Wykorzystanie przezczaszkowej stymulacji magnetycznej do badania ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego

Podsumowanie

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) to nieinwazyjne narzędzie do uzyskania wglądu w fizjologię i funkcję ludzkiego układu nerwowego. W tym miejscu przedstawiamy nasze techniki TMS do badania pobudliwości korowej kończyny górnej i mięśni lędźwiowych.

Streszczenie

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) jest stosowana od ponad 20 ^lat1, a jej popularność gwałtownie wzrosła w ciągu ostatniej dekady. Podczas gdy zastosowanie TMS rozszerzyło się w tym czasie na badanie wielu systemów i procesów, oryginalne zastosowanie i być może jedno z najczęstszych zastosowań TMS obejmuje badanie fizjologii, plastyczności i funkcji ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego. Pojedynczy impuls TMS zastosowany do kory ruchowej pobudza neurony piramidowe transsynaptycznie ² (ryc. 1) i powoduje mierzalną odpowiedź elektromiograficzną, którą można wykorzystać do badania i oceny integralności i pobudliwości drogi korowo-rdzeniowej u ludzi ³. Dodatkowo, ostatnie postępy w stymulacji magnetycznej pozwalają obecnie na podział pobudliwości korowej i rdzeniowej ^4,5. Na przykład TMS z parowanym impulsem można wykorzystać do oceny wewnątrzkorowych właściwości ułatwiających i hamujących poprzez połączenie bodźca kondycjonującego i bodźca testowego w różnych odstępach między bodźcami ^3,4,6-8. W tym artykule wideo pokażemy metodologiczne i techniczne aspekty tych technik. W szczególności zademonstrujemy techniki TMS z pojedynczym impulsem i sparowanym impulsem w zastosowaniu do mięśnia zginacza nadgarstka promieniowego (FCR), a także mięśnia prostownika kręgosłupa (ES). Nasze laboratorium bada mięsień FCR, ponieważ jest on przedmiotem naszych badań nad wpływem unieruchomienia gipsu nadgarstka i dłoni na zmniejszoną wydajność mięśni^6,9, a także badamy mięśnie ES ze względu na znaczenie kliniczne tych mięśni w odniesieniu do bólu krzyża⁸. Mając to na uwadze, powinniśmy zauważyć, że TMS był używany do badania wielu mięśni dłoni, ramienia i nóg, i powinniśmy powtórzyć, że nasze demonstracje w grupach mięśniowych FCR i ES są tylko wybranymi przykładami TMS używanymi do badania ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego.

Protokół

1. TMS z pojedynczym i sparowanym impulsem mięśni FCR i ES

1. Podstawowe środki ostrożności: Przed wykonaniem TMS na człowieku należy najpierw przebadać go pod kątem podstawowych środków ostrożności, jeśli chodzi o narażenie na pole magnetyczne. W naszym laboratorium postępujemy zgodnie z wytycznymi Instytutu Bezpieczeństwa, Edukacji i Badań nad Rezonansem Magnetycznym ¹⁰. W naszym laboratorium rutynowo wykluczamy również osoby, u których w rodzinie występowały napady padaczki. Wymagamy również, aby osoby poddawane TMS mięśni ES nosiły zatyczki do uszu i ochraniacz na zęby ze względu na mniejszą ogniskowość i większą intensywność stymulacji.
2. Zapisy elektryczne: Aby zbadać reakcje TMS w układzie ruchowym, konieczne jest rejestrowanie sygnałów elektromiograficznych (EMG) z mięśni szkieletowych. W przypadku mięśnia FCR umieszczamy elektrody powierzchniowe na przedramieniu za pomocą dwubiegunowego układu elektrod umieszczonych wzdłużnie nad mięśniem na ogolonej i przetartej skórze, jak opisaliśmy wcześniej ^7,11. W przypadku mięśni prostowników grzbietu używamy podobnego układu elektrod umieszczonych wzdłużnie nad mięśniami na poziomie kręgów L3-L5 na ogolonej i przetartej skórze ⁸.
3. Orientacja cewki TMS: Aby głównie aktywować neurony korowo-rdzeniowe transsynaptycznie, konieczne jest odpowiednie ustawienie cewki TMS ¹². W przypadku mięśni FCR umieszczamy 70-milimetrową cewkę TMS w kształcie ósemki styczną do skóry głowy i pod kątem 45 stopni do linii środkowej, tak aby indukowany prąd płynął w kierunku bocznym, tylnym do przyśrodkowo-przedniego. W przypadku mięśni ES używamy cewki z podwójnym stożkiem, która ma większą głębokość penetracji i jest potrzebna ze względu na reprezentację tych mięśni znajdujących się głębiej w homunkulusie. Tutaj cewka jest umieszczona w taki sposób, że prąd płynie w kierunku od przodu do tyłu. Zmodyfikowaliśmy naszą cewkę na zamówienie za pomocą laserowego systemu mocowania, który pomaga nam w późniejszym ponownym pozycjonowaniu cewki z podwójnym stożkiem.
4. Identyfikacja "Hotspotu": Konieczne jest określenie miejsca stymulacji, które wywołuje największy potencjał wywołany silnikiem. W przypadku mięśnia FCR robimy to, subtelnie przesuwając cewkę TMS w bardzo małych krokach i określając, gdzie obserwujemy największą amplitudę potencjału wywołanego silnikiem. Po zlokalizowaniu odnotowujemy ten obszar za pomocą nieusuwalnego tuszu na skórze głowy lub czapce z lycry. TMS mięśni ES jest znacznie bardziej niewygodny dla ludzi niż TMS mięśni kończyn górnych. W związku z tym uprościliśmy nasz protokół TMS dla mięśni ES, aby zwiększyć jego tolerancję i wykonalność. Tutaj, zamiast lokalizować "gorący punkt", używamy pomiarów antropometrycznych do identyfikacji wierzchołka czaszki. W szczególności identyfikujemy wierzchołek jako przecięcie czaszki w płaszczyźnie strzałkowej (między nasinonem a jonem) i koronalnej (między tragusem).
5. Pozycjonowanie biomechaniczne: W naszym laboratorium, gdy wykonujemy TMS mięśni FCR, badani siedzą z ramieniem spoczywającym w wyprostowanej pozycji w dynamometrze BioDex System 4 (ryc. 2). Należy jednak zauważyć, że jest to tylko przykład jednego z możliwych ustawień do pomiaru wywieranych sił. W przypadku mięśni ES badani są proszeni o siedzenie w pozycji wyprostowanej, podczas gdy ich ręce spoczywają na kolanach (ryc. 3). Siedzą na krześle z obrotową podstawą z udem pod kątem 90° w stosunku do tułowia, dolną częścią nogi pod kątem ~45° w stosunku do uda, a kręgosłupem lędźwiowym w pozycji neutralnej8.
6. Kwantyfikacja progu motorycznego: W przypadku FCR określamy próg motoryczny (MT), dostarczając pