Gebruik te maken van Transcranial Magnetic Stimulation aan de Human neuromusculaire systeem Study

Samenvatting

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve hulpmiddel om inzicht te krijgen in de fysiologie en de functie van het menselijk zenuwstelsel. Hier presenteren wij onze TMS technieken om corticale prikkelbaarheid van de bovenste ledematen en lumbale spieren te bestuderen.

Samenvatting

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is in gebruik voor meer dan 20 jaar ^een, en is exponentieel gegroeid in populariteit de afgelopen tien jaar. Terwijl het gebruik van TMS is uitgegroeid tot de studie van vele systemen en processen gedurende deze tijd, de oorspronkelijke aanvraag en misschien wel een van de meest voorkomende vormen van gebruik van TMS omvat het bestuderen van de fysiologie, plasticiteit en functie van het menselijk neuromusculaire systeem. Enkele puls TMS toegepast op de motor cortex windt piramidale neuronen transsynaptically ² (figuur 1) en resulteert in een meetbare elektromyografische reactie die kan worden gebruikt om te bestuderen en evalueren van de integriteit en de prikkelbaarheid van de luchtwegen bij mensen corticospinale ^3. Bovendien, de recente ontwikkelingen in de magnetische stimulatie maakt het nu mogelijk voor het partitioneren van de corticale versus spinale prikkelbaarheid ^4,5. Kan bijvoorbeeld gepaarde-pulse TMS worden gebruikt om intracorticale faciliterende en remmende eigenschappen te beoordelen door het combineren van een aandoeningING stimulans en een test stimulus op verschillende tijdstippen interstimulus ^3,4,6-8. In deze video artikel zullen we zien de methodologische en technische aspecten van deze technieken. Concreet zullen we demonstreren enkele puls en de gepaarde-pulse TMS technieken toegepast om de flexor carpi radialis (FCR) spier als de erector spinae (ES) spiermassa. Ons laboratorium onderzoekt de FCR spier als het is van belang voor ons onderzoek naar de effecten van de pols-hand cast immobilisatie op verminderde prestaties spier ^6,9, en bestuderen we de ES spieren als gevolg van deze spieren klinische relevantie als het gaat om lage rugpijn ^8. Met dit gezegd, moeten we er rekening mee dat TMS is gebruikt om een ​​groot aantal spieren van de hand, arm en benen studie, en moeten herhalen dat onze demonstraties in de FCR-en ES spiergroepen alleen zijn voorbeelden van TMS wordt gebruikt om de menselijke neuromusculaire onderzoek geselecteerde systeem.

