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Neuroscience

M1 피질 척수 억제를 조사하기 위해 단일 펄스 경두개 자기 자극에 의해 유도된 반대쪽 침묵 기간 측정

Published: August 23, 2022 doi: 10.3791/64231
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3,4, 1
1Neuromodulation Center and Center for Clinical Research Learning, Spaulding Rehabilitation Hospital and Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 2Universidad de Investigación para la Generación y Síntesis de Evidencia en Salud, Universidad San Ignacio de Loyola, 3Research and Development, Soterix Medical, 4City College of New York

Summary

반대쪽 침묵 기간(cSP) 평가는 피질 흥분성 및 치료 반응을 색인화하는 유망한 바이오마커입니다. 우리는 상지 및 하지의 M1 피질 척수 억제를 연구하기 위한 cSP를 평가하기 위한 프로토콜을 시연합니다.

Abstract

반대쪽 침묵 기간(cSP)은 운동 유발 전위(MEP) 후 근전도 검사(EMG)에 의해 포착된 배경 전기적 근육 활동을 억제하는 기간입니다. 이를 얻기 위해 MEP는 선택된 표적 근육의 일차 운동 피질(M1)에 전달되는 역치 경두개 자기 자극(TMS) 펄스에 의해 유도되는 반면, 참가자는 표준화된 자발적 표적 근육 수축을 제공합니다. cSP는 MEP 이후에 발생하는 억제 메커니즘의 결과입니다. 초기 ~50ms의 척추 억제와 이후의 피질 억제에 대한 광범위한 시간적 평가를 제공합니다. 연구자들은 cSP의 이면에 있는 신경생물학적 메커니즘을 더 잘 이해하여 다양한 신경정신병 질환에 대한 잠재적인 진단, 대리 및 예측 바이오마커로 검증하려고 노력했습니다. 따라서 본 논문에서는 대상 근육의 선택, 전극 배치, 코일 위치, 자발적 수축 자극 측정 방법, 강도 설정 및 대표적인 결과를 얻기 위한 데이터 분석을 포함하여 하지와 상지의 M1 cSP를 측정하는 방법을 설명합니다. 하지와 상지에 대해 실현 가능하고 신뢰할 수 있으며 재현 가능한 cSP 프로토콜을 수행하는 시각적 지침을 제공하고 이 기술의 실질적인 문제를 논의하는 교육 목표를 가지고 있습니다.

Introduction

침묵 기간(SP)은 지속적인 근육 수축 동안 적용된 경두개 자기 자극(TMS)에 의해 유도된 운동 유발 전위(MEP)를 따르는 근전도(EMG) 침묵 기간입니다. 역치상 TMS 펄스는 EMG 활동이 기록되는 표적 근육의 반대쪽 또는 동측 일차 운동 피질(M1)에 적용될 수 있으며, 이는 반대쪽 침묵 기간(cSP)과 동측 침묵 기간(iSP)의 두 가지 현상을 생성합니다.

iSP와 cSP는 유사한 기능을 공유하지만 약간 다른 구성 요소를 반영할 수 있습니다. 첫 번째는 transcallosal 억제를 반영하는 것으로 생각되므로 전적으로 피질기원 1,2. 반대로, cSP는 M1 3,4,5 내의 감마-아미노부티르산(GABA) B 수용체에 의해 매개될 가능성이 가장 높은 피질 척수 억제의 가능한 대리자로 조사됩니다.

GABA 매개 경로에서 cSP의 역할을 뒷받침하는 이전 연구에서는 GABA 강화 성분 5,6,7,8의 경구 투여 후 cSP 기간의 증가를 발견했습니다. 그러나 척추 과정은 또한 지속 시간을 변경하는 데 관여합니다. cSP의 초기 단계(<50ms)는 말초 신경 회로의 산물이며 척추 뉴런의 흥분성을 정량화하는 H-반사 값3-a 반사 감소와 관련이 있다9. 척추 처리는 Renshaw 세포의 활성화, 운동 뉴런 과분극 후 및 척추 중간 뉴런 10,11,12,13,14에 의한 시냅스 후 억제를 통해 매개되는 것으로 생각됩니다.

척추 기여에도 불구하고, cSP는 주로 cSP (50-200 ms)3,10,13,15,16의 후반부를 생성하는 피질 억제 뉴런의 활성화로 인해 발생합니다. 그런 점에서, cSP 기간의 초기 부분은 척추 억제 메커니즘과 관련이 있는 반면, 긴 cSP는 더 큰 피질 억제 메커니즘을 요구합니다 3,13,17,18.

