הערכה לא פולשנית של שינויים בתמסורת קורטיקומוטונורונאלית בבני אדם
24 במאי 2017
מטרת המחקר הנוכחי הייתה להעריך את השינויים בתמסורת בסינפסות הקורטיקומוטונורונאליות בבני אדם לאחר גירוי מגנטי גולגולתי חוזר ונשנה. לשם כך, שיטה אלקטרונית הוא הציג המאפשר הערכה של המסלול ספציפי העברת corticospinal, כלומר בידול של מסלולים קורטיקוספינליים מהיר, ישיר מן החיבורים polysynaptic.
המטרה הכוללת של ניסוי נוירופיזיולוגי זה היא להעריך שינויים בהעברה בסינפסות הקורטיקו-מוטו-נוירונליות בבני אדם לאחר גירוי מגנטי טרנסקרניאלי (TMS) חוזר. טכניקת ההתניה של רפלקס H יכולה לסייע במתן מענה לשאלות בתחום מדעי המוח, כגון הבנה טובה יותר של מנגנונים בסיסיים ואתרים של נוירופלסטיות. התעניינו במיוחד בפלסטיות המתרחשת בין המסלול הקורטיקוספינלי לבין הנוירון המוטורי, כלומר בסינפסה הקורטיקו-מוטו-נוירונלית.
היתרון המרכזי של טכניקה זו, בהשוואה למדידת פוטנציאלים מורכבים, הוא האפשרות למדוד קלט סינפטי הנוצר מקשרים קורטיקו-ספינליים מובחנים לנוירונים מוטוריים ספינליים. קיימים לפחות שני יתרונות נוספים לרפלקסים H מותנים בהשוואה לפוטנציאלים מורכבים. ראשית, ניתן לזהות השפעות של פולסים קורטיקו-ספינליים חלשים אף, ושנית, ניתן להעריך השפעות של פולסים קורטיקו-ספינליים בעלי השהיה ארוכה יותר.
לפני הניסוי, בצעו תחילה סינון של הנבדק לגבי סיכונים רפואיים הקשורים ל-TMS, כגון היסטוריה של התקפי אפילפסיה, השגיחו הסכמה מדעת ובכתב, והסבירו לנבדק את מטרת הניסוי. הכינו את העור להצבת אלקטרודות שטח מעל שריר ה-soleus על ידי גילוח, חיטוי באמצעות פרופנול וביצוע שפשוף קל של העור. לאחר מכן, מקמו אלקטרודות שטח למדידת תגובות אלקטרופיזיולוגיות.
בדקו את אותות ה-EMG על המסך, בזמן שהנבדק מבצע כפיפה פלנטרית ודורסלית. לצורך התניית H-Reflex, השתמשו תחילה בסרט הדבקה כדי לקבע אנודה בגודל חמישה על חמישה סנטימטרים בחלק הקדמי של הברך, ממש מתחת לפיקה. החילו גרייה באמצעות פולסי גל ריבועי באורך מילישנייה אחת, והזיזו את הקתודה באזור הגומחה הפופליטלית, עד למציאת המיקום האופטימלי לגרייה.
לאחר מכן, הנח אלקטרודה בעלת דבק עצמי על העור וקבע אותה במקומה באמצעות סרט הדבקה. לפני הניסוי, הקלט תחילה עקומת גיוס HM. חשב את ה-H-Reflexes וה-M-Waves כאמפליטודות EMG משיא לשיא באופן מקוון בתוכנת ההקלטה.
כוון את גודל ה-H-Reflex ל-20% מה-M-Wave המקסימלי. ראשית, בצע את הליך הכיול עבור מערכת הניווט העצבית. השתמש בסליל בצורת שמינית כדי לגרות את האזור הקורטיקלי המוטורי של הנבדק, בצד הנגדי לאלקטרודות שהוצבו.
כדי למצוא את נקודת הגירוי האופטימלית, מקמו תחילה את הסליל סנטימטר אחד לפני ה-vertex. הפנו את ידית הסליל לאחור כדי לעורר זרם מושרה שזורם מאחור לפנים במרכז הסליל. זהו את המיקום שבו ניתן לעורר פוטנציאלים מוטוריים עם עצימות הגירוי המינימלית.
בשלב זה, הנח את ראשו של הנבדק על השולחן והשתמש בספוג קשיח למניעת תנועה. השתמש במערכת ניווט TMS מונחית-תמונה עבור סליל הניטור ומיקום הראש לאורך כל הניסוי. לאחר מכן, קבע את הסליל למעמד ואת ראשו של הנבדק לכיסא, וקבע את הסליל לראש באמצעות רצועות סקוטץ' (Velcro).
