人間の神経筋システムを研究するために経頭蓋磁気刺激の活用

サマリー

経頭蓋磁気刺激（TMS）は、ヒトの神経系の生理学と機能に洞察力を得るために非侵襲的なツールです。ここでは、上肢と腰部の筋肉組織の皮質興奮性を研究するために私たちのTMSのテクニックを紹介。

要約

経頭蓋磁気刺激（TMS）は20年以上¹のために使用されていて、過去10年間で人気が急激に成長している。 TMSの使用はこの期間中に多くのシステムやプロセスの研究に拡大しているが、元のアプリケーションと、おそらくTMSの最も一般的な用途の一つは、人間の神経系の生理学、可塑性と機能を研究することを含んでいます。運動皮質に適用される単一パルスのTMSは、錐体ニューロン経シナプス的に^2（図1）とヒトの³の皮質脊髄路の完全性と興奮性を研究し、評価するために使用できる測定可能な筋電図反応の結果を興奮させる。また、磁気刺激の最近の進歩は、現在^4,5皮質対脊髄興奮性のパーティショニングが可能になります。例えば、ペアパルスTMSは、条件を組み合わせることにより、皮質内facilitatoryと阻害特性を評価するために使用することができます。異なるinterstimulus間隔^3,4,6-8でINGの刺激とテスト刺激。このビデオの記事では、これらの技術の方法論と技術的側面を紹介します。橈側手根屈筋（FCR）の筋肉だけでなく、脊柱起立筋（ES）の筋肉組織に適用されるよう具体的には、単一パルスとペアパルスのTMSのテクニックのデモンストレーションを行います。それが減らされた筋肉のパフォーマンス^6,9で手首手のギプス固定の影響に関する研究に興味がある、そしてそれは腰痛に関連する我々はこれらの筋肉のためにESの筋肉の臨床的意義を研究するように当研究室では、FCRの筋肉を研究^8。これは記載して、我々は、TMSが手、腕と脚の多くの筋肉を研究するために使用されていることに注意してください、とFCRとESの筋肉群における私たちのデモが唯一の人間の神経筋を研究するために使用されているTMSの例を選択されていることを反復してくださいシステム。

