Nicht-invasive Beurteilung von Veränderungen der kortikomotoneuronalen Übertragung bei Menschen

Das übergeordnete Ziel dieses neurophysiologischen Experiments ist es, Veränderungen der Übertragung an den kortikomotoneuronalen Synapsen beim Menschen nach wiederholter transkranieller Magnetstimulation zu beurteilen. Die H-Reflex-Konditionierungstechnik kann dabei helfen, Fragen im Bereich der Neurowissenschaften zu beantworten, wie z.B. grundlegende Mechanismen und Orte der Neuroplastizität besser zu verstehen. Wir interessierten uns besonders für die Plastizität, die zwischen dem kortikospinalen Trakt und dem Motoneuron, der kortikomotoneuronalen Synapse, stattfindet.

Der Hauptvorteil dieser Technik im Vergleich zu Mess- und Verbundpotentialen besteht darin, dass es möglich ist, synaptischen Input zu messen, der durch unterschiedliche kortikospinale Verbindungen zu spinalen Motoneuronen erzeugt wird. Es gibt mindestens zwei weitere Vorteile von konditionierten H-Reflexen im Vergleich zu zusammengesetzten Potentialen. Erstens ist es möglich, Einflüsse selbst von schwachen kortikospinalen Volleys zu erkennen und zweitens ist es möglich, die Auswirkungen von kortikospinalen Volleys mit längerer Latenz zu beurteilen.

Vor dem Experiment untersuchen Sie den Probanden zunächst auf medizinische TMS-Risiken, wie z. B. epileptische Anfälle in der Vorgeschichte, holen Sie eine schriftliche und informierte Einverständniserklärung ein und informieren Sie den Probanden über den Zweck des Experiments. Bereiten Sie die Haut auf die Platzierung der Oberflächenelektrode über dem Soleus-Muskel vor, indem Sie sich rasieren, mit Propanol desinfizieren und leichten Hautabrieb auftragen. Platzieren Sie dann Oberflächenelektroden, um elektrophysiologische Reaktionen zu messen.

Überprüfen Sie die EMG-Signale auf dem Bildschirm, während der Proband eine Plantar- und Dorsalflexion durchführt. Für die H-Reflex-Konditionierung fixieren Sie zunächst mit Klebeband eine fünf mal fünf Zentimeter große Anode an der vorderen Seite des Knies, direkt unter der Patella. Wenden Sie eine Stimulation mit Rechteckimpulsen von einer Millisekunde Dauer an und bewegen Sie die Kathode auf der Kniekehle, bis die optimale Position für die Stimulation gefunden ist.

Legen Sie dann eine selbstklebende Elektrode auf die Haut und fixieren Sie sie mit Klebeband. Zeichnen Sie vor dem Experiment zunächst eine HM-Rekrutierungskurve auf. Berechnen Sie H-Reflexe und M-Wellen als Peak-to-Peak-EMG-Amplituden online in der Aufzeichnungssoftware.

Stellen Sie die Größe des H-Reflex auf 20% der maximalen M-Wave ein. Führen Sie zunächst das Kalibrierungsverfahren für das Neuronavigationssystem durch. Verwenden Sie eine Achterspule, um den motorischen kortikalen Bereich des Probanden kontralateral zu den platzierten Elektroden zu stimulieren.

Um den optimalen Stimulationspunkt zu finden, platzieren Sie die Spule zunächst einen Zentimeter vor dem Vertex. Richten Sie den Griff der Spule nach hinten, um einen posterioren nach anterioren Fluss des induzierten Stroms in der Mitte der Spule hervorzurufen. Identifizieren Sie die Position, an der motorisch evozierte Potentiale mit minimaler Stimulationsintensität evoziert werden können.

Legen Sie an dieser Stelle den Kopf des Motivs auf den Tisch und verwenden Sie Hartschaum, um Bewegungen zu verhindern. Verwenden Sie ein bildgeführtes TMS-Navigationssystem zur Überwachung der Spule und der Kopfposition während des gesamten Experiments. Befestigen Sie dann die Spule an einem Ständer und den Kopf des Probanden am Stuhl und befestigen Sie die Spule mit Velcro-Streifen am Kopf.

Bestimmen Sie als Nächstes die minimale Intensität, die erforderlich ist, um motorisch evozierte Potentiale mit Peak-to-Peak-EMG-Amplituden von mehr als 50 Mikrovolt in sechs von 10 aufeinanderfolgenden Versuchen hervorzurufen. Dies ist die motorische Ruheschwelle des Probanden. Platzieren Sie auch eine Doppelkegel-Magnetspule am zervikomdullären Übergang, um Axone des Tractus corticospinalis zu erregen.