따라서 cSP는 신경 장애로 인한 피질 척수 부적응에 대한 유망한 바이오마커 후보인 반면, 더 중요한 cSP 기간은 잠재적으로 피질 척수 억제의 증가를 반영하며 그 반대의 경우도마찬가지입니다 5,11. 따라서, 이전 연구에서는 cSP 기간과 근긴장이상, 파킨슨병, 만성 통증, 뇌졸중 및 기타 신경퇴행성 및 정신과적 상태와 같은 병리 사이의 연관성을 발견했다 19,20,21,22. 예를 들어, 무릎 골관절염 코호트에서 더 높은 피질 내 억제(cSP에 의해 지수화됨)는 몬트리올 인지 평가 척도23에서 더 어린 나이, 더 큰 연골 변성 및 더 낮은 인지 능력과 관련이 있었습니다. 또한, cSP 변화는 종단적으로 치료 반응 및 운동 회복을 지표화할 수 있습니다(24,25,26,27,28,29,30).

신경정신의학 분야에서 cSP의 역할이 유망하지만, 평가의 어려운 측면은 프로토콜 변형에 너무 민감할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, cSP 지속 시간(~100-300ms)11은 상지와 하지로 구별할 수 있습니다. Salerno et al. 섬유근육통 환자의 샘플에서 제1 등쪽 골간근(FDI)의 경우 평균 cSP 기간이 121.2ms(± 32.5), 전경골근(TA)의 경우 75.5ms(± 21)임을 발견했습니다31. 따라서 문헌은 cSP를 유도하는 데 사용되는 매개변수에서 무수히 많은 차이를 전달하며, 이는 차례로 연구 전반에 걸친 비교 가능성을 위태롭게 하고 임상 실습으로의 번역을 지연시킵니다. 예를 들어, 유사한 집단 내에서 프로토콜은 M1 및 표적 근육을 자극하는 데 사용되는 역치 TMS 펄스 설정과 관련하여 이질적이었습니다. 게다가 연구원들은 프로토콜에 사용된 매개변수를 제대로 보고하지 못했습니다.

따라서 목표는 상지 및 하지의 M1 피질 척수 흥분성을 평가하기 위해 실현 가능하고 신뢰할 수 있으며 쉽게 재현할 수 있는 cSP 프로토콜을 적용하는 방법에 대한 시각적 지침을 제공하고 해당 절차의 실질적인 방법론적 과제를 논의하는 것입니다. 또한 매개변수 선택에 대한 이유를 설명하는 데 도움이 되도록 Pubmed/MEDLINE에 대한 비철저한 문헌 검토를 수행하여 검색 용어를 사용하여 만성 통증 및 재활 인구에서 cSP에 대한 출판된 논문을 식별했습니다: Rehabilitation(Mesh) 또는 재활 또는 만성 통증 또는 뇌졸중 및 경두개 자기 자극 및 단일 펄스 또는 피질 침묵 기간과 같은 용어. 추출에 대한 포함 기준은 정의되지 않았으며 통합 결과는 설명 목적으로만 표 1 에 표시됩니다.

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Protocol

이 프로토콜은 인간 대상에 대한 연구를 포함하며 지역 윤리위원회의 제도적 및 윤리적 지침 및 헬싱키 선언과 제휴합니다. 연구에서 데이터를 사용하기 위해 피험자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.

1. 실험 전 절차

  1. 주제의 스크리닝. 두개내 임플란트, 간질, 발작 병력 및 임신에 대해 피험자를 선별합니다. 설문지 지침을 사용하여 최신 안전 예방 조치를 준수하는지 확인하십시오32.
    1. TMS를 사용한 전자기 펄스의 전달은 파편, 동맥류 클립 또는 용접 파편과 같은 강자성 물질의 두개내 임플란트가 있는 개인에게는 금기입니다. 발작 가능성이 높은 개인에게 예방 조치를 취하십시오.
    2. TMS 평가는 이 집단을 다룰 때 보수적인 입장을 취하도록 권고받는 임산부에게 태아 위험을 초래하지 않습니다. 소아 인구에 TMS를 적용하고 특정 발달 단계(즉, 천문 폐쇄, 피질 흥분성의 성숙 및 외이도의 성장)에서 조심스럽게 진행하는 것이 안전합니다33.
  2. 재료 준비. 이 절차의 경우 TMS 및 EMG 장치 외에 수영 모자, 알코올 패드(70% 이소프로필 알코올 준비), 전도성 젤, EMG 소프트웨어 설정으로 켜진 컴퓨터 및 조사된 근육에 적합한 동력계( 재료 표 참조).
    참고: 수영모는 피험자의 머리를 표시하는 불편함 없이 신뢰할 수 있고 재현 가능한 TMS 평가를 허용하는 가장 저렴하고 접근하기 쉬운 옵션이라는 장점이 있습니다.