Protocol

1. Single en Gepaarde-Pulse TMS van de FCR-en ES Spieren

1. Basis Veiligheidsmaatregelen: Voorafgaand aan het uitvoeren van TMS op een menselijk onderwerp is het nodig om eerst het scherm hen voor elementaire voorzorgsmaatregelen als het gaat om blootstelling aan een magnetisch veld. In ons laboratorium hebben we volgen de screening richtlijnen uiteengezet door het Institute for Magnetic Resonance Veiligheid, Onderwijs en Onderzoek ^10. In ons laboratorium hebben we ook regelmatig uit te sluiten personen met een familiale voorgeschiedenis van epilepsie aanvallen. Wij eisen ook van onderwerpen ondergaat TMS van de ES spieren om oordoppen en een gebitsbeschermer te wijten aan de minder centrale en sterker stimulatie-intensiteiten te dragen.
2. Elektrische Recordings: Om TMS reacties te onderzoeken in het motor systeem is het noodzakelijk om elektromyografische (EMG) signalen van skeletspieren record. Voor de FCR spier plaatsen we oppervlakte elektroden op de onderarm met een bipolaire elektrode arrangement lengterichting gevestigd op tHij spier aan geschoren en geschaafde huid zoals we eerder hebben ^7,11 beschreven. Voor de erector spinae spieren gebruiken we een soortgelijke regeling lengterichting elektrode zich boven de spieren aan de L3-L5 wervel-niveau op geschoren en geschaafde huid ^8.
3. TMS Coil Oriëntatie: overwegend activeren corticospinale neuronen transsynaptically is het noodzakelijk om de TMS spoel positie de juiste ^12. Voor de FCR spieren plaatsen we een 70-mm figuur-van-acht TMS spoel raakt aan de hoofdhuid en 45-graden naar de middenlijn, zodat de geïnduceerde stroom in een lateraal naar mediaal-posterior-anterior richting. Voor de ES spieren gebruiken we een dubbele kegel spoel die een grotere penetratie diepte heeft en is te wijten aan de vertegenwoordiging van deze spieren worden dieper in de homunculus nodig. Hier is de spoel geplaatst zodanig dat de stroom in een richting anterior posterior. We hebben speciaal aangepaste onze spoel met een laser bevestigingssysteem om ons te helpen in subsequent herpositionering van de dubbele kegel spoel.
4. Het identificeren van 'Hotspot': Het is noodzakelijk om vast te stellen de stimulatie locatie die de grootste motor evoked potential lokt. Voor de FCR spieren doen we dit door subtiel bewegen van de TMS spoel rond in zeer kleine stappen en bepalen waar zien we de grootste motor evoked potential amplitude. Zodra zich merken we op dit gebied met onuitwisbare inkt op zowel de hoofdhuid of een lycra dop. TMS van de ES spieren is aanzienlijk meer ongemakkelijk voor de proefpersonen dan TMS van de bovenste ledematen spieren. Daarom hebben we gestroomlijnd onze TMS-protocol voor de ES spieren is het verdraagbaarheid en de haalbaarheid te vergroten. Hier, in plaats van het lokaliseren van de "hotspot" gebruiken we antropometrische metingen om de top van de schedel te identificeren. In het bijzonder, identificeren we de vertex als het kruispunt van de schedel in het sagittale (tussen de nasinon en INION) en coronale (tussen de tragus) vliegtuigen.
5. Biomechanische Positionering: In ons laboratorium als we TMS van de FCR spieren onderwerpen uit te voeren zitten met de arm rustend in een uitgeschoven positie in een BioDex Systeem 4 Dynamometer (figuur 2). Toch moeten we opmerken dat dit slechts een voorbeeld van een mogelijke set-up voor het meten van krachten uitgeoefend. Voor de ES spieren proefpersonen moeten zitten met een rechte houding, terwijl hun handen rusten in de schoot (figuur 3). Ze zitten in een draaivoet stoel met de dij op 90 ° ten opzichte van de romp, het onderbeen bij ~ 45 ° ten opzichte van de dij, en de lumbale wervelkolom in een neutrale posture8.
6. Het kwantificeren van Motor Drempel: Voor de FCR, we motor threshold (MT) te bepalen door het leveren van enkele pulsen bij geleidelijk toenemende stimulatie-intensiteiten totdat de motor evoked potentials hebben piek-piek amplitudes groter dan 50 microvolt in meer dan 50% van de onderzoeken (figuur 4) . Het stroomlijnen van de TMS-protocol en de verhoging van de tolerantie en de haalbaarheid we motor drempel niet te bepalen in de ES spieren met dezelfde nauwkeurigheid als bij het testen we de bovenste extremiteit spieren. Integendeel, we beginnen met de TMS-protocol door het leveren van een eerste single puls op 50% van de maximale stimulator vermogen om te bepalen of deze stimulus intensiteit is boven of onder motor drempel. Indien een lid van het EP wordt waargenomen bij deze stimulus intensiteit gedefinieerd als herkenbaar lid van het EP ten opzichte van het niveau van de achtergrond EMG-de intensiteit wordt verlaagd tot 40% van de stimulator vermogen om te bepalen of deze stimulus intensiteit is sub-of supra-drempel ^8.