בשלב הבא, קבעו את העוצמה המינימלית הדרושה לעירור פוטנציאלים מוטוריים מעוררים (MEPs) עם אמפליטודות EMG משיא לשיא הגדולות מ-50 micro-volts בשישה מתוך 10 ניסיונות רצופים. זהו סף המוטורי במצב מנוחה של הנבדק. כמו כן, מקמו סליל מגנטי כפול-קונוס בצומת הצווארית-בסולית (cervicomedullary junction) כדי לעורר את האקסונים של המסלול הקורטיקו-ספינלי.
מקם את הסליל כך שהנגזרת הראשונה של הזרם המושרה תהיה מכוונת לכיוון הקראניאלי ומיקומו המרכזי יהיה על או בקרבת ה-enium. לתחילת הדברים, הקפד ראשית לוודא שגודל ה-H-Reflex הבקרה נשאר קבוע לאורך כל הניסוי. אם מזוהה סטייה, התאם את עוצמת הגירוי לפני הניסוי הבא.
כעת, התאימו את עוצמת הגירוי של סליל ה-TMS מעל קליפת המוח המוטורית לטווח שבין 90% ל-100% מסף המוטורי של הנבדק. כמו כן, הגדירו את עוצמת הגירוי הצווארי-נחולית ל-100% מהפלט המקסימלי של הגירוי. התחילו בהתניית ה-H-Reflex באמצעות גירוי מעל קליפת המוח המוטורית במצב מנוחה.
בצע TMS וגירוי של עצב פריפריאלי תוך שינוי התזמון בין שני הגירויים כדי לאפשר הערכה של שינויים בהולכה קורטיקו-מוטו-נוירונלית (Corticomotoneuronal transmission). התחל במרווח בין-גירויי (interstimulus interval) של מינוס 5 ms, כלומר גירוי של העצב הפריפריאלי שמתבצע חמישה מילישניות לפני ה-TMS, ולאחר מכן שנה מרווח זה בצעדים של מילישניות ממינוס 5 ms ועד 1 ms. בהתאם למרווח בין-הגירויים, ניתן להסיט את רפלקס H קדימה ביחס לפעימה היורדת (descending volley), כך שניתן להסיטו ימינה כדי לבחון את המסלולים הקורטיקוספינליים האיטיים יותר.
שנו את המרווח באופן אקראי מניסוי לניסוי, כדי למנוע הטיות הנובעות מסדר הגירויים, וקבעו את ההפסקה בין ניסויי הגירוי לארבע שניות. פסיליטציה מוקדמת צפויה להתרחש במרווחים של מינוס 4 עד מינוס 2 milliseconds. לאחר מכן, בצעו התנייה של ה-H-Reflex באמצעות גרייה מגנטית מעל ה-cervicomedullary junction.
השתמשו במרווחי זמן בין גירויים (interstimulus intervals) שבין תשעה למינוס שלוש מילישניות, בצעדים של מילישנייה אחת. החילו מרווחי TMS אלו על שני המיקומים יחד בכל ניסוי, והקליטו את ה-H-Reflex ואת הפוטנציאלים המוטוריים העירתיים (motor-evoked potentials) של הביקורת שנוצרו. השתמשו ב-H-Reflex של הביקורת כנקודת ייחוס עבור ה-H-Reflexes המותנים, ובפוטנציאל המוטורי העירתי של הביקורת כדי להבטיח תנאי גירוי ברי השוואה.
מרגע השלמת המדידה המקדימה, הגדירו את עוצמת הגירוי ל-1.2 מהסף המוטורי של הנבדק והפעילו את התערבות ה-TMS החזרתי האיטי. גרייו את קליפת המוח המוטורית הראשונית בתדר של 1 Hz למשך 20 דקות כדי להשריך דיכוי ארוך טווח של העירור הקורטיקו-ספינלי. עקומת התניה של H-Reflex לאחר התניית M1 מוצגת כאן, בעוד שעקומת התניה של H-Reflex לאחר התניית CMS מוצגת כאן.
הקללה מוקדמת באמצעות TMS על קליפת המוח המוטורית הראשונית מתרחשת סביב מרווחי זמן בין גירויים של מינוס 3 ms. שימו לב כי ההקללה המוקדמת לאחר התניה ב-CMS מתרחשת כ-3 עד 4 ms מוקדם יותר, במרווח זמן בין גירויים של כמינוס 7 ms. כאן מוצגים הממוצעים של 10 רישומים עבור נבדק מייצג אחד לפני ואחרי התערבות ה-rTMS.
ניתן לראות כי רפלקסי H המותנים, המייצגים את ההקלות המוקדמת, פחתו הן לאחר התניה של M1 והן לאחר התניה של CMS. לעומת זאת, רפלקסי H של קבוצת הביקורת נותרו ללא שינוי. כאן מוצג הממוצע של שני נבדקים, המראה את אותה תבנית של הפחתה ברפלקסי H המותנים ב-M1 וב-CMS, ללא כל שינוי ברפלקס H של הביקורת.