2. 환자에 대한 적절한 지침

  1. 절차의 기본 단계와 소요 시간을 설명하십시오.
  2. 참가자에게 깨어 있지만 추가 주의 및/또는 집중이 필요한 인지 활동(예: 수학적 계산, 명상 등)을 수행하지 않도록 지시하고 손/턱 경련 또는 그럴듯한 부작용을 경험할 수 있다고 예상합니다. 이러한 사건은 경험이 없는 피험자에게는 예상치 못한 것처럼 보일 수 있으므로 절차를 위태롭게 할 수 있습니다.
    참고: 단일 및 쌍 펄스 TMS는 두통, 국소 통증, 목 통증, 치통 및 감각 이상을 포함한 경증, 일시적인 부작용과만 관련이 있습니다. 발작은 드물며, 다른 심각한 부작용은 발생하지 않았다33. 추가적인 안전을 위해 유해한 소리의 가능성이 있으므로 귀마개와 교근 수축 가능성에 대한 바이트 블록을 제공하는 것이 좋습니다34.

3. 실험 절차(그림 1)

  1. 전극을 배치하기 위한 근육을 선택합니다.
    1. 피험자에게 엎드린 자세로 테이블 위에 손을 올려 놓으라고 요청하십시오. 첫 번째와 두 번째 중수골 골 사이에 국한된 FDI 근육을 선택하십시오. FDI를 식별하려면 피험자에게 저항에 대해 검지 손가락을 납치하고 나머지 손을 움직이지 않고 테이블 위에 눕히도록 요청하십시오.
    2. 선택한 영역을 노출합니다. 필요한 경우 일회용 면도기를 사용하여 해당 부위를 면도하여 피부와의 전극 접촉을 개선하고 알코올 패드로 해당 부위를 청소하여 피부 기름 및 임피던스를 증가시킬 수 있는 기타 요인을 제거합니다. 전극과의 접촉을 보장하기 위해 자유로운 피부가 있음을 인증하십시오.
      알림: 하지 활동을 평가하는 경우 전극 배치를 위해 TA 근육을 사용하십시오. 그것은 경골의 측면에 국한되어 있으며 피부의 표면 근처에 있습니다. 발목 배측굴곡으로 식별할 수 있습니다.
  2. 표면 EMG 전극 배치
    1. 영역을 노출하고 청소한 상태에서 채널의 각 전극에 전도성 젤을 도포하여 임피던스가 양호하도록 합니다.
    2. 음극을 FDI 근육의 배꼽(근육 배의 중심 또는 가장 두드러진 돌출부)에 놓고 양극을 원위 지절간 관절에 놓고 전극 간 거리를 최소 1.5cm로 둡니다. 기준 전극(중성)을 손목의 척골 경상 돌기 위에 놓습니다.
      참고: 운동 종점, 근육 힘줄 또는 기타 활성 근육의 존재는 기록의 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 위치35를 피하는 것이 중요합니다. TA 근육의 경우 전극은 비골 끝과 내측 복사뼈 끝을 연결하는 선의 1/3에 위치해야 합니다. 각 전극의 극 사이에 20mm의 거리를 두고 기준 전극을 발목에 배치합니다.
  3. 필요한 근육 수축력 결정
    1. 디지털 핀치 동력계와 사각 피라미드 지지대를 사용하여 기계적 왜곡을 최소화하고 수축을 최소화하기 위해 감도를 높입니다.
    2. 피라미드 지지대의 도움으로 첫 번째 손가락과 두 번째 손가락 사이에 동력계를 놓습니다. 세 번째, 네 번째 및 다섯 번째 손가락이 테이블 위에 고정되어 있는지 확인하고 1번째와 2번째 손가락은 꼬집는 동작의 힘을 생성합니다.
    3. 고정 된 위치에서 참가자에게 첫 번째 손가락으로 동력계를 누르고 집게 손가락으로 피라미드의 측면을 눌러 최대 힘으로 동력계-피라미드 시스템을 압박하고 FDI 근육의 강한 수축을 생성하도록 요청하십시오.
    4. 이 값을 기준으로 최대 힘의 20%를 결정합니다. 참가자는 지속적인 수축의 20%에서 목표를 유지하는 연습을 해야 합니다. MVC의 15%-25%에서 변형을 허용합니다.
      알림: 또는 조사 중인 고립된 근육 활동을 포착할 수 있는 동력계를 사용할 수 없는 경우 EMG 피드백을 사용하여 힘을 표준화하십시오. 레코딩 소프트웨어는 피사체의 최대 힘에 해당하는 최대 피크 대 피크 진폭을 측정하고 해당 값을 참조로 사용하여 20% MVC를 결정합니다. 피험자는 20%에 도달했을 때의 시각적 및/또는 청각적 단서를 받을 수 있습니다.
