Niet-invasieve beoordeling van veranderingen in de corticomotoneuronale transmissie bij mensen

Het algemene doel van dit neurofysiologische experiment is om veranderingen in de transmissie bij de corticomotoneuronale synapsen bij mensen te beoordelen na repetitieve transcraniële magnetische stimulatie. De H-reflex-conditioneringstechniek kan helpen bij het beantwoorden van vragen op het gebied van de neurowetenschappen, zoals een beter begrip van de basismechanismen en locaties van neuroplasticiteit. We waren specifiek geïnteresseerd in de plasticiteit die plaatsvindt tussen het corticospinale tractus en het motorische neuron, de corticomotoneuronale synaps.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek, vergeleken met gemeten samengestelde potentialen, is dat het mogelijk is om de synaptische input te meten die wordt geproduceerd door afzonderlijke corticospinale verbindingen met spinale motorneuronen. Er zijn nog ten minste twee verdere voordelen van geconditioneerde H-reflexen in vergelijking met samengestelde potentialen. Ten eerste is het mogelijk om de invloeden van zelfs zwakke corticospinale volleys te detecteren en ten tweede is het mogelijk om de effecten van corticospinale volleys met een langere latentie te beoordelen.

Vóór het experiment dient de proefpersoon eerst gescreend te worden op medische risico's voor TMS, zoals een geschiedenis van epileptische aanvallen; verkrijg schriftelijke en geïnformeerde toestemming en informeer de proefpersoon over het doel van het experiment. Bereid de huid voor op het plaatsen van oppervlakkige elektroden over de musculus soleus door te scheren, te desinfecteren met propanol en een lichte huidabrasie toe te passen. Plaats vervolgens oppervlakkige elektroden om de elektrofysiologische responsen te meten.

Controleer de EMG-signalen op het scherm terwijl de proefpersoon plantair- en dorsiflexie uitvoert. Voor de conditionering van de H-reflex wordt eerst een anode van vijf bij vijf centimeter met tape gefixeerd op het anterieure aspect van de knie, net onder de patella. Pas stimulatie toe met blokgolspulsen van één milliseconde en verplaats de kathode op de popliteale fossa totdat de optimale positie voor stimulatie is bepaald.

Plaats vervolgens een zelfklevende elektrode op de huid en fixeer deze met tape. Registreer voorafgaand aan het experiment eerst een HM-rekruteringscurve. Bereken de H-reflexen en M-golven online in de registratiesoftware als peak-to-peak EMG-amplitudes.

Stel de grootte van de H-reflex in op 20% van de maximale M-golf. Voer eerst de kalibratieprocedure voor het neuronavigatiesysteem uit. Gebruik een figure-of-eight spoel om het motorische corticale gebied van de proefpersoon te stimuleren, contralateraal aan de geplaatste elektroden.

Om de optimale stimulatielocatie te vinden, plaatst u de spoel eerst één centimeter vóór de vertex. Richt de handgreep van de spoel naar achteren om een flux van geïnduceerde stroom van posterieur naar anterieur in het centrum van de spoel op te wekken. Bepaal de positie waarbij motorisch geëvoceerde potentialen kunnen worden opgewekt met een minimale stimulatie-intensiteit.

Plaats op dit punt het hoofd van de proefpersoon op de tafel en gebruik hard schuim om beweging te voorkomen. Gebruik een beeldgestuurd TMS-navigatiesysteem voor een monitoringspoel en de hoofdpositie gedurende het hele experiment. Bevestig vervolgens de spoel aan een standaard en het hoofd van de proefpersoon aan de stoel, en fixeer de spoel met klittenbandstrips aan het hoofd.

Bepaal vervolgens de minimale intensiteit die nodig is om motorisch geëvoceerde potentialen op te wekken met piek-tot-piek EMG-amplitudes groter dan 50 micro-volts in zes van de 10 opeenvolgende pogingen. Dit is de rustmotorische drempelwaarde van de proefpersoon. Plaats daarnaast een dubbele kegelvormige magnetische spoel bij de cervicomedullaire junctie om axonen van het corticospinale tractus te exciteren.

