인간 신경근육학 시스템을 공부하기 Transcranial 자기 자극을 활용

본 절차의 전반적인 목표는 경두개 자기 자극을 수행하여 운동 유발 전위를 유도하는 것입니다. 먼저 요측수근굴근에서, 그 다음으로는 척추기립근에서 이를 수행합니다. 이는 먼저 근전도 기록을 위해 해당 근육 위의 피부를 준비하고, 경두개 자기 자극을 위해 피험자를 생체역학적으로 배치함으로써 이루어집니다.

핫스팟은 운동 피질 내 자극 위치 중 가장 큰 운동 유발 전위를 유도하는 지점으로 정의됩니다. 다음 단계는 운동 역치를 결정하는 것입니다. 이 시점에서 단일 펄스 경두개 자기 자극을 실시하여 운동 유발 전위의 진폭과 무음기 기간을 정량화합니다.

피질 내 촉진과 단기 및 장기 피질 내 억제를 정량화하기 위해 쌍펄스 경두개 자기 자극 또한 수행됩니다. 궁극적으로, 경두개 자기 자극과 근전도 검사를 결합하여 사용하여 인간의 피질척수 및 피질-피질 흥분성의 생체 내 지표를 평가할 수 있습니다. 일반적으로 이 방법이 처음인 개인은 서면 설명만으로는 TMS의 미묘한 기술적 측면을 도출하고 이해하는 것이 어려울 수 있으며, 단순히 시행착오 방식으로 학습하며 피험자를 대상으로 실험하고 테스트하는 것은 절차를 시연하는 데 있어 많은 어려움과 도전 과제를 야기할 수 있습니다.

저 외에도 Ohio Musculoskeletal and Neurological Institute에서 근무하는 연구원인 David Gus Jr.가 함께할 것입니다. TMS 실험을 시작하기 전, 먼저 Institute for Magnetic Resonance Safety Education and research에서 제시한 스크리닝 가이드라인에 따라 피험자를 스크리닝하고, 뇌전증 또는 발작의 가족력이 있는 개인은 제외하십시오. 그다음, 이극 전극 배치를 사용하여 피험자의 전완부 FCR 근육 위에 표면 전극을 부착하십시오.

전극은 제모하지 않은 근육 위의 피부 표면을 따라 세로 방향으로 배치해야 합니다. 또한 자극 위치를 표시하기 위해 머리에 ROC 캡을 씌웁니다. 이제 피험자가 Biodex system four 다이나모미터에 왼쪽 팔을 뻗은 상태로 올려놓고 앉게 합니다.

본 프로토콜에서는 왼쪽 팔을 조절하는 뇌의 우측을 자극하여 요측수근굴근(FCR) 근육을 자극할 것입니다. 70 mm 8자형 TMS 코일을 두피에 접선 방향으로 배치하고 중앙선에서 45도 각도로 두어 유도 전류가 외측 후방에서 내측 전방 방향으로 흐르게 합니다. 다음으로, FCR 근육에서 가장 큰 운동 유발 전위를 유도하는 자극 위치를 결정하기 위해 TMS 코일을 아주 미세하게 조금씩 이동시킵니다. 해당 위치가 확인되면 두피나 캡 위에 지워지지 않는 잉크로 이 영역을 표시합니다.

이제 시도 횟수의 50% 이상에서 운동 유발 전위의 peak-to-peak 진폭이 50 microvolts보다 커질 때까지 자극 강도를 점진적으로 높여 단일 펄스를 전달함으로써 FCR의 운동 역치를 정량화합니다. FCR의 운동 유발 전위 진폭을 조사하기 위해, 이전에 결정된 hotspot에 운동 역치의 130%에 해당하는 강도로 단일 TMS 펄스를 전달하고 peak-to-peak 진폭을 계산합니다. 이 결과값은 정중신경의 초최대 전기 자극 후 관찰된 최대 복합 근섬유 활동 전위로 정규화할 수 있습니다.

근육 수축 중에 피질에 CMS 펄스를 전달하면, 활동이 재개되기 전까지 운동 유발 전위와 그 뒤를 잇는 전기적 정지 상태가 나타납니다. 이는 피질-피질척수 억제를 나타내며, 일반적으로 이를 침묵기(silent period)라고도 합니다.

FCR 피질척수 무반응기(silent period)를 정량화하려면, 피험자가 최대 근력의 15% 수준으로 손목 굴곡근 수축을 수행하는 동안 운동 임계값의 130% 강도로 핫스폿(hotspot)에 단일 TMS 펄스를 전달합니다. FCR 근육에 대한 쌍펄스 TMS를 이용하여 피질내 촉진(intracortical facilitation)을 측정하려면, 먼저 0.5에서 1mV 사이의 운동 유발 전위를 유도하는 데 필요한 자극 강도를 결정합니다. 그다음, 역치 상한의 검사 펄스 15ms 전에 역치 하한의 조건화 펄스(운동 임계값의 70%)를 전달합니다. 검사 펄스 전 이 시간 간격에 조건화 펄스를 전달하면, 동일한 강도의 단일 무조건화 펄스보다 운동 유발 전위의 진폭이 증가하거나 촉진됩니다.

다음으로, 피질 내 촉진 측정 시 설명한 것과 동일한 절차를 사용하여 쌍펄스 TMS로 단기 피질 내 억제를 정량화하되, 두 펄스 사이의 자극 간격을 3ms로 단축합니다. 테스트 펄스 전의 이 시간 간격에 전달된 조건화 펄스는 동일한 강도의 단일 비조건화 펄스보다 운동 유발 전위의 진폭을 더 감소시키거나 억제하게 됩니다. 쌍펄스 TMS를 이용하여 장기 피질 내 억제를 정량화하려면, 100ms 간격으로 분리된 두 개의 동일한 역치 상한 테스트 펄스를 전달합니다.