  4. 핫스팟 검색을 위한 초기 위치 식별
    1. 피사체의 머리에 수영 모자를 씌우십시오. 모든 기준점이 표시됩니다.
    2. nasion (이마와 코 사이의 지점)에서 inion (후두부에서 가장 두드러진 지점)까지 머리의 시상 둘레를 측정합니다. 그 값을 2로 나누고 머리의 중간 지점을 표시하십시오.
    3. 환자의 nasion, inion, 오른쪽 및 왼쪽 외이의 나선, 오른쪽 및 왼쪽 supraorbital 능선의 위치를 표시하십시오. 이것은 시술 중에 캡이 미끄러지지 않았거나 향후 실험에서 환자의 머리에 동등하게 위치할 것임을 인증하기 위한 것입니다.
    4. 위에서 설명한 대로 이주 간 거리를 측정하고 중간에 표시를 추가합니다. 꼭짓점(Cz)으로 식별된 점인 둘 사이의 교차점을 표시합니다.
    5. 정점에서 선택한 근육의 반대쪽에서 중간 시상 선과 평행하게 옆으로 5cm 이동합니다. 이 표시는 손 운동 피질과 동일한 관상 수준에서 (M1)을 대략적으로 식별합니다. 이 지점을 핫스팟 검색을 시작하는 첫 번째 지점으로 사용합니다.
    6. 핫스팟은 가장 낮은 모터 임계값을 감지할 수 있는 운동 피질의 영역입니다. 낮은 강도(예: 최대 자극기 출력[MSO]의 30%)를 설정하고 첫 번째 지점에 여러 펄스를 전달하여 검색을 시작합니다.
    7. EMG 인덱스 반응(즉, MEP)을 감지하는 가장 낮은 자극을 식별할 때까지 작은 강도 증가로 추구합니다. 자극을 전달하기 위해 손잡이가 환자의 뒤쪽을 향하도록 하여 중간 시상선을 기준으로 8자 코일을 45°로 기울입니다.
    8. 최적의 지점이 식별되었는지 확인하려면 첫 번째 지점 주위를 이동하고 전방 3cm, 측면 1cm, 내측 1cm, 후방 1cm에서 후속 ~1개의 MEP를 테스트합니다. 일관된 응답을 위해 필요한 만큼 이 절차를 반복합니다. 가장 큰 MEP36을 이끌어내는 지점에 충실하십시오.
    9. 핫스팟이 발견되면 환자의 머리에 해당 지점을 표시하십시오 (수영 모자). 이 실험 및 잠재적인 후속 방문 중에 이 위치를 사용합니다. 과도한 압력으로 인해 피사체에 불편함을 주지 않도록 주의하십시오. 양손을 사용하여 피사체의 머리에 코일을 지지합니다.
  5. 휴지 운동 임계값(RMT) 결정
    1. 모터 임계값을 감지 가능한 최소 진폭(일반적으로 최소 50-100μV)의 MEP를 촉진하는 데 필요한 최소 강도로 추정합니다.
    2. 운동 역치를 결정하려면 핫스팟에 10개의 연속 자극을 적용하고 시험의 50%에서 표적 근육에 최소 50μV의 피크 대 피크 진폭을 가진 MEP를 생성한 가장 낮은 강도를 선택합니다.
      참고: 이 프로토콜은 안정 상태(휴식 운동 역치[RMT]) 또는 활성 수축(활성 운동 역치[AMT]) 동안 목표 근육으로 수행할 수 있습니다. 둘 다 역치 TMS 펄스에 대한 참조로 추가로 사용될 수 있습니다. AMT의 획득은 MVC의 표준화에 의존하기 때문에 변동성이 더 높으며, 이는 여러 평가를 통한 종단 연구에서 문제가 될 수 있습니다.
  6. CSP 프로토콜
    1. 표적 근육의 강장제 자발적 수축 동안 MEP를 유도하기 위해 역치 상 자극을 전달합니다.
    2. RMT의 120%의 자극 강도(SI)로 10개의 자극을 전달하고 그 사이에 10초의 기간을 둡니다. 자극을 가하는 동안 환자에게 동력계로 연습 한대로 목표 근육의 최대 운동 수축의 20 %를 유지하도록 요청하십시오.
    3. 전체 SP를 캡처하려면 EMG 시간 창이 최대 400ms의 EMG 활동을 캡처할 수 있을 만큼 충분히 긴지 확인합니다. 드물게 - 연구 중인 질병에 따라 - 피험자는 성공적인 cSP를 얻기 위해 더 높은 SI를 요구할 수 있습니다.

