Mit Hilfe Transkranielle Magnetstimulation auf die menschliche neuromuskuläre System zu studieren

Das allgemeine Ziel dieses Verfahrens besteht darin, transkranielle Magnetstimulation durchzuführen, um motorisch evozierte Potentiale hervorzurufen – zunächst im Musculus flexor carpi radialis und anschließend in den Rückenstreckmuskeln. Dies wird erreicht, indem zunächst die Haut über den jeweiligen Muskeln für elektromyographische Ableitungen vorbereitet und der Proband biomechanisch für die transkranielle Magnetstimulation positioniert wird.

Der Hotspot wird als der Bereich der Stimulationsstelle über dem motorischen Kortex definiert, der die größten motorisch evozierten Potentiale hervorruft. Im nächsten Schritt wird die motorische Schwelle bestimmt. Dazu wird eine Einzelimpuls-transkranielle Magnetstimulation durchgeführt, um die Amplitude der motorisch evozierten Potentiale und die Dauer der stillen Periode zu quantifizieren.

Die gepaarte Puls-Transkranielle Magnetstimulation wird ebenfalls durchgeführt, um die intrakortikale Facilitation sowie die kurz- und langintervallige intrakortikale Hemmung zu quantifizieren. Letztendlich können in vivo-Indizes der kortikospinalen und kortikokortikalen Erregbarkeit beim Menschen durch die kombinierte Anwendung der transkraniellen Magnetstimulation und der Elektromyographie bewertet werden. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, häufig Schwierigkeiten, da es schwierig sein kann, die subtilen technischen Aspekte der TMS allein aus einer schriftlichen Beschreibung abzuleiten und zu verstehen, und der bloße Versuch, durch Ausprobieren und Fehlerkorrektur zu lernen, stellt beim Experimentieren mit und Testen von menschlichen Probanden viele Schwierigkeiten und Herausforderungen dar, die die Durchführung der Verfahren erschweren.

Neben mir wird David Gus Jr. anwesend sein, ein Forscher am Ohio Musculoskeletal and Neurological Institute. Vor Beginn des TMS-Experiments muss zunächst der Proband gemäß den vom Institute for Magnetic Resonance Safety Education and Research festgelegten Screening-Richtlinien untersucht werden; Personen mit familiärer Anfallsanamnese oder Epilepsie sind auszuschließen. Anschließend werden Oberflächenelektroden in bipolarer Anordnung über den FCR-Muskeln des Probanden am Unterarm platziert.

Die Elektroden sollten längs über dem unrasierten Muskel und einer geflochtenen Haut sitzen. Bringen Sie außerdem eine ROC-Kappe an, um die Stimulationsstellen am Kopf zu markieren. Lassen Sie nun den Probanden sitzen, wobei der linke Arm in einer ausgestreckten Position in einem Biodex-System-Vier-Kraftmessgerät ruht.

In diesem Protokoll stimulieren wir die rechte Seite des Gehirns, die den linken Arm steuert, um die Mm. flexores carpi radialis (FCR) zu stimulieren. Dazu platzieren wir eine 70 Millimeter große Figure-eight-TMS-Spule tangential zur Kopfhaut und in einem Winkel von 45 Grad zur Mittellinie, sodass der induzierte Strom in lateroposteriorer zu mediale anteriorer Richtung verläuft. Anschließend bewegen wir die TMS-Spule subtil in sehr kleinen Inkrementen, um die Stimulationsstelle zu ermitteln, die das größte motorisch evozierte Potential im FCR-Muskel hervorruft. Sobald diese Stelle lokalisiert ist, markieren wir sie mit nicht auswaschbarer Tinte entweder auf der Kopfhaut oder einer entsprechenden Kappe.

Bestimmen Sie nun die motorische Schwelle für den M. flexor carpi radialis (FCR), indem Sie einzelne Pulse mit schrittweise steigenden Reizintensitäten applizieren, bis die motorisch evozierten Potentiale in mehr als 50 % der Versuche Spitzen-zu-Spitzen-Amplituden von über 50 Mikrovolt erreichen. Um die Amplitude des motorisch evozierten Potentials des FCR zu untersuchen, geben Sie einen einzelnen TMS-Puls mit einer Intensität von 130 % der motorischen Schwelle auf den zuvor bestimmten Hotspot ab und berechnen Sie die Spitzen-zu-Spitzen-Amplitude. Dieses Ergebnis kann auf das maximale zusammengesetzte Aktionspotential der Muskelfasern normiert werden, das nach supramaximaler elektrischer Stimulation des Nervus medianus beobachtet wird.