לאחר השליטה בפרוטוקול, ניתן לבצעו בערך ב-90 עד 120 דקות. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לשמור על גודל ה-H-Reflex קבוע. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי אופן יישום גירויי התניה מעל קליפת המוח המוטורית הראשונית ומעל המפגש הצווארי-בסיס המוח (cervicomedullary junction).
זה משמש לזיהוי ההקליה המוקדמת, המייצגת קלט סינפטי לנוירונים מוטוריים בעמוד השדרה המתווך על ידי החיבורים הקורטיקו-ספינליים המהירים ביותר.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן שינויים בהולכה בסינפסות קורטיקו-מוטו-נוירונליות בבני אדם בעקבות גרייה מגנטית חוזרת של המוח (rTMS). מוצגת שיטה אלקטרופיזיולוגית להבחנה בין מסלולים קורטיקו-ספינליים מהירים וישירים לבין קשרים פוליסינפטיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- אלקטרופיזיולוגיה
- נוירופלסטיות
רקע
- סינפסות קורטיקו-מוטו-נורונליות ממלאות תפקיד מכריע בבקרה מוטורית.
- גירוי מגנטי חוזר חוצא-גולגולתי משמש לחקר נוירופלסטיות.
- טכניקת התניה של רפלקס H מספקת תובנות לגבי העברה סינפטית.
- הבנת מנגנונים אלו עשויה להעשיר את הידע על תפקוד נוירונים מוטוריים.
מטרת המחקר
- להערכת שינויים בהעברה סינפטית לאחר rTMS.
- להבחנה בין מסלולים קורטיקוספינליים ישירים לעקיפים.
- לבחינת הפלסטיות בסינפסה קורטיקו-מוטונוירונלית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הערכה אלקטרופיזיולוגית של ההולכה הקורטיקו-ספינלית.
- טכניקת התנייה של רפלקס H להערכת קלט סינפטי.
- השוואה בין מסלולים ישירים ומהירים לבין קשרים פוליסינפטיים.
- ניתוח השפעות של פריקים (volleys) קורטיקו-ספינליים.
תוצאות עיקריות
- זיהוי של קשרים קורטיקו-ספינליים מובחנים לנוירונים מוטוריים בעמוד השדרה.
- גילוי של פריקות קורטיקו-ספינליות חלשות.
- הערכה של פריקות קורטיקו-ספינליות בעלות זמן השהיה ארוך יותר.
- תובנות לגבי מנגנוני הנוירופלסטיות בסינפסה.
מסקנות
- המחקר משפר את ההבנה של התמסורת הסינפטית קורטיקו-מוטונוירונלית.
- הממצאים תורמים לידע על מנגנוני נוירופלסטיות.
- שיטות אלקטרופיזיולוגיות יכולות להבחין ביעילות בין מסלולים סינפטיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הבנת התמסורת הסינפטית ברמה הקורטיקו-מוטוניורונלית מספקת תובנה מכניסטית לגבי מנגנוני נוירופלסטיות הרלוונטיים לאישור מטרות בתהליך גילוי תרופות למערכת העצבים המרכזית (CNS). טכניקת התניה של רפלקס H מאפשרת הבחנה בין מסלולים קורטיקו-ספינליים מהירים למסלולים פוליסינפטים, ובכך תומכת בהפחתת סיכונים של היפותזות טיפוליות הכוללות מודולציה של מעגלים מוטוריים. גישה זו מציעה גשר תרגומי בין מודלים פרה-קליניים לפיזיולוגיה אנושית, ובכך מגבירה את הביטחון החזוי במעורבות המטרה ובמודולציה של המסלול.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות על ידי הערכת קלט סינפטי מקשרים קורטיקוספינליים מובחנים לנוירונים מוטוריים בעמוד השדרה.
- ערך תפעולי: מזהה השפעות של פריחה (volleys) קורטיקוספינלית חלשה ומעריך מסלולים בעלי השהיה ארוכה יותר, ובכך מגביר את הרגישות להשפעות נוירופארמקולוגיות עדינות.
- ערך תרגומי: מבדיל בין השפעות קורטיקליות להשפעות ספינליות באמצעות גירוי בשני אתרים (קורטקס מוטורי וחיבור צווארי-מדולרי), ובכך תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית של מטרות במערכת העצבים המרכזית (CNS).
סריקה ופיתוח בדיקה
- מוכנות הבדיקה: מספקת תוצאים אלקטרופיזיולוגיים כמותיים (עקומות התניה של H-reflex) שהם יציבים וניתנים לשחזור לאורך ניסויים, כאשר גודל ה-H-reflex בקו הבסיס נשמר.