プロトコル

1。 FCRとES筋肉のシングルとペア、パルスTMS

1. 基本的な安全上のご注意：以前は、人間の被験者で行うTMSには、磁界への曝露に関連するとして、最初に基本的な安全上の注意のためにそれらをスクリーニングする必要があります。私たちのラボでは、磁気共鳴の安全、教育研究¹⁰の研究所が定めたスクリーニングのガイドラインに従ってください。私たちのラボではまた、日常的にてんかんの発作の家族歴を持つ個人を除外する。我々はまた、ESの筋肉のTMSを受けている被験者は耳栓と少ない焦点と強い刺激の強度によるマウスガードを着用する必要があります。
2. 電気録音：それは、骨格筋から筋電図（EMG）信号を記録するために必要なモータシステムでTMSの応答を調べるために。 FCRの筋肉のために我々はtにわたって長手方向に位置するバイポーラ電極配置を用いて前腕の表面電極を配置我々は以前に^{7,11も述べた}よう^に剃毛し、有傷皮膚での彼は筋肉。脊柱の起立筋のために我々は、剃毛し、有傷皮膚⁸のL3 - L5椎体レベルで筋肉を介して縦方向に位置する同様の電極配置を使用してください。
3. TMSコイルの向き：主にそれが適切に¹² TMSコイルを配置するために必要な経シナプス的に皮質ニューロンを有効にするには。 FCRの筋肉のために我々は、正中線に頭皮と45度〜70 mmの8の字TMSコイルは、接線方向に置きますので、その内側、前方方向への横後方に誘導電流が流れる。 ESの筋肉のために我々はより浸透の深さを持ち、ホムンクルスに深くているこれらの筋肉の表現のために必要とされるダブルコーンコイルを使用してください。ここで、コイルはそのような前後方向の前方に電流が流れるように配置される。我々は、sで私たちを支援するためにレーザーの添付ファイルシステムと当社のコイルをカスタム変更したダブルコーンコイルのubsequent再ポジショニング。
4. "ホットスポット"を識別する ：これは、潜在的な誘発最大のモーターを誘発する刺激の位置を決定する必要があります。 FCRの筋肉のために我々は、微妙に少しずつで周りTMSコイルを移動し、我々は最大のモーターは、潜在的な振幅を誘発観察場所を決定することによって行います。一度に位置する我々は、頭皮やライクラキャップのどちらかに消えないインクでは、このエリアに注意してください。 ESの筋肉のTMSは、上肢の筋肉のTMSより被験者にかなり不快です。したがって、我々はそれの忍容性と実現可能性を高めるためにESの筋肉のための合理化私たちのTMSのプロトコルを持っている。ここで、代わりに"ホットスポット"を見つけると我々は、頭蓋骨の頂点を識別するための身体計測値を使用してください。具体的には、矢状の頭蓋骨（nasinonとイニオン間）とコロナ（耳珠間）平面の交点として頂点を識別します。
5. 生体力学的ポジショニング： 当研究室では強い>我々はFCRの筋肉の被​​験者のTMSを実行BioDexシステム4ダイナモメータ（図2）の拡張位置で休んで腕に取り付けられている。しかしながら、このようなことが加わる力を測定するための一つの可能​​なセットアップの唯一の例であることに注意してください。 ESの筋肉のために被験者は、彼らのラップで自分の手の残りの部分（図3）しながら直立姿勢で座ってするように求められます。彼らは90腿回転台の椅子°トランクからの相対、大腿部の相対〜45時下肢°、およびニュートラルposture8で腰椎に装着されています。
6. モーターのしきい値の定量化 ：モーター誘発電位の臨床試験の50％以上で50マイクロボルト（図4）よりも大きいピークトゥピークの振幅を持つまではFCRには、我々は徐々に増加させる刺激の強度で、単一のパルスを供給することにより、モータのしきい値（MT）を決定する。 TMSのプロトコルを効率化し、忍容性と実現可能性を高めるために、我々はEで、モータのしきい値を決定していないS我々は上肢の筋肉をテストするときと同じ精度を持つ筋肉。むしろ、我々は、この刺激強度が上または下にモーターのしきい値であるかどうかを判断するために最大刺激の出力の50％で初期の単一パルスを提供することで、TMSのプロトコルを開始します。 MEPは、バックグラウンドのレベルに識別可能なMEPの相対として強度定義この刺激で観察されている場合はEMGが、強度はこの刺激強度がサブまたは超えたしきい値⁸であるかどうかを判断するために刺激の出力の40％に低減されます。
7. シングルパルスのTMSを使用して定量化MEPの振幅 ：モーターを調べるためには、我々は運動閾値の130％に等しい強度で'ホットスポット'に単一のTMSのパルスを供給するFCRの潜在的な振幅を誘発し、ピークツーピークの振幅を計算する。一般的に、我々は、正中神経の最大上電気刺激後に観察された最大の複合筋線維の活動電位にこの結果を正規化する。我々は、MEPの大きさがverであることに注意してください皮質興奮性の程度に依存してyを。したがって、TMSパルスがバックグラウンドの収縮中に配信されると、皮質興奮性を増加させると、MEPのサイズが劇的に増加します。 ESの筋肉のために、我々は、サブモーター閾値強度^{8の上方に}強度40〜50％で頂点に単一のTMSパルスを実現。 ESの筋肉を支配する末梢神経が電気刺激にアクセスできないため、残念ながら、我々は、複合筋線維の活動電位にこれらのモータの誘発電位を正常化することはできません。
8. シングルパルスのTMSを使用してサイレント期間の時間を定量化 ：皮質にTMSのパルスが筋肉の収縮中に配信されている場合には、皮質の抑制の指標と一般的にサイレントと呼ばれる活動が再開する前に、電気的休止が続くモーター誘発電位が生成されます。期間^13（図5）。サイレントピリオドを定量化するために我々は、単一の提供研究参加者が彼らの最大筋力の15％で手首の屈曲筋の収縮を行っている間、モータのしきい値の130％に等しい強度で"ホットスポット"へのTMSパルス。我々は以前にESの筋肉のサイレント期の持続時間を定量化されていませんが、我々は、TMSのパルスIDが背景の収縮中に配信するときに我々は逸話的にはこの筋肉群でその存在を認めていることに注意してください。
9. ペアパルスTMSを使用して皮質内ファシリテーションの定量化：我々は、皮質内ファシリテ^6,7（図6及び7はそれぞれ、FCRとES筋肉のため、この測定値を表す）定量化するためにペアパルスTMSを使用してください。 FCRの筋肉のために、まず0.5から1.0 mVの間にあるモーター誘発電位を誘発するために必要な刺激強度を決定する。次に、我々の研究室で一般的に閾値上のテストパルスの前にモーターのしきい値- 15 -ミリ秒の70％に等しく設定されているサブスレッショルドコンディショニングパルスを実現。このコンディショニング前のテストパルスにこの時間帯で配信パルスが増加する、または促進される、モーターの振幅は同じ強さの単一の無条件のパルスよりも潜在的な多くを誘発。 ESの筋肉グループのためにコンディショニングパルスの強度が観測されたサブモーター閾値強度（40％または刺激の出力の50％のどちらか）に設定されており、テストパルスの強度は、サブモーターのしきい値レベル（80％以上40％に設定されていますまたは刺激の出力の^90％）8。我々は、コンディショニングパルスの強度を研究の目的に応じて変化させることができることに注意してください。同様に、パルス間隔は、筋肉や皮質の相対的な位置によって異なる場合があります。
10. ペアパルスTMSを使用して短期間隔皮質内抑制の定量化：我々はまた、短い間隔皮質内抑制^6,7（図6、図7 FCRとES筋肉のためのこの測定は、それぞれを表す）を定量化するためにペアパルスTMSを使用してください。ここでは、両方の2つのパルス間刺激間隔が3ミリ秒に短縮されていることを除いて皮質内円滑化を測定するための説明に従って、FCRとESの筋肉が、手順は同じです。前のテストパルスにこの期間で送達このコンディショニングパルスが減少する、または阻害する、モーターの振幅は同じ強さの単一の無条件のパルスよりも潜在的な多くを誘発。
11. ペアパルスTMSを使用して長期間隔皮質内抑制を定量：100ミリ秒で区切られた2つの同一の閾値上のテストパルスを供給することも長期間隔皮質内抑制^6,7を評価するために使用することができます。この場合、用FCRの第二パルスに関連する筋肉、運動誘発電位は、（図8）は、最初に関連付けられているよりも、小さい、以上を抑制することになります。我々は以前に予告忍容性の懸念のためにESの筋肉の長期間隔皮質内抑制を定量化していない。