7. Kwantificeren MEP Amplitude met behulp van Single-Pulse TMS: Om de motor te onderzoeken evoked potential amplitude van de FCR we een TMS puls te leveren aan de 'hotspot' met een intensiteit die gelijk is aan 130% van de motor drempel, en bereken de piek-piek amplitude . Over het algemeen hebben we normaliseren deze uitkomst aan de maximale compound muscle action potential vezels waargenomen na supramaximale elektrische stimulatie van de nervus medianus. We moeten opmerken dat de MEP-formaat is very afhankelijk van de mate van corticale prikkelbaarheid. Daarom, wanneer de TMS puls wordt geleverd tijdens een contractie achtergrond, wanneer corticale prikkelbaarheid wordt verhoogd, zal de MEP-formaat dramatisch toenemen. Voor de ES spieren, leveren wij een TMS puls naar de vertex met een intensiteit 40 of 50% boven de sub-motor drempel intensiteit ^8. Helaas, omdat de perifere zenuwen innerveren de ES spieren zijn niet toegankelijk voor elektrische stimulatie zijn we niet in staat om deze motor evoked potentials normaliseren om de verbinding spiervezel actiepotentiaal.
8. Kwantificering van stille periode Duur behulp van Single-Pulse TMS: Wanneer een TMS puls naar de cortex wordt geleverd tijdens een spiercontractie zal een motor evoked potential, gevolgd door elektrische rust voordat activiteit hervat, dat indicatief is voor corticospinale inhibitie en meestal aangeduid als de stille produceren periode ¹³ (figuur 5). Te kwantificeren de stille periode leveren wij eenTMS puls naar de 'hotspot' met een intensiteit die gelijk is aan 130% van de motorische drempel, terwijl de studie deelnemer is een pols flexie spiercontractie presteren op 15% van hun maximale kracht. We hebben niet eerder gekwantificeerd de stille periode duur van de ES spieren, maar we moeten er rekening mee dat we anekdotische hebben haar bestaan ​​waargenomen in deze spiergroep als de TMS puls id geleverd tijdens een achtergrond contractie.
9. Kwantificeren intracorticale Facilitation met behulp van waarnemingen met twee Pulse TMS: We maken gebruik van gekoppelde-pulse TMS intracorticale faciliteren ^6,7 (Figuur 6 en 7 geeft deze meting voor de FCR-en ES spieren, respectievelijk) te kwantificeren. Voor de FCR spier we eerst bepalen de stimulus intensiteit die nodig is om een ​​motor evoked potential, dat is tussen de 0.5-1.0 mV te lokken. Vervolgens leveren wij een subthreshold conditioning puls-die in ons laboratorium gewoonlijk wordt gelijkgesteld aan 70% van de motorische drempel-15-ms voordat de suprathreshold testpuls. Deze conditioneringpuls geleverd op deze periode voorafgaand aan de test puls zal toenemen, of te vergemakkelijken, de amplitude van de motor evoked potential meer dan een onvoorwaardelijke puls van dezelfde intensiteit. Voor de ES spiergroep de conditionering puls intensiteit is ingesteld op de waargenomen sub-motor drempel intensiteit (ofwel 40% of 50% van de stimulator output) en de test puls intensiteit is ingesteld op 40% boven de sub-motor drempel (80% of 90% van de stimulator output) ^8. We moeten opmerken dat de intensiteit van de conditionering pulsen kunnen gevarieerd worden afhankelijk van het doel van de studie. Op dezelfde manier kan de pols intervallen variëren, afhankelijk van de spier en de ligging ten opzichte van de cortex.
10. Kwantificering van korte Interval intracorticale remming met behulp van waarnemingen met twee Pulse TMS: Wij gebruiken ook gepaarde puls TMS op de korte interval intracorticale remming ^6,7 (Figuur 6 en 7 geeft deze meting voor de FCR-en ES spieren, respectievelijk) te kwantificeren. Hier, voor zowel deFCR en ES spieren, de procedures zijn dezelfde als beschreven voor het meten van intracorticale faciliteren met de uitzondering dat de interstimulus interval tussen de twee pulsen wordt gereduceerd tot 3 msec. Deze conditionering puls geleverd op deze periode voorafgaand aan de test puls zal afnemen, of remmen, de amplitude van de motor evoked potential meer dan een onvoorwaardelijke puls van dezelfde intensiteit.
11. Kwantificering van Long-Interval intracorticale remming met behulp van waarnemingen met twee Pulse TMS: Het leveren van twee identieke suprathreshold testpulsen die worden gescheiden door 100 milliseconden kan ook worden gebruikt om op lange interval intracorticale remming ^6,7 beoordelen. In dit geval is-voor de FCR spier-de motor evoked potential in verband met de tweede puls kleiner zal zijn, of geremd meer, dan die welke samenhangt met de eerste (figuur 8). We hebben niet eerder gekwantificeerd lange interval intracorticale remming in de ES spieren als gevolg van bezorgdheid over onderwerp tolerantie.