Positioneer de spoel zodanig dat de eerste afgeleide van de geïnduceerde stroom craniaal is gericht en dat de centrale positie zich op of nabij het enium bevindt. Zorg er eerst voor dat de grootte van de controle H-reflex gedurende het gehele experiment constant blijft. Indien er een afwijking wordt vastgesteld, dient de stimulatiedosis voorafgaand aan de volgende trial te worden aangepast.

Stel nu de stimulatiesterkte van de TMS-spoel over de motorische cortex in op tussen 90% en 100% van de motorische drempelwaarde van de proefpersoon. Stel daarnaast de cervicomedullaire stimulatiesterkte in op 100% van de maximale output van de stimulator. Begin met het conditioneren van de H-reflex met stimulatie over de motorische cortex in rust.

Pas TMS en perifere zenuwstimulatie toe door de timing tussen de twee stimuli te variëren om veranderingen in de corticomotoneuronale transmissie te kunnen beoordelen. Begin met een interstimulusinterval van min vijf milliseconden, wat betekent dat de perifere zenuwstimulatie vijf milliseconden voor de TMS wordt uitgelokt, en wijzig dit interval vervolgens in stappen van milliseconden van min vijf milliseconden tot één milliseconde. Afhankelijk van het interstimulusinterval kan de H-reflex naar voren worden verschoven ten opzichte van de descenderende volley, waardoor deze naar rechts kan worden verschoven zodat de tragere corticospinale banen kunnen worden getest.

Varieer het interval willekeurig van proef naar proef om bias door de volgorde van stimuli te elimineren, en stel de pauze tussen de stimulatieproeven in op vier seconden. Vroege facilitatie zou moeten optreden bij intervallen van negatief vier tot negatief twee milliseconden. Conditioneer vervolgens de H-reflex met behulp van magnetische stimulatie over de cervicomedullaire junctie.

Gebruik interstimulusintervallen tussen min negen en min drie milliseconden in stappen van één milliseconde. Pas deze TMS-intervallen tijdens elke trial over beide locaties tegelijk toe en registreer de resulterende controle-H-reflex en motorisch opgewekte potentialen. Gebruik de controle-H-reflex als referentie voor de geconditioneerde H-reflexen en het controle motorisch opgewekte potentiaal om vergelijkbare stimulatiecondities te waarborgen.

Zodra de pre-meting is voltooid, stelt u de stimulatie-intensiteit in op 1,2 keer de motorische drempel van de proefpersoon en past u de langzame repetitieve TMS-interventie toe. Stimuleer de primaire motorische cortex gedurende 20 minuten met een frequentie van één hertz om een langdurige onderdrukking van de corticospinale exciteerbaarheid te induceren. Een H-reflex conditioneringscurve na M1-conditionering wordt hier weergegeven, terwijl de H-reflex conditioneringscurve na CMS-conditionering hier wordt getoond.

Vroege facilitatie met TMS over de primaire motorische cortex vindt plaats bij interstimulusintervallen van ongeveer min drie milliseconden. Let op dat de vroege facilitatie na CMS-conditionering ongeveer drie tot vier milliseconden eerder optreedt, bij een interstimulusinterval van rond de min zeven milliseconden. Hier worden de gemiddelden van 10 traces voor één representatief subject voor en na de rTMS-interventie weergegeven.

Er is te zien dat de geconditioneerde H-reflexen, die de vroege facilitatie vertegenwoordigen, zijn afgenomen na zowel M1- als CMS-conditionering. De controle-H-reflexen blijven daarentegen ongewijzigd. Hier wordt het gemiddelde van twee proefpersonen weergegeven, waaruit hetzelfde patroon van afname blijkt voor zowel de M1- als CMS-geconditioneerde H-reflexen, zonder enige verandering in de controle-H-reflex.

Zodra deze procedure onder de knie is, kan dit protocol in ongeveer 90 tot 120 minuten worden uitgevoerd. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om de grootte van de H-reflex constant te houden. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe conditionele stimuli kunnen worden toegepast over de primaire motorische cortex en de cervicomedullaire junctie.

Dit wordt gebruikt om vroege facilitatie te detecteren, wat staat voor synaptische input naar spinale motorneuronen die wordt gemedieerd door de snelste corticospinale verbindingen.