2。代表的な結果：

閾値上TMSパルスの配信に続いて、刺激される筋肉は容易に観察可能なEMGの応答を（MEP）（図4-8で示す）を示してください。刺激開始とMEPの間の待ち時間は検査されている筋肉群との間で異なりますが、FCRのためにそれは一般的に16から19ミリ秒（図6）とESのためにそれが17から22ミリ秒（図7である;それはするはずですがいくつかの科目ではESの筋肉の決定的なMEPの発症が）視覚的に識別することがより困難であることに留意する。これは、ESの筋肉グループをテストするときにいくつかの他の筋肉群が目に見えてもないし、劇的に（ホムンクルスの同じ一般的な領域内で表現される下肢の筋肉を含む）併用刺激したこと。留意すべきである皮質内のファシリテーションの測定中にMEP振幅は一般に、単一の無条件のパルス（Fで観察されるよりも大きくなってigure 6と7）。しかし、それはファシリテーションの程度は、いくつかの筋肉群 - など、多くの被験者のわずかなファシリテーションを示すFCRなどによる筋肉のグループの間で変化することが我々の経験です。短い間隔と長い間隔皮質内抑制を測定するためのMEPの振幅の減少は一般に、同じ強度（図6-8）の単一の無条件のパルスと比較して観察される。

図1：TMSの基本的なメカニズム。TMSコイルは頭皮に浸透し、運動皮質内に渦電流を誘導する磁界を、誘発する。この渦電流は、脳内の神経細胞を刺激することができます。図は、プレス¹⁴では、マッギンリーとクラークから転載。

図2 Tを実行するためのセットアップ FCRの筋肉上のMS。前腕から筋電図（EMG）信号の記録、および運動皮質上にTMSパドルに注意してください。我々は一般的にまた記録筋肉の力、そしてこれは振幅の値を解釈する際に有用であるため、絶対とは対照的に（例えば、1つは最大筋力の応答に対して相対的に表現し、MEPができる、最大の複合筋線維の活動電位を得るために電気的な末梢神経の刺激を使用してください重くそのような皮下脂肪組織などの非生理的な要因によって影響を与えることができるmVの値）。クラークら：図では、次から転載。 2008年⁰⁹月、クラークら、2010 ^6、およびマッギンリーら。 2010 ^7。