Wenn während einer Muskelkontraktion ein CMS-Reiz des Kortex appliziert wird, erzeugt dies ein motorisch evoziertes Potential, dem eine elektrische Ruhephase vorangeht, bevor die Aktivität wieder einsetzt. Dies ist ein Hinweis auf kortikokortikospinale Hemmung. Dies wird üblicherweise als stille Periode bezeichnet.

Um die corticospinale stille Periode des m. flexor carpi radialis (FCR) zu quantifizieren, geben Sie einen einzelnen TMS-Reiz auf den Hotspot mit einer Intensität von 130 % der motorischen Schwelle ab, während der Studienteilnehmer eine Handgelenkbeugung mit 15 % der maximalen Kraft ausführt. Um die intrakortikale Facilitation mittels gepaarter Pulse bei der FCR-Muskulatur zu bestimmen, ermitteln Sie zunächst die Reizintensität, die ein motorisch evoziertes Potential von 0,5 bis 1 Millivolt hervorruft. Anschließend geben Sie einen unterhalb der Schwelle liegenden konditionierenden Reiz mit 70 % der motorischen Schwelle 15 Millisekunden vor einem über der Schwelle liegenden Testreiz ab; ein zu diesem Zeitpunkt vor dem Testreiz applizierter konditionierender Reiz verstärkt oder facilitiert die Amplitude des motorisch evozierten Potentials stärker als ein einzelner, ungepaarter Reiz derselben Intensität.

Verwenden Sie anschließend die gepaarte Pulsmagnetstimulation (TMS), um die kurzzeitige intrakortikale Hemmung mit dem gleichen Verfahren zu quantifizieren, das bereits zur Messung der intrakortikalen Facilitation beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass das Intervall zwischen den beiden Reizen auf drei Millisekunden verkürzt werden sollte. Der konditionierende Reiz, der zu diesem Zeitpunkt vor dem Testreiz appliziert wird, verringert oder hemmt die Amplitude des motorisch evozierten Potentials stärker als ein einzelner unkonditionierter Reiz gleicher Intensität. Um die langzeitige intrakortikale Hemmung mittels gepaarter Pulsmagnetstimulation (TMS) zu quantifizieren, geben Sie zwei identische suprathresholde Testreize ab, die durch ein Intervall von 100 Millisekunden getrennt sind.

Hier wird für den M. flexor digitorum profundus das motorisch evozierte Potential, das mit dem zweiten Reizimpuls assoziiert ist, geringer ausfallen oder stärker gehemmt sein als das, welches mit dem ersten Reizimpuls verbunden ist. Als Nächstes: Für die Stimulation des M. erector spinae lassen Sie die Probanden auf einem drehbaren Stuhl sitzen, wobei der Oberschenkel in einem Winkel von 90 Grad relativ zum Rumpf und das Unterschenkelbein in einem Winkel von etwa 45 Grad relativ zum Oberschenkel positioniert ist, die Lendenwirbelsäule sich in einer neutralen, aufrechten Haltung befindet und die Hände im Schoß ruhen. Verwenden Sie für den M. erector spinae eine Elektrodenanordnung, die längs über dem Muskel auf Höhe der L3-L5-Wirbelabschnitte auf rasiertem und entfettetem Hautareal platziert wird, um bequem die kortikale Stelle für die Stimulation des M. erector spinae zu lokalisieren.

Hier verwenden wir anthropometrische Messungen, um den Schädelpunkt zu identifizieren, den Schnittpunkt des Schädels in der Sagittalebene zwischen Nasion und Ian sowie in der Koronalebene zwischen Trauss zu finden und diesen als Stimulationspunkt für den Musculus erector spinae zu markieren. Es wird eine Doppelkonus-Spule verwendet, die eine größere Eindringtiefe aufweist und somit die Repräsentation dieser tiefer im Homunculus liegenden Muskeln erreichen kann. Die Spule wird hier so positioniert, dass der Strom in anteroposteriorer Richtung fließt.