2. Representatieve resultaten:

Na de levering van een suprathreshold TMS puls, moeten de spieren gestimuleerd aan te tonen een gemakkelijk waarneembare EMG respons (de MEP) (geïllustreerd in figuren 4-8). De latency tussen de stimulus onset en de MEP zal variëren tussen de spiergroepen wordt onderzocht, maar voor de FCR is het meestal 16 tot 19 msec (Figuur 6) en voor de ES is het 17 tot 22 msec (figuur 7, al moet worden opgemerkt dat in sommige onderwerpen definitieve MEP begin in de ES spieren is het moeilijker om visueel te identificeren). Opgemerkt moet worden dat bij het testen van de ES spiergroep diverse andere spiergroepen ook gelijktijdig worden zichtbaar en dramatisch gestimuleerd (met inbegrip van de spieren van de onderste extremiteit, die vertegenwoordigd zijn binnen dezelfde algemene gebied van de homunculus). Tijdens de meting van intracorticale faciliteren de MEP amplitude is over het algemeen groter is dan die waargenomen met een enkele puls ongeconditioneerde (Figure 6 en 7). Het is echter onze ervaring dat de mate van facilitatie varieert tussen spieren groepen met een aantal spiergroepen, zoals de FCR-met slechts een bescheiden faciliteren in vele onderwerpen. Voor het meten van korte-interval en lange interval intracorticale remming van een afname van de MEP amplitude wordt algemeen waargenomen in vergelijking met een onvoorwaardelijk puls van dezelfde intensiteit (figuren 6-8).

Figuur 1. De basismechanismen van TMS. De TMS spoel wekt een magnetisch veld, dat de hoofdhuid doordringt en veroorzaakt een Eddy stroom in de motor cortex. Deze wervelstroom is dan in staat om neuronen te stimuleren in de hersenen. Figuur overgenomen uit McGinley en Clark, In Press ^14.

Figuur 2. Instellen voor het uitvoeren van T MS op de FCR spier. Let op de opname van elektromyogram (EMG) signalen van de onderarm, en de TMS paddle over de motorische cortex. We hebben over het algemeen ook opnemen spierkrachten, en het gebruik elektrische perifere zenuw stimulatie om de maximale compound spiervezel actiepotentiaal te verkrijgen, omdat dit nuttig is bij het interpreteren van amplitude-waarden (bijvoorbeeld een kan uiten en lid van het EP ten opzichte van de maximale spier reactie in tegenstelling tot een absolute mV-waarde die sterk kan worden beïnvloed door niet-fysiologische factoren, zoals de onderhuidse vetweefsel). Figuur overgenomen uit het volgende: Clark et al.. 2008 ^9, Clark et al.., 2010 ^6, en McGinley et al.. 2010 ^7.

Figuur 3. Setup voor het uitvoeren van TMS op de erector Spinale spieren. Figuur overgenomen uit Goss et al.. 2011 ^8.

_upload/3387/3387fig4.jpg "/>
Figuur 4. Voorbeeld van de motor drempel bepalen. De EMG-sporen vormen de motor evoked potential (MEP) naar aanleiding van geleidelijk toenemende stimulus intensiteit (weergegeven als een percentage van de stimulator output (SO)). Merk op dat bij de lagere intensiteit (28-30% van de SO) zeer kleine leden van het EP werden uitgelokt (sub-drempel), maar dat op 32% SO een lid van het EP werd uitgelokt dat de motor bereikt de drempel (meestal gedefinieerd als een lid van het EP met een pp amplitude> 50 uV).