図3。起立のspinaleの筋肉にTMSを実行するためのセットアップ。ゴスらから再版図。 2011年^8。

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図4モータの閾値判定の例 。 EMGのトレースは、徐々に増加させる刺激の強度（刺激の出力の割合（SO）として表される）の電位（MEP）の応答を誘発モーターを表します。低強度（SOの28〜30％）が非常に小さいのMEPで（サブスレッショルド）誘発されたことが、32％のMEPは、通常、ppの振幅とMEPとして定義されているに達したモーターのしきい値を（誘発したように、>注意してください50μV）。

図は、プレス¹⁴では、マッギンリーとクラークから転載。

。収縮時の図5は、TMS：モータが潜在的な＆サイレントピリオドを誘発 。被験者がわずかな収縮を実行し、単一の刺激が運動野に適用されている場合は、サイレント期間が観察される。サイレント時代の最初の部分は脊髄の抑制と、後者の部分のために特にGABA _B受容体_は 、皮質の抑制に起因する。そこに沈黙期の持続時間を定量化するためにはコンセンサスの方法はありませんが、我々の調査結果は、どちらかの自主的な干渉の筋電図信号のリターンへの刺激の発症やMEPの発症から、それを定義すると、最も信頼性の高い¹⁵であることを示している。
図は、プレス¹⁴では、クラークとクイック、2011 ^16、マッギンリーとクラークから転載。

図6。モーターの変更は、FCRの筋肉の潜在的なサイズのi番目のペアのパルスのTMSを誘発 。短間隔皮質内抑制（SICI）および皮質内促進（ICF）の測定。 SICIとICFを定量化するためのコンディショニングパルス（CP）は、モータのしきい値未満に設定されており、テストパルス（TP）は0.5から1 mVの間でMEPのを呼び起こすために設定されています。短いinterstimulusの間隔で長いinterstimulus間隔で（例えば、15ミリ秒）は、MEP（ICF）を促進するのに対し（例えば、3ミリ秒）CPは、唯一のTP（SICI）と比較してMEPを阻害する。

CP：コンディショニングパルス、TP：クラークから再版テストパルスの図ら、2010 ^6、マッギンリーら。プレス¹⁴では数^：14、クラークとクイック、2011 ^16、及びマッギンリーとクラーク、。

図7。モーターの変更は、ESの筋肉のペアパルスのTMSとの潜在的な大きさを誘 ​​発 。脊柱起立筋と短間隔皮質内抑制（SICI）および皮質内促進（ICF）の測定からEMGのトレースの例。
ゴスらから再版図。 2011年^8。

図8。モーターEVOの変化ペアパルスのTMSとサイズヒツジシラミバエ可能性。長い間隔皮質内抑制（LICI）の測定。 LICIつのテストパルスを定量化するためには、100ミリ秒の刺激間隔で配信されます。第二MEPのこの結果は、最初のMEPと比較して抑制されている。
クラークから再版図ら、2010 ^6、マッギンリーら。 2010 ⁷とマッギンリーとクラーク、プレス^14。

ディスカッション

この記事の全体的な目標は、我々の研究室の視覚的なアカウントは、経頭蓋磁気刺激を使用する科学者や臨床医に提供することです。しかし、これらの実験の可視化を提供することに加えて、以下の我々は、この方法でTMSを実行する際に考慮する基本的な問題について説明TMS応答の生理学の簡単な概要を提供し、またの利用に関してとTMSの私達の使用について説明他人。

一般的な問題は、資料に記載されているとおりTMSを実行するときに注意する

ペアパルスTMSを実行する際に注意すべき問題がいくつかあります。例えば、Magstim BiStim ²システム-おそらく最も人気のTMS装置は2つのMagstim 200 ²台を組み合わせて単一の刺激的なコイルを介して対のパルス刺激を許可する可能性をラインナップしています。しかし、それは一つ無条件パルスそれでMEPを喚起されている場合ことに注意してください"0％"にMagStimのいずれかの単位を設定しても、パルス間の間隔（例えば、100ミリ秒）などのユニッ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
機器の名前	会社	カタログ番号	コメント（省略可能）
経頭蓋磁気刺激装置2002 経頭蓋磁気刺激装置のBi - STIM2 8の字70 mmのコイル ダブルコーンコイル	Magstimカンパニー	NA	TMS装置（コイルを含む）
Biodexシステム4	Biodex	NA	動力計
BIOPAC MP150データ収集システム	BIOPAC	MP150WSW	EMGと力のためのADコンバータ
AcqKnowledge 4.0データ収集ソフトウェア	BIOPAC	ACK100W
Nikomedトレース1 ECG電極	Nikomed	2015	EMG電極
定電流刺激	Digitimer	DS7A	末梢神経刺激装置