2012年1月20日
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。
この手順の全体的な目標は、経頭蓋磁気刺激を実行して運動誘発電位を誘発することです。最初は橈側手根屈筋に、次に起立脊椎に筋肉があります。これは、まず、筋電図記録のためにそれぞれの筋肉を覆う皮膚を準備し、経頭蓋磁気刺激のために被験者を生体力学的に配置することによって達成されます。
ホットスポットは、運動皮質上の刺激位置のうち、運動の失効電位が最も大きい部分として識別されます。次のステップは、モーターのしきい値を決定することです。この時点で、シングルパルス経頭蓋磁気刺激を実行して、運動誘発電位振幅とサイレント期間の持続時間を定量化します。
ペアパルス経頭蓋磁気刺激も実施され、皮質内促進と短間隔および長期間隔の皮質内阻害を定量化します。最終的には、ヒトの皮質脊髄および皮質皮質の興奮性のin vivo指数は、経頭蓋磁気刺激と筋電図法を組み合わせて評価できます。一般に、この方法に不慣れな人は、書かれた説明だけからTMSの微妙な技術的側面を導き出して理解するのが難しい場合があり、人間の被験者を実験してテストするときに試行錯誤のアプローチを通じて学ぼうとすると、手順を示す多くの困難と課題が生じるため、苦労する可能性があります。
私に加えて、オハイオ州筋骨格および神経学研究所で働く研究者であるDavid Gus Jr.Aがいます。TMS実験を開始する前に、まず、磁気共鳴安全教育研究所が定めたスクリーニングガイドラインに従って被験者をスクリーニングし、てんかんまたは発作の家族歴を持つ個人を除外します。次に、バイポーラ電極配置を使用して、前腕の被験者のFCR筋肉の上に表面電極を配置します。
電極は、剃られていない筋肉と編まれた皮膚の上に縦方向に配置する必要があります。また、頭の刺激箇所をマークするためにロックキャップを装着します。次に、被験者に、Biodexシステムの4ダイナモメーターで左腕を伸ばした位置に休ませて座らせます。
このプロトコルでは、左腕を制御してFCR筋肉を刺激する脳の右側を刺激し、頭皮に接し、正中線に45度の70ミリメートルの8の字TMSコイルを配置して、誘導電流が外側の後方から内側の前方方向に流れるようにします。次に、TMSコイルを非常に小さな増分で微妙に動かして、FCR筋肉に最大の運動誘発電位を引き出す刺激位置を決定します。見つけたら、この領域を頭皮または同様のキャップに消えないインクでマークします。
次に、試行の 50% 以上で運動誘発電位がピークからピーク振幅が 50 マイクロボルトを超えるまで、刺激強度を徐々に増加させる単一パルスを送達することにより、FCR の運動閾値を定量化します。FCRのモーター誘発電位振幅を調べるには、モーターしきい値の130%に等しい強度として、以前に決定されたホットスポットに単一のTMSパルスを送達し、ピークツーピーク振幅を計算します。この結果は、正中神経の超最大電気刺激後に観察される最大複合筋線維活動電位に正規化できます。
筋肉の収縮中に皮質のCMSパルスが送達されると、運動が再開する前に運動の失効電位が生成され、続いて電気的静止が起こります。これは、コルチココルチコ脊髄抑制を示しています。.これは一般にサイレント期間と呼ばれます。
FCR 皮質脊髄沈黙期間を定量化するには、研究参加者が手首屈曲筋の収縮を最大強度の 15% で行っている間、運動閾値の 130% に等しい強度で 1 つの TMS パルスをホットスポットに送達します。FCR筋肉のペアパルスTMSを使用して皮質内促進を決定するには、まず、0.5〜1ミリボルトの運動誘発電位を誘発するために必要な刺激強度を決定します。次に、超閾値試験パルスの15ミリ秒前にモータ閾値の70%のサブスレッショニングパルスを送達し、試験パルスの前のこの期間に送達されたコンディショニングパルスは、モータ誘発電位の振幅を同じ強度の単一の無条件パルスよりも増加させるか、または促進する。
次に、ペアパルスTMSを使用して、皮質内促進の測定について説明したのと同じ手順を使用して、短間隔の皮質内抑制を定量化しますが、2つのパルス間の刺激間間隔を3ミリ秒に短縮する必要があります。テストパルスの前のこの期間に供給されるコンディショニングパルスは、同じ強度の単一の無条件パルスよりも、モーターの取り消された電位の振幅を減少または抑制します。ペアパルスTMSを使用して長い間隔の皮質内阻害を定量化するために、100ミリ秒間隔で分離された2つの同一の超閾値テストパルスを提供します。
ここでFCR筋の場合、2番目のパルスに関連する運動誘発電位は、最初のパルスに関連する電位よりも小さくなるか、阻害されます。次に。起立筋の棘筋刺激の場合、被験者は回転式の椅子に座り、大腿部は体幹に対して90度、下腿は大腿部に対して約45度、腰椎は中立的な直立姿勢で、手は起立筋の膝に休んでいます。筋肉は、剃毛および編組された皮膚のL-3、L、5の椎骨レベルで筋肉の縦方向に配置された電極配置を使用して、筋肉刺激位置である皮質起立脊椎を快適に配置します。
ここでは、人体測定を使用して頭蓋骨の頂点を特定し、鼻とイアンの間の矢状面とトラウスの間の冠面での頭蓋骨の交差を見つけ、これを頂点としてマークしてエレクタースピンを刺激します。筋肉は、貫通深度が大きい二重円錐コイルを使用しているため、ホムンクルスのより深いところでこれらの筋肉の表現に到達できます。ここでは、電流が前方から後方向に流れるようにコイルが配置されています。