Figuur overgenomen uit McGinley en Clark, In Press ^14.

. Figuur 5 TMS tijdens een contractie: motor evoked potential & stille periode. De stille periode is waargenomen wanneer een onderwerp voert een lichte daling en een enkele prikkel wordt toegepast op de motorische cortex. Het eerste deel van de stille periode iste wijten aan het ruggenmerg remming en het laatste deel is toe te schrijven aan corticale inhibitie, in het bijzonder GABA _{B-receptoren.} Is er geen consensus manier is om de duur van de stille periode kwantificeren, maar onze bevindingen wijzen erop dat zowel het definiëren van het van het begin stimulus of MEP aanzet tot de terugkeer van de vrijwillige inmenging elektromyogram signaal is de meest betrouwbare ^15.
Figuur overgenomen uit Clark en Quick, 2011 ^16, en McGinley en Clark, In Press ^14.

Figuur 6. Verandering in motor evoked potential sized et gepaarde puls TMS van de FCR spier. Meting van de korte-interval intracorticale inhibitie (SICI) en intracorticale facilitatie (ICF). Te kwantificeren SICI en ICF de conditionering puls (CP) is ingesteld onder de motor drempel, en de test puls (TP) is ingesteld op EP-leden op te roepen tussen de 0,5-1 mV. Met korte tussenpozen interstimulus(Bijv. 3-msec), de CP remt de MEP in vergelijking met de TP alleen (SICI), terwijl bij langere interstimulus intervallen (bv. 15-msec) het vergemakkelijkt de MEP (ICF).

CP: conditioning puls, TP: test puls Figuur overgenomen uit Clark et al., 2010 ^6, McGinley et al... 2010 ^14, Clark en Quick, 2011 ^16, en McGinley en Clark, In Press ^14.

Figuur 7. Verandering in motor evoked potential en kleinbedrijf met gepaarde puls TMS van de ES spier. Voorbeeld van een EMG sporen uit de erector spinae spieren en het meten van de korte-interval intracorticale inhibitie (SICI) en intracorticale facilitatie (ICF).
Figuur overgenomen uit Goss et al.. 2011 ^8.

Figuur 8. Verandering in motor evoKED potentiële sized met gepaarde puls TMS. Meting van de lange-interval intracorticale inhibitie (Lici). Te kwantificeren Lici twee test-pulsen worden geleverd op een interstimulus interval van 100 ms. Dit resulteert in het tweede lid van het EP wordt geremd in vergelijking met de eerste MEP.
Figuur overgenomen uit Clark et al.., 2010 ^6, McGinley et al.. 2010 ⁷ en McGinley en Clark, In Press ^14.

Discussie

Het algehele doel van dit artikel is om wetenschappers en clinici een visueel verslag van onze laboratoria gebruik van transcraniële magnetische stimulatie. Echter, naast het verstrekken van een visualisatie van deze experimenten, hieronder bespreken we de meest dringende problemen te overwegen bij het uitvoeren van TMS op deze manier, geven een kort overzicht van de fysiologie van TMS reacties, en bespreken ook ons ​​gebruik van TMS met betrekking tot het gebruik van anderen.

Algemene aspecten...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Naam van de Apparatuur	Vennootschap	Catalogus nummer	Commentaar (optioneel)
Transcraniële magnetische Stimulator 2002 Transcraniële magnetische Stimulator Bi-Stim2 Figuur-Eight 70-mm spoel Dubbele Cone Coil	De Magstim Company	NA	TMS apparatuur (inclusief spoelen)
Biodex Systeem 4	Biodex	NA	Dynamometer
Biopac MP150 Data Acquisition System	Biopac	MP150WSW	AD converter voor EMG en kracht
AcqKnowledge 4.0 Data acquisitie software	Biopac	ACK100W
Nikomed Trace een ECG-elektroden	Nikomed	2015	EMG-elektroden
Constant Current Stimulator	Digitimer	DS7A	Perifere zenuw stimulator