Die Spule ist hier speziell modifiziert und verfügt über ein Lasersystem zur Befestigung, das uns bei der anschließenden Neupositionierung der Doppelkonus-Spule zur Bestimmung der motorischen Schwelle für die Rückenstreckermuskulatur unterstützt. Die zuvor demonstrierte Methode für die obere Extremität sollte nicht angewendet werden, da die Stimulation der Rückenmuskulatur schlecht vertragen wird. Beginnen Sie stattdessen das TMS-Protokoll mit einem einzelnen Impuls bei 50 % der maximalen Stimulatorleistung, um festzustellen, ob diese Stimulationsintensität oberhalb oder unterhalb der motorischen Schwelle liegt.

Um die Amplitude des motorisch evozierten Potentials der Rückenstrecker zu untersuchen, wird ein einzelner TMS-Reiz am Scheitelpunkt mit einer Intensität von 40 oder 50 % über der unteren motorischen Schwellenintensität appliziert. Diese motorisch evozierten Potentiale können nicht normalisiert werden, da die peripheren Nerven, die die ES-Muskulatur innervieren, für eine elektrische Stimulation nicht zugänglich sind. Es ist zu beachten, dass bei der Stimulation der ES-Muskulatur gleichzeitig auch sichtbar und deutlich mehrere andere Muskelgruppen stimuliert werden, darunter die Muskulatur der unteren Extremität, die innerhalb derselben allgemeinen Region der Homunkulus-Darstellung repräsentiert ist.

Um mit der gepaarten Puls-TMS die intrakortikale Facilitation für die Muskelgruppe des Rückenstreckers zu bestimmen, sollte die Intensität des konditionierenden Reizes auf die beobachtete untere motorische Schwelle eingestellt werden, also entweder 40 % oder 50 % der Stimulatorausgabe. Die Intensität des Testreizes sollte 40 % über der unteren motorischen Schwelle liegen, also 80 % oder 90 % der Stimulatorausgabe betragen. Um anschließend die kurzzeitige intrakortikale Hemmung zu quantifizieren, verwenden Sie das gleiche Vorgehen wie bei der Messung der intrakortikalen Facilitation, mit der Ausnahme, dass das Interstimulusintervall zwischen den beiden Reizen auf drei Millisekunden verkürzt werden sollte. Sobald das Experiment abgeschlossen ist, helfen Sie bei der Entfernung der Elektroden und der Kappe und vergewissern Sie sich, dass Sie Ihren Probanden für die Teilnahme danken.

Die hier sichtbaren EMG-Spuren stellen die motorisch evozierte Potentialantwort auf schrittweise zunehmende Reizstärken dar, angegeben als Prozentsatz der Stimulatorausgabe oder so. Beachten Sie, dass bei niedrigeren Intensitäten sehr kleine MEPs ausgelöst wurden, jedoch bei 32 %so ein MEP ausgelöst wurde, das die motorische Schwelle erreichte. Die stille Periode wird beobachtet, wenn ein Proband eine leichte Kontraktion durchführt und ein einzelner Reiz auf die motorische Rinde appliziert wird.

Der erste Teil der stummen Periode beruht auf einer Hemmung des Rückenmarks, der spätere Teil auf einer kortikalen Hemmung, insbesondere über GABA-B-Rezeptoren. Hier sehen wir die Veränderung der Größen motorisch evozierter Potentiale bei der gepaarten Impuls-TMS der FCR-Messung der kurzintervalligen intrakortikalen Hemmung oder SICI und der intrakortikalen Facilitation oder ICF. Und hier sehen wir ein Beispiel von EMG-Spuren aus den M. erector spinae sowie die Messung der kurzintervalligen intrakortikalen Hemmung und der intrakortikalen Facilitation.

Schließlich sehen wir hier ein Beispiel für die Messung der langen intrakortikalen Hemmung (LICI). Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Einzel- und Doppelpuls-TMS am Musculus flexor carpi radialis sowie an der Rückenstreckermuskulatur durchgeführt wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Demonstrationen in diesen Muskelgruppen lediglich ausgewählte Beispiele dafür darstellen, wie TMS zur Untersuchung des menschlichen neuromuskulären Systems eingesetzt wird.

Es darf nicht vergessen werden, dass die Arbeit mit menschlichen Probanden die Gesundheit einzelner Personen gefährden kann. Es ist wichtig sicherzustellen, dass es sicher ist, eine Person einem starken Magnetfeld auszusetzen, und es sollte stets Vorsicht walten, wenn dieses Verfahren durchgeführt wird.