여기 FCR 근육의 경우, 두 번째 펄스와 관련된 운동 유발 전위가 첫 번째 펄스와 관련된 전위보다 더 작거나 더 많이 억제될 것입니다. 다음으로, 척추기립근 자극을 위해 피험자를 회전식 의자에 앉히고 허벅지는 몸통에 대해 90도, 종아리는 허벅지에 대해 약 45도, 요추는 중립 수직 자세를 유지하게 하며 손은 무릎 위에 올려둡니다. 척추기립근의 경우, 제모 및 연마 처리된 피부의 L3~L5 척추 수준에서 근육 위로 종방향으로 배치된 전극 배열을 사용하여 피질 척추기립근 자극 위치를 편안하게 잡습니다.

여기서는 인체 측정물을 사용하여 두개골의 정점(vertex)을 식별하며, nasion과 Inion 사이의 시상면(sagittal plane)과 trauss 사이의 관상면(coronal plane)이 교차하는 지점을 찾아 이를 정점으로 표시하여 척추기립근(erector spinae muscles)을 자극합니다. 침투 깊이가 더 깊어 호문쿨루스(homunculus) 내의 더 깊은 곳에 위치한 해당 근육의 표상 영역에 도달할 수 있는 이중 원뿔 코일(double cone coil)을 사용합니다. 여기서 코일은 전류가 전방에서 후방 방향으로 흐르도록 배치됩니다.

여기 사용된 코일은 척추세움근의 운동 역치를 결정하기 위해 이후 이중 원추 코일의 재배치를 돕는 레이저 부착 시스템으로 맞춤 수정되었습니다. 등 근육에 대한 자극은 내약성이 낮으므로, 이전에 입증된 상지용 방법을 사용해서는 안 됩니다. 대신, 초기 단일 펄스를 최대 자극기 출력의 50%로 전달하여 이 자극 강도가 운동 역치보다 높은지 낮은지 확인함으로써 TMS 프로토콜을 시작하십시오.

척추기립근의 운동유발전위 진폭을 조사하려면, 하위 운동 임계 강도보다 40 또는 50% 높은 강도로 정수리에 단일 TMS 펄스를 가합니다. 척추기립근을 지배하는 말초 신경은 전기 자극이 불가능하므로, 이러한 운동유발전위는 표준화할 수 없습니다. 척추기립근 그룹을 자극할 때, 호문쿨루스의 동일한 일반 영역에 위치한 하지 근육을 포함하여 다른 여러 근육 그룹 또한 가시적이고 급격하게 동시에 자극된다는 점에 유의해야 합니다.

기립근 근육군의 피질내 촉진을 측정하기 위해 쌍-펄스 TMS를 사용하려면, 조건화 펄스 강도를 관찰된 운동 역하 수준으로 설정해야 합니다. 강도는 자극기 출력의 40% 또는 50%로 설정하며, 테스트 펄스 강도는 운동 역하 수준보다 40% 높게, 즉 자극기 출력의 80% 또는 90%로 설정해야 합니다. 다음으로 단기 피질내 억제를 정량화하려면 피질내 촉진 측정 시 설명한 것과 동일한 절차를 사용하되, 두 펄스 사이의 자극 간격을 3ms로 줄여야 합니다. 실험이 완료되면 전극과 캡 제거를 돕고, 피험자에게 참여에 대한 감사를 표하십시오.

여기에 표시된 EMG 트레이스는 자극기 출력의 백분율(%so)로 표시된 점진적으로 증가하는 자극 강도에 따른 운동 유발 전위 반응을 나타냅니다. 낮은 강도에서는 매우 작은 MEP가 유발되었으나, 32%so에서 운동 임계값에 도달하는 MEP가 유발되었음에 유의하십시오. 피험자가 가벼운 수축을 수행하고 운동 피질에 단일 자극을 가했을 때 무음기가 관찰됩니다.

침묵기의 전반부는 척수 억제에 의한 것이며, 후반부는 피질 억제, 구체적으로 GABA B 수용체에 기인합니다. 여기서는 FCR 근육의 쌍펄스 TMS를 통한 운동 유발 전위 크기의 변화를 볼 수 있으며, 단기 피질 내 억제(SICI) 및 피질 내 촉진(ICF)의 측정을 확인할 수 있습니다. 그리고 여기서는 척추기립근의 EMG 파형 예시와 단기 피질 내 억제 및 피질 내 촉진의 측정 결과를 볼 수 있습니다.

마지막으로, 여기에서 장시간 간격 피질내 억제(long interval intracortical inhibition, LICI)의 측정 예를 확인할 수 있습니다. 이 영상을 시청하신 후에는 요측수근굴근(flexor carpi radialis)과 척추기립근(erector spinae)에 적용되는 단일 펄스 및 쌍펄스 TMS 수행 방법에 대해 충분히 이해하셨을 것입니다. 참고로, 이 근육군들에 대한 시연은 인간의 신경근 계통을 연구하기 위해 TMS를 사용하는 여러 사례 중 일부만 선택하여 보여준 것입니다.

인간 대상자를 통한 연구는 개인의 건강에 위험을 초래할 수 있음을 유의하십시오. 대상자가 강한 자기장에 노출되어도 안전한지 확인하는 것이 중요하며, 이 절차를 수행할 때는 항상 주의를 기울여야 합니다.