neurotransmission failure and intratetanic fatigue. This methodology was used to detect damages in soleus and diaphragm muscle-nerve preparations by using SOD1G93A transgenic mouse, an experimental model of ALS that ubiquitously overexpresses the mutant antioxidant enzyme superoxide dismutase 1 (SOD1).

A functional assessment of the neuromuscular junction (NMJ) can provide essential information on the communication between muscle and nerve. Here we describe a protocol to comprehensively evaluate both the NMJ and muscle functionality using two different muscle-nerve preparations, i.e. soleus-sciatic and diaphragm-phrenic.

Neuromuskuläre Synapse Messfunktionalität

Neuromuscular junction (NMJ) functionality plays a pivotal role when studying diseases in which the communication between motor neuron and muscle is ...

Ex Vivo Assessment of Contractility, Fatigability and Alternans in Isolated Skeletal Muscles

Described here is a method to measure contractility of isolated skeletal muscles. Parameters such as muscle force, muscle power, contractile kinetics, fatigability, and recovery after fatigue can be obtained to assess specific aspects of the excitation-contraction coupling (ECC) process such as excitability, contractile machinery and Ca2+ handling ability. This method removes the nerve and blood supply and focuses on the isolated skeletal muscle itself. We routinely use this method to identify genetic components that alter the contractile property of skeletal muscle though modulating Ca2+ signaling pathways. Here, we describe a newly identified skeletal muscle phenotype, i.e., mechanic alternans, as an example of the various and rich information that can be obtained using the in vitro muscle contractility assay. Combination of this assay with single cell assays, genetic approaches and biochemistry assays can provide important insights into the mechanisms of ECC in skeletal muscle.

Ex Vivo Assessment of Contractility, Fatigability and Alternans in Isolated Skeletal Muscles

We describe a method to directly measure muscle force, muscle power, contractile kinetics and fatigability of isolated skeletal muscles in an in vitro system using field stimulation. Valuable information on Ca2+ handling properties and contractile machinery of the muscle can be obtained using different stimulating protocols.

Ex Vivo Beurteilung der Kontraktilität, Müdigkeit und Alternans in isolierten Skelettmuskulatur

 
Described here is a method to measure contractility of isolated skeletal muscles. Parameters such as muscle force, muscle power, contractile kinetics, ...

Biologie

Conducting Maximal and Submaximal Endurance Exercise Testing to Measure Physiological and Biological Responses to Acute Exercise in Humans

Regular physical activity has a positive effect on human health, but the mechanisms controlling these effects remain unclear. The physiologic and biologic responses to acute exercise are predominantly influenced by the duration and intensity of the exercise regimen. As exercise is increasingly thought of as a therapeutic treatment and/or diagnostic tool, it is important that standardizable methodologies be utilized to understand the variability and to increase the reproducibility of exercise outputs and measurements of responses to such regimens. To that end, we describe two different cycling exercise regimens that yield different physiologic outputs. In a maximal exercise test, exercise intensity is continually increased with a greater workload resulting in an increasing cardiopulmonary and metabolic response (heart rate, stroke volume, ventilation, oxygen consumption and carbon dioxide production). In contrast, during endurance exercise tests, the demand is increased from that at rest, but is raised to a fixed submaximal exercise intensity resulting in a cardiopulmonary and metabolic response that typically plateaus. Along with the protocols, we provide suggestions on measuring physiologic outputs that include, but are not limited to, heart rate, slow and forced vital capacity, gas exchange metrics, and blood pressure to enable the comparison of exercise outputs between studies. Biospecimens can then be sampled to assess cellular, protein, and/or gene expression responses. Overall, this approach can be easily adapted into both short- and long-term effects of two distinct exercise regimens.

To assess the influence of exercise intensity on physiologic and biologic responses, two different exercise testing protocols were utilized. Methods outlining exercise testing on a cycle ergometer as an incremental maximal oxygen consumption test and endurance, steady state submaximal endurance test are described.

Durchführung von Tests zur Messung der physiologischer und biologischen Reaktionen auf akute Übung beim Menschen Submaximalen und maximalen Ausdauerbelastungen

Regular physical activity has a positive effect on human health, but the mechanisms controlling these effects remain unclear. The physiologic and biologic ...

Determining the Functional Status of the Corticospinal Tract Within One Week of Stroke

High interindividual variability in the recovery of upper limb (UL) function after stroke means it is difficult to predict an individual&#39;s potential for recovery based on clinical assessments alone. The functional integrity of the corticospinal tract is an important prognostic biomarker for recovery of UL function, particularly for those with severe initial UL impairment. This article presents a protocol for evaluating corticospinal tract function within 1 week of stroke. This protocol can be used to select and stratify patients in trials of interventions designed to improve UL motor recovery and outcomes after stroke. The protocol also forms part of the PREP2 algorithm, which predicts UL function for individual patients 3 months poststroke. The algorithm sequentially combines a UL strength assessment, age, transcranial magnetic stimulation, and stroke severity, within a few days of the stroke. The benefits of using PREP2 in clinical practice are described elsewhere. This article focuses on the use of a UL strength assessment and transcranial magnetic stimulation to evaluate corticospinal tract function.

This protocol is for evaluating corticospinal tract function within 1 week of stroke. It can be used to select and stratify patients in trials of interventions designed to improve upper limb motor recovery and outcomes and in clinical practice for predicting upper limb functional outcomes 3 months after stroke.

Bestimmung des Funktionellen Status des Corticospinal Tract innerhalb einer Woche nach dem Schlaganfall

High interindividual variability in the recovery of upper limb (UL) function after stroke means it is difficult to predict an individual&#39;s potential ...