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Representative Results

단계별 절차를 따른 후 역치 TMS 펄스(RMT의 120%)를 전달하면 대상 근육의 EMG 기록에서 관찰 가능한 MEP를 유도하고 이후 약 150ms에서 300ms의 배경 EMG 활동 억제 기간을 유도합니다(그림 2). 해당 EMG 패턴에서 cSP 메트릭을 계산할 수 있습니다. 가장 많이 보고된 결과는 상대 및 절대 SP의 기간(ms 범위)입니다. 상대적 SP는 MEP 시작부터 EMG 활동의 재발까지 측정됩니다. 한 가지 대안은 증폭된 모터 자극 출력(프로토콜에 따라 MSO = RMT의 120%)을 사용하여 상대 SP의 시작을 설정하는 것입니다. 네트워크 레벨에서의 실제 발병은 알 수 없으므로, 실험 신뢰도를 높이기 위해 MEP 개시를 초기 시작점으로 선택한다13. 한편, 절대 SP는 MEP의 끝에서 자발적인 EMG 활동의 재출현이 시작될 때까지 측정할 수 있습니다. 예를 들어, 정성적 비교를 위한 참조로 피험자의 휴식 EMG 활동 기록을 사용합니다. 이러한 시간적 파라미터는 수동으로 또는 자동화된 소프트웨어(37)를 사용하여 식별될 수 있다.

정확한 cSP 계산을 위한 근본적인 방법론적 질문은 EMG 배경 활동의 재출현에 대한 정의입니다. 여기에서 두 가지 접근 방식을 탐색할 수 있습니다. 첫 번째는 개별 시험 계산을 사용하는 것입니다. 이 경우 계산은 각 기록을 사용하여 cSP 기간을 계산하는 시험별 측정을 기반으로 합니다. 그런 다음 개별 시험의 평균(또는 중앙값)을 계산하고 보고할 수 있습니다. 두 번째 접근법은 수정된 다중 시행을 사용하는 것입니다. 이 접근 방식의 경우 모든 시행이 수정된 다음 평균을 내고 서로 겹쳐야 합니다. 그런 다음 정류 및 평균 추적을 사용하여 평균 시간 표시를 사용하여 cSP 기간을 계산합니다. 이 방법의 주요 장점은 강장제 기준선 EMG 레벨36에 비해 자발적인 EMG 활동의 재발을 정확하고 쉽게 식별할 수 있다는 것입니다. 보정 평균을 사용하는 것이 더 비교 가능하고 주제 간 변동성을 줄이기 때문에 유리합니다.

cSP 지속기간은 자극 강도(38)의 시그모이드 함수로서 연장될 수 있지만, 표적 근육(39)의 의도적인 수축 정도에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 점을 언급하는 것이 중요하다. 또한, MEP 진폭은 자극 강도의 증가에 따라 증가한다. 코지마 등은 MEP 진폭의 이러한 증가(강도의 증가에 이차적)가 또한 cSP 지속기간(40)의 증가를 동반한다는 것을 입증하였다. 이러한 거동은 MEP 및 cSP 지속기간이 공통 인자(38)에 의해 영향을 받는 것으로 생각되기 때문에 예상된다. 이러한 공통 요인은 운동 단위가 아닌 피질 척수 전체에 존재하는 것으로 보입니다. 자극 강도의 증가는 둘 다 증가하지만 근육 수축의 증가는 cSP 지속 시간에 영향을 미치지 않기 때문입니다.