- יישום לסריקה: מאפשרת הערכה מהימנה של שינויים בהולכה קורטיקו-ספינלית בעקבות התערבויות כגון גרייה מגנטית טרנסקרניאלית חוזרת, אימון התנהגותי או מודולציה פרמקולוגית.
- תועלת הפלטפורמה: תומכת בהערכה של מנגנוני פלסטיות עצבית במערכות רלוונטיות למחלות, כולל מודלים של ליקוי תנועתי, הזדקנות או שיקום עצבי.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלות: רלוונטי לחקר שינויים בהעברה קורטיקו-ספינלית בפתולוגיה, בהזדקנות, או לאחר התערבויות טיפוליות, ובכך תומך בתיקוף מטרות המותאמות לסמנים ביולוגיים.
- המשכיות פרה-קלינית: מגשר בין אלקטרופיזיולוגיה פולשנית בבעלי חיים להערכה לא פולשנית בבני אדם, ובכך משפר את הניבוי התרגומי של תרכובות הפעילות במערכת העצבים המרכזית (CNS).
- קידום מותאם סיכונים: תומך בהחלטות מסוג go/no-go על ידי כימות שינויים בהעברה סינפטית בסינפסה הקורטיקו-מוטו-נורונלית, המהווה אתר מפתח לוויסות מעגלים מוטוריים.
שילוב נתיבי עבודה וזרימת עבודה
השיטה משתלבת ברצף הגילוי החל מתיקוף המטרה ועד לתיקוף פרה-קליני, ובמיוחד עבור תוכניות CNS המתמקדות בבקרה מוטורית, בנוירו-פלסטיות או במנגנוני שיקום עצבי.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת היפותזות באמצעות מדידה של קלט סינפטי ממסלולים קורטיקו-ספינליים מונוסינפטיים ופוליסינפטיים, ובכך מבהירה את מנגנון הפעולה של מטרות נוירומודולטוריות.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים המוכנים לבדיקה (אמפליטודות של H-reflex מותנה) המאפשרים השוואה של השפעות התערבות לאורך נקודות זמן או בין קבוצות טיפול.
- אנליטיקה: מייצרת מדידות אלקטרופיזיולוגיות (עקומות התניה של H-reflex, אמפליטודות שיא-לשיא) המאפשרות השוואה סטטיסטית של תמסורת סינפטית תחת תנאי גרייה שונים.
- מחקר תרגומי: מקשר לעבודות פרה-קליניות באמצעות הערכת תמסורת בסינפסה הקורטיקו-מוטונוירונלית, אתר שמור של ויסות נוירונים מוטוריים הרלוונטי עבור מינים שונים.
- שימוש חוזר בארגון: מייצגת יכולת אלקטרופיזיולוגית סטנדרטית ולא פולשנית, הישימה עבור פרויקטים מרובים של גילוי במערכת העצבים המרכזית (CNS) העוסקים במודולציה של מסלולים מוטוריים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מספק ביטחון חיזוי בתיקוף המטרה על ידי בידוד שינויים בהעברה סינפטית בסינפסה הקורטיקו-מוטונוירונלית, ובכך מפחית עמימות מכניסטית במודולציה של מעגלים מוטוריים.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ושחזור באמצעות בקרת גודל קבועה של ה-H-reflex ופרוטוקול גירוי דו-אתרי, המאפשר השוואה בין מחקרים שונים.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי מתן אפשרות לזיהוי מוקדם של מעורבות המטרה במעגלים עצביים הרלוונטיים לבני אדם, ובכך מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים של פיתוח תרופות למערכת העצבים המרכזית (CNS).
- השפעה על הפורטפוליו: מסייע בתיעדוף מותאם סיכונים על ידי כימות השפעות של נוירופלסטיות באתרים סינפטיים מוגדרים, ובכך תומך בהחלטות קידום מבוססות ביומארקרים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בנוירופיזיולוגיה, סינון בטיחות עבור TMS, ורכישה וניתוח של אותות אלקטרומיוגרפיים.
- תלוי במיכשור מיוחד הכולל מערכות TMS מנווטות, ממרי Nerve stimulators פריפריים, ומערכי הקלטת EMG ברזולוציה גבוהה.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין צוותי נוירולוגיה, אלקטרופיזיולוגיה ופרמקולוגיה לצורך ביצוע עקבי של הפרוטוקול ופירוש הנתונים.
- כולל שיקולי התאמה בעת היישום על קבוצות שרירים שונות או אוכלוסיות מטופלים עם עירור קורטיקוספינאלי בסיסי משתנה.
- מגבלות מעשיות כוללות את הצורך בבקרת H-reflex בסיסית יציבה ורגישות למצב הנבדק (למשל, קשב, עייפות) העלולים להשפיע על השחזור.