ここのコイルは、レーザーアタッチメントシステムでカスタム変更されており、その後のダブルコーンコイルの再配置を支援して、エレクターの回転筋のモーターしきい値を決定します。以前に実証された上肢の方法は、背中の筋肉への刺激が十分に許容されないため、使用しないでください。代わりに、TMSプロトコルは、最大刺激装置出力の50%で最初の単一パルスを送達して、この刺激強度が運動閾値を上回っているか下回っているかを判断します。
起立筋の運動誘発電位振幅を調べるには、紡績筋は、サブ運動閾値強度より40または50%高い強度で単一のTMSパルスを頂点に送達します。ES筋を革新する末梢神経は電気刺激にアクセスできないため、これらの運動誘発電位を正常化することはできません。ES筋群を刺激すると、他のいくつかの筋肉群も同時に視覚的かつ劇的に刺激され、これには下肢の筋肉が含まれ、これらはホモンクルスの同じ一般領域内に表されます。
ペアパルスTMSを使用して、起立筋の回転筋群の皮質内促進を決定するには、コンディショニングパルス強度を観察されたサブモーター閾値に設定する必要があります。強度は刺激装置出力の40%または50%であり、テストパルス強度は、刺激装置出力の80%または90%であるサブモーターしきい値レベルより40%高い値に設定する必要があります。次に、短間隔の皮質内阻害を定量化するために、皮質内促進の測定について説明したのと同じ手順を使用しますが、実験が完了したときに2つのパルス間の刺激間間隔を3ミリ秒に短縮する必要がある場合は、電極などのキャップの取り外しを支援し、参加してくれた被験者に感謝してください。
ここで見られるEMGトレースは、徐々に増加する刺激強度に対する運動誘発電位反応を表しており、刺激装置の出力の割合などで表されます。低強度では、非常に小さなMEPが誘発されましたが、32%では、モーター閾値に達するMEPが誘発されたことに注意してください。サイレント期間は、被験者がわずかな収縮を行い、単一の刺激が運動皮質に加えられるときに観察されます。
沈黙期間の最初の部分は脊髄の阻害によるものであり、後半の部分は皮質の阻害、特にGABA B受容体に起因します。ここでは、FCR筋のペアパルスTMSによる運動誘発電位サイズの変化、短間隔皮質内抑制またはSICIの測定、および皮質内促進またはICFが見られます。そして、ここでは、起立筋のスピン筋からのEMGトレースの例と、短間隔の皮質内抑制と皮質内促進の測定を示しています。
最後に、ここでは、長時間の皮質内阻害またはLICIの測定例を示します。このビデオを見た後、屈筋鯉Redis筋、および勃起筋の棘筋に適用されるシングルパルスTMSとペアパルスTMSを実行する方法をよく理解しているはずです。注目すべきは、これらの筋肉群でのこれらのデモンストレーションは、人間の神経筋系の研究に使用されているTMSの選択された例にすぎないということです。
人間を対象とする作業は、個人の健康を危険にさらす可能性があることを忘れないでください。個人が強い磁場にさらされても安全であることを確認することが重要であり、この手順を実行するときは常に注意を払う必要があります。
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この記事では、人間の神経系の生理学を調査するための非侵襲的方法として頭蓋超磁気刺激(TMS)の使用について論じています。上肢と腰部の筋肉における皮質興奮性の研究技術に焦点を当てています。
Transcranial magnetic stimulation (TMS) enables non-invasive assessment of corticospinal and intracortical excitability, providing quantitative neurophysiological readouts that support target validation in neuromuscular and neurological discovery programs. By measuring motor evoked potentials, silent periods, and paired-pulse modulation, TMS delivers mechanistic insights into neuronal pathway integrity and synaptic efficacy, aiding in the de-risking of CNS-targeted therapeutic hypotheses. This approach enhances predictive confidence in early discovery by linking cortical stimulation to peripheral neuromuscular output, informing go/no-go decisions for compounds affecting motor circuitry.
TMS fits within the discovery continuum from target validation through lead optimization, offering a human-compatible method to assess target engagement in motor circuits prior to preclinical investment.