이 논의를 통해 결과의 분석 및 해석 중에 자극 강도와 근육 수축을 신중하게 고려해야 한다는 결론을 내릴 수 있습니다. cSP는 SI로 인한 선형 증가를 특징으로하지만 높은 강도에서 고원에 도달합니다. 이 패턴은 피실험자(39)에 걸쳐 매우 가변적인데, 그 이유는 그것들이 독특한 경사와 다른 고원 강도를 가질 수 있기 때문이다. 하나의 대안적인 분석은 입출력(I/O) 곡선을 수행하기 위해 점진적으로 증가된 강도 동안 cSP를 평가하는 것을 포함할 수 있고, 그 후 cSP는 I/O 곡선이 고원(41,42)에 도달하는 강도를 사용하여 얻을 수 있다. 마지막으로, cSP는 피질 흥분성 및 억제 변화를 일으킬 수 있는 모든 활동이나 노출의 영향을 받기 때문에 분석에서 일반적인 교란 요인을 평가하고 기록하는 것이 좋습니다. 예를 들어, TMS 실험43에 대한 보고 체크리스트를 사용합니다.

cSP 해석
현재 연구의 TMS 테스트는 M1 억제의 실현 가능하고 다재다능한 바이오마커의 구현을 보여주기 위해 사용되었습니다. 일반적으로, SP의 지속 기간이 길수록 더 높은 피질 척수 M1 억제가 관찰된다44. 그러나 해석을 위해서는 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 첫째, cSP는 척추 및 피질-피질하 과정 모두에 의해 정의된다(45). 척추 구성 요소는 대략 처음 50ms46을 차지합니다. 나머지 기간은 M1 중간 뉴런 억제 및 M1 내의 다른 억제 구 심성 (피질 하 영역 및 기타 피질로부터)과 같은 피질 메커니즘에 의해 크게 영향을 받으며, MEP를 유도하는 중요한 피질 활성화 후 GABAergic B 뉴런에 의해 주로 매개됩니다6. 이러한 억제의 역할은 원치 않는 움직임을 방지하고 운동 제어를 유지하는 것이라고 제안되었습니다47. 둘째, 행동 및 인지 요인은 CSP 기간뿐만 아니라 운동 및 비운동 신경정신병 장애에 영향을 미칠 수 있습니다45,48. cSP의 이러한 이중적 특성으로 인해 그 값은 실험 컨텍스트(대상 모집단 및 수반되는 운동 제어 작업의 사용) 내에서 해석되어야 합니다.

Figure 1
그림 1: 실험 단계. 1. FDI 근육의 배에 전극 배치 2. 손가락 사이의 동력계 위치. 3. 20% MVC의 표준화를 시험하기 위한 표적 근육의 자발적인 수축 4. 핫스팟 및 RMT(10회 중 5회 시험에서 최소 50mV의 MEP를 유도하는 가장 낮은 자극)를 식별하기 위한 헤드 측정 및 TMS 펄스 5. CSP 프로토콜은 지속적인 근육 수축 동안 120% RMT와 10초 간격으로 10개의 펄스로 일관됩니다. 하단 중앙 그림에서 작은 빨간색 직사각형은 단일 TMS 펄스를 나타내며 사전 TMS 자극(지속적인 근육 수축 및 배경 EMG 활동)과 cSP 기록을 나눕니다. CSP는 MEP의 시작부터 파란색 직사각형 안에 표시된 EMG 기준선 활동의 재출현까지 고려됩니다. 노란색 사각형에는 MEP 레이턴시가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 표적 근육의 근전도 기록에서 MEP. X축에서 밀리초(ms)와 Y축에서 EMG 신호의 밀리볼트(mV). 왼쪽에서 오른쪽으로: 빨간색 선은 MEP 이전의 배경 전기적 근육 활동을 나타내며, 이후 TMS 펄스의 전기적 효과가 관찰된 후 모터 유발 전위가 뒤따릅니다. MEP 후에는 SP로 알려진 EMG 신호가 억제됩니다. MEP 파동의 시작부터 EMG 배경 활동 또는 절대 SP의 반환까지의 간격을 계산하여 MEP의 끝에서 배경 파동의 반환까지의 간격을 계산하는 것은 상대적일 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

