ヒトにおける皮質傷害性伝達の変化の非侵襲的評価

この神経生理学実験の全般的目的は、反復経頭蓋磁気刺激後のヒトにおける皮質脊髄運動ニューロンシナプス伝達の変化を評価することです。H反射条件付け技法は、神経可塑性の基本的なメカニズムや部位のより深い理解など、神経科学分野における疑問の解明に寄与します。我々は特に、皮質脊髄路と運動ニューロンの間、すなわち皮質脊髄運動ニューロンシナプスで起こる可塑性に関心を持っていました。

この手法の主な利点は、測定および複合電位と比較して、脊髄運動ニューロンへの個別の皮質脊髄路接続によって生じるシナプス入力を測定できることです。複合電位と比較して、条件付けH反射にはさらに少なくとも2つの利点があります。第一に、極めて弱い皮質脊髄路のバレーの影響さえも検出することが可能であること、そして第二に、潜時の長い皮質脊髄路バレーの効果を評価できることです。

実験に先立ち、まずてんかん発作の既往歴などのTMS医学的リスクについて被験者のスクリーニングを行い、書面によるインフォームド・コンセントを得て、被験者に実験の目的を説明します。シェービング、プロパノールによる消毒、および軽い皮膚擦過を行い、ヒラメ筋上の表面電極配置に向けて皮膚を準備します。その後、電気生理学的反応を測定するために表面電極を配置します。

被験者が底屈および背屈を行う間に、画面上のEMG信号を確認します。H反射条件付けの場合、まずテープを使用して、膝の前面、膝蓋骨の直下に5×5 cmのアノードを固定します。持続時間1 msの矩形波パルスで刺激を加え、最適な刺激部位が見つかるまで、陰極を膝窩上で移動させます。

次に、粘着電極を皮膚に貼り付け、テープで固定します。実験の前に、まずHM動員曲線を記録します。H反射とM波を、記録ソフトウェア上でEMGのピーク・ツー・ピーク振幅としてオンラインで算出します。

H反射の大きさを最大M波の20%に調整します。まず、ニューロナビゲーションシステムのキャリブレーション手順を行います。8字コイルを使用し、電極を配置した側とは対側にある被験者の運動皮質領域を刺激してください。

最適な刺激部位を決定するために、まずコイルを頂点から1 cm前方に配置します。コイルのハンドルを後方に向け、コイルの中心で後方から前方への誘導電流フラックスを発生させます。最小の刺激強度で運動誘発電位を誘発できる位置を特定してください。

ここで、被験者の頭部をテーブルに置き、硬質フォームを用いて動きを防止します。実験全体を通して、モニタリングコイルと頭部の位置を管理するために、画像誘導型TMSナビゲーションシステムを使用してください。次に、コイルをスタンドに、被験者の頭部を椅子に固定し、さらにベルクロストラップでコイルを頭部に固定します。

次に、10回の連続試行のうち6回で、ピーク・ツー・ピークのEMG振幅が50 µVを超える運動誘発電位を誘発するために必要な最小強度を決定します。これが被験者の安静時運動閾値となります。また、皮質脊髄路の軸索を刺激するため、頸髄延髄接合部にダブルコーン磁気コイルを配置します。

誘導電流の一次微分が頭側に向かい、かつコイルの中心位置が頭蓋骨上またはその付近にくるようにコイルを配置します。まず、実験全体を通じてコントロールH反射の大きさが一定に維持されるよう注意してください。偏差が検出された場合は、次回の試行の前に刺激強度を調整してください。

次に、運動野上のTMSコイルの刺激強度を、被験者の運動閾値の90%から100%の間に調整します。また、頸髄刺激の強度を刺激装置の最大出力の100%に設定します。まず、安静時の運動野への刺激を用いてH反射の条件付けを開始します。

TMSと末梢神経刺激を適用し、2つの刺激間のタイミングを変化させることで、皮質脊髄運動ニューロン伝達の変化を評価します。まず、刺激間間隔を-5 ms（末梢神経刺激をTMSの5 ms前に誘発すること）から開始し、その後、この間隔を-5 msから1 msまで数ミリ秒刻みで変更します。刺激間間隔に応じて、H反射を下降波形に対して前方にシフトさせることができ、右側にシフトさせることで、より低速な皮質脊髄路をテストすることが可能になります。

刺激の順序によるバイアスを排除するため、試行ごとに間隔をランダムに変動させ、刺激試行間の休止時間を4秒に設定します。早期促通は、-4 msから-2 msの間隔付近で起こるはずです。次に、延髄頚 junctionへの磁気刺激を用いて、H反射を条件付けします。

刺激間隔（ISI）は-9 msから-3 msまで1 ms刻みで設定してください。各試行において、これらTMSの間隔を両方の部位に同時に適用し、得られた対照H反射および運動誘発電位を記録します。対照H反射を条件付けH反射の基準として使用し、対照運動誘発電位を用いて刺激条件が同等であることを確認してください。

事前測定が完了したら、刺激強度を被験者の運動閾値の1.2倍に設定し、緩徐反復TMS介入を行います。皮質脊髄興奮性の持続的な抑制を誘導するため、一次運動野を1 Hzで20分間刺激します。こちらにM1条件付け後のH反射条件付け曲線が表示され、こちらにCMS条件付け後のH反射条件付け曲線が表示されています。

一次運動野へのTMSによる早期促通は、刺激間隔が-3 ms付近で起こります。CMS条件付け後の早期促通は、刺激間隔が-7 ms付近となり、約3～4 ms早く起こっていることに注意してください。ここでは、代表的な1名の被験者におけるrTMS介入前後の10回のトレースの平均値を表示しています。

初期の促進を示す条件付けH反射は、M1およびCMS条件付けの両方において減少していることがわかります。一方、コントロールH反射は変化していません。ここでは、2名の被験者の平均値が表示されており、コントロールH反射に変化は見られない一方で、M1およびCMS条件付けを受けたH反射の両方で同様の減少パターンが示されています。

このプロトコルに習熟すれば、約90〜120分で完了できます。この手順を実施する際は、H反射の大きさを一定に保つことが重要です。このビデオを視聴することで、一次運動野および延髄頸接合部に条件刺激を適用する方法について十分に理解できるはずです。

これは、最速の皮質脊髄路接続を介した脊髄運動ニューロンへのシナプス入力を示す、早期促進を検出するために使用されます。