Positionieren Sie die Spule so, dass die erste Ableitung des induzierten Stroms kranial gerichtet ist und dass ihre zentrale Position auf oder in der Nähe des Eniums liegt. Achten Sie zunächst darauf, dass die Größe des Kontroll-H-Reflex während des gesamten Experiments konstant bleibt. Wenn eine Abweichung festgestellt wird, passen Sie die Stimulationsintensität vor dem aufeinanderfolgenden Versuch an.

Stellen Sie nun die Stimulationsintensität der TMS-Spule über dem motorischen Kortex auf 90 % bis 100 % der motorischen Schwelle des Probanden ein. Stellen Sie außerdem die Intensität der zervikomdullären Stimulation auf 100 % der maximalen Stimulatorleistung ein. Beginnen Sie damit, den H-Reflex mit Stimulation über den motorischen Kortex in Ruhe zu konditionieren.

Wenden Sie TMS und periphere Nervenstimulation an, indem Sie das Timing zwischen den beiden Stimuli variieren, um Veränderungen in der kortikomotoneuronalen Übertragung beurteilen zu können. Beginnen Sie mit einem Interstimulus-Intervall von minus fünf Millisekunden, was bedeutet, dass die periphere Nervenstimulation fünf Sekunden vor der TMS illiziert wird, und ändern Sie dann dieses Intervall in Millisekundenschritten von minus fünf Millisekunden auf eine Millisekunde. Abhängig vom Interstimulus-Intervall kann der H-Reflex in Bezug auf den absteigenden Volley nach vorne verschoben werden, wo er nach rechts verschoben werden kann, so dass die langsameren kortikospinalen Bahnen getestet werden können.

Variieren Sie das Intervall nach dem Zufallsprinzip von Versuch zu Versuch, um Verzerrungen aufgrund der Reihenfolge der Stimuli zu vermeiden, und stellen Sie die Pause zwischen den Stimulationsversuchen auf vier Sekunden ein. Die frühe Moderation sollte in Abständen von minus vier bis minus zwei Millisekunden erfolgen. Konditionieren Sie als Nächstes den H-Reflex durch Magnetstimulation über dem zervikomedullären Übergang.

Verwenden Sie Interstimulus-Intervalle zwischen minus neun und minus drei Millisekunden in Schritten von einer Millisekunde. Wenden Sie diese TMS-Intervalle in jedem Versuch zusammen auf beide Stellen an und zeichnen Sie den resultierenden Kontroll-H-Reflex und die motorisch evozierten Potentiale auf. Verwenden Sie den H-Reflex als Referenz für die konditionierten H-Reflexe und das motorisch evozierte Potential der Steuerung, um vergleichbare Stimulationsbedingungen zu gewährleisten.

Sobald die Vormessung abgeschlossen ist, stellen Sie die Stimulationsintensität auf das 1,2-fache der motorischen Schwelle des Probanden ein und wenden Sie die langsame, sich wiederholende TMS-Intervention an. Stimulieren Sie über den primären motorischen Kortex bei einem Hertz für 20 Minuten, um eine lang anhaltende Unterdrückung der kortikospinalen Erregbarkeit zu induzieren. Hier ist eine H-Reflex-Konditionierungskurve nach M1-Konditionierung dargestellt, während hier die H-Reflex-Konditionierungskurve nach CMS-Konditionierung dargestellt ist.

Die frühe Fazilitation mit TMS über den primären motorischen Kortex erfolgt um Interstimulus-Intervalle von minus drei Millisekunden. Es ist zu beachten, dass die frühe Erleichterung nach der CMS-Konditionierung etwa drei bis vier Millisekunden früher bei einem Interstimulus-Intervall von etwa minus sieben Millisekunden erfolgt. Hier werden die Mittelwerte von 10 Traces für ein repräsentatives Subjekt vor und nach der rTMS-Intervention angezeigt.

Es ist zu erkennen, dass die konditionierten H-Reflexe, die die frühe Fazilitation repräsentieren, sowohl nach M1- als auch nach CMS-Konditionierung reduziert sind. Die H-Reflexe der Steuerung bleiben hingegen unverändert. Und hier wird der Mittelwert von zwei Probanden angezeigt, der die gleiche Musterreduktion sowohl in M1- als auch in CMS-konditionierten H-Reflexen zeigt, ohne dass sich der Kontroll-H-Reflex ändert.

Einmal gemeistert, kann dieses Protokoll in etwa 90 bis 120 Minuten durchgeführt werden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, die Größe des H-Reflexes konstant zu halten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Konditionierungsreize auf den primären motorischen Kortex und den zervikomdullären Übergang anwenden.

Dies wird verwendet, um die frühe Fazilitation zu erkennen, die einen synaptischen Input für spinale Motoneuronen darstellt, der durch die schnellsten kortikospinalen Verbindungen vermittelt wird.