MEP 및 SP를 유도하는 기본 SI는 모집단에 따라 달라질 수 있습니다. 80% RMT의 낮은 강도는 건강한 사람에게서 cSP를 유발하는 것으로 나타났으며39, 여전히 건강한 인구와 질병에 걸린 인구 모두에 대한 연구에서는 150% RMT의 높은 강도를 사용했습니다 49,50,51. 이러한 이질성의 원인은 표적 모집단의 특성에 내재되어 있을 수 있지만, 서로 다른 SI가 독립적으로(근육 수축력에 관계없이) MEP 39,49,52에 따른 조용한 EMG 활동 기간을 지시하는 것으로 나타났기 때문에 무시해서는 안 됩니다. 110%에서 120%까지의 RMT는 광범위한 인구에서 SP를 성공적으로 이끌어냈지만 참가자53,54명에게는 여전히 견딜 수 있습니다. 그러나 110% 미만의 SI는 SP를 유도하지 못하거나 지속 시간이 50ms보다 짧은 SP를 유도하지 못하기 때문에110% RMT는 경계선일 수 있습니다.39, 이는 M1 억제의 피질 또는 피질 척수 구성 요소가 아닌 척추만을 나타낼 수 있습니다. 더욱이, 더 높은 SI는 특히 더 높은 RMT를 가진 질병 집단에서 자극 초점 감소 및 환자 불편함 증가와 관련이 있습니다55, 높은 비율의 역치 자극이 최대에 가까운 자극기 출력에 해당할 수 있습니다. 이는 사용된 프로토콜56에 대한 참가자의 준수를 위태롭게 할 수 있습니다. 120% RMT를 사용하는 것이 전반적으로 가장 안전하고 가장 적합한 SI 설정인 것처럼 보이지만 연구원은 관심 모집단에서 수행된 이전의 성공적인 실험을 확인하여 SI를 표준화해야 합니다. 유사한 모집단에 대한 표준화는 추가 통합 통계를 용이하게 하는 데 중요합니다.

실험은 일반적으로 단일 SI를 사용하여 수행되지만 일부 연구에서는 하나 이상의 자극 설정(53,57,58,59,60)에서 cSP 반응을 조사했습니다. 명확한 병태생리학이나 이전 문헌이 없거나 SP 행동에 대한 이해가 연구의 목적인 상태의 맥락에서 후속 자극 강도 증가(즉, S자 자극-반응 곡선에서 10% 증가)에 대해 cSP를 플롯하는 것이 좋습니다42. 이 경우 연구원은 근육 피로를 피하기 위해 프로토콜 휴식 휴식을 추가하는 것을 고려해야 합니다. 여전히 모순적이지만 cSP가 근육 수축 수준에 영향을 받지 않는다는 상당한 양의 증거가 있습니다 39,61,62; 그러나 근육 피로63,64,65,66의 영향을 받습니다. 최대 자발적 수축(MVC)의 20% 값은 피로를 유발할 가능성이 적은 SP를 성공적으로 유도하는 것으로 일관되게 나타났습니다(60,67,68,69).

문헌에서 cSP 결과의 이질성에 기여할 수 있는 또 다른 중요한 파라미터는 TMS 자극 후 cSP를 평가하기 위해 선택된 근육입니다. 연구에 따르면 서로 다른 근육이 독특한 운동 뉴런 네트워크를 모집할 수 있으며, 이는 차례로 다양한 cSP 효과를 가질 수 있습니다. 이것은 상지 근육과 하지 근육뿐만 아니라 같은 사지의 근위부와 원위부근에도 해당됩니다. 예를 들어, 두 개의 개별 연구에서 Van Kuijk와 동료들은 근위 근육70,71에 비해 원위 상지 근육에서 cSP와 같은 TMS 매개변수에 대해 더 중요한 민감도를 전달했습니다. 그리고 이 차이가 항상 통계적으로 유의한 것은 아니지만71, 여전히 주목할 만하며 이질적인 결과에 기여할 수 있습니다. 또한, 상지 근육과 하지 근육의 cSP 반응의 유의미한 차이는 피로에 대한 연구에서도 나타났으며, 상지가 하지보다 30% 더 긴 SP를 전달한다72. 따라서 cSP 결과의 이질성을 줄이려면 일부는 다른 근육보다 TMS 자극에 더 민감하기 때문에 cSP 평가가 평가될 근육을 표준화하는 것이 중요합니다. 따라서 다른 근육은 절차의 특수성과 해석을 크게 바꿀 수 있습니다. 예를 들어, cSP는 후두 운동 단위와 같은 더 깊은 근육에서 피질 흥분성을 평가하는 데에도 사용됩니다. 이러한 구조에 cSP 프로토콜을 적용하면 고유한 문제가 발생합니다. 예를 들어 후두 운동 피질의 경우; 이 프로토콜의 자극 부위는 근전도 전극 근처에 있으며, 이는 근전도 증폭기(73)에 대한 조정을 필요로 하는 아티팩트의 수를 증가시킬 수 있다. 또한 이러한 근육의 EMG 활동을 측정하기 위해 피부를 관통하는 바늘 전극이 필요하므로 전극의 배치 및 필요한 경우 재 할당이 어려워지고 결과 해석이 변경됩니다. 따라서 이 방법론적 논문의 한계는 그 범위가 상지 및 하지에 대한 프로토콜을 설명하는 것으로 제한되며, 예를 들어 피질구근 억제 또는 정신과 상태의 마커로서 cSP를 탐구하는 분야를 포함한다는 것입니다.

그 문제에서 문헌 검색은 FDI가 상지 M1 피질 척수 억제를 연구하는 데 가장 일반적으로 사용되는 표적 근육임을 뒷받침합니다. 그 이유들은 운동 피질에서의 그의 피상적이고 큰 피질 표현, 자극을 위한 가장 낮은 운동 역치, 및 그의 고립되고 지속적인 수축을 수행하기 위한 단순성 및 전극(73,74)의 위치 지정을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 하지의 경우, TA 근육의 사용이 가장 빈번한데, 이는 다른 다리 근육에 비해 피질이 더 크기 때문일 수 있다75. 또한 하지의 근육을 구성하는 큰 근육 그룹의 활동으로부터 쉽게 분리될 수 있는 것도 중요한 역할을 합니다. 현장에서 하지 재활의 중요성에도 불구하고 특정 문제를 감안할 때 LL MEP를 사용하는 연구는 더 적습니다. LL의 뇌 해부학적 영역은 상지에 비해 반구 간 균열에서 더 내측이고 더 깊습니다. 그러나, 뉴로네비게이션의 사용은 자극(36)의 정확도를 향상시킨 반면, 더블 콘 코일의 사용은 TA 근육을 포함하는 LL 영역을 성공적으로 표적화하여, 다른 코일 유형보다 낮은 LL MT를 나타내고, 76,77,78,79를 나타내고, 현재 LL 36,44를 표적으로 하는 표준 권고가 되고 있다. 그러나 최신 내비게이션 기술의 사용은 프로토콜의 실현 가능성과 병행하여 고려되어야 합니다. Jung et al. (2010)은 유사한 성능 수준80에 도달하는 비 탐색 TMS와 TMS 탐색 사이의 MEP 가변성 및 재현성에 큰 차이가 없음을 밝혔다. 탐색되지 않은 TMS를 사용하는 것은 특정 상황(즉, 제한된 리소스)에서 더 비용 효율적일 수 있으므로 실현 가능하고 쉽고 재현 가능한 cSP 평가를 입증하는 것을 목표로 하는 이 프로토콜에 선호되는 접근 방식이었습니다.

다양한 신경 장애에서 피질척수 억제 바이오마커로서 cSP의 유망하고 다재다능한 사용을 감안할 때, 연구자들에게 상지 및 하지에 대한 실현 가능하고 재현 가능하며 여전히 신뢰할 수 있는 cSP 프로토콜을 제공하는 것이 필수적입니다. 우리는 실험에서 소수의 근육만 표현할 수 있어 피질구근 억제에 대한 cSP의 조사가 없다는 점을 강조합니다. 더욱이 표 1 에 제공된 비철저한 검색 결과는 기존 데이터를 요약하려는 시도가 아니라 매개변수 및 통찰력 선택의 근거의 일부를 설명하기 위한 것이므로 과학적 엄격성 없이 수행되었습니다. 바라건대, 이 방법론적 논문은 연구자들이 M1 피질 척수 억제에 대한 바이오마커로서 cSP의 조사를 발전시키는 데 도움이 될 것입니다.

표 1: cSP 프로토콜에 사용되는 다양한 매개변수. 117개의 다른 기사에서 cSP 실험 데이터를 추출했습니다. 패러다임이 ≥2 실험에서 사용된 경우 결과가 보고되고, 그렇지 않으면 다른 실험에서 수집되었습니다. †표준화 방법을 보고하지 않았거나 표준화를 적용하지 않았다고 보고한 문서를 포함합니다. 약어: MVC = 최대 자발적 수축. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

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Disclosures

Abhishek Datta는 Soterix Medical Inc.의 CEO, 공동 설립자 및 CTO이며 Kamran Nazin은 같은 회사의 최고 제품 책임자입니다. Soterix Medical Inc.는 이 비디오 출판물 제작에 사용된 자료를 제공했습니다. 나머지 저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

Acknowledgments

승인이 없습니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alcohol pads Medline Preparation with 70% isopropyl alcohol
Conductive gel Weaver and Company Used on the electrode
Echo Pinch JTECH medical 0902A302 Digital dynamometer.
Mega-EMG Soterix Medical NS006201 Digital multiple channel EMG with built in software.
MEGA-TMS coil Soterix Medical NS063201 8 shaped TMS coil
Mega-TMS stimulator Soterix Medical 6990061 Single Pulse TMS
Neuro-MEP.NET Soterix Medical EMG software used to analyse the muscles eletrical activity.
Swim cap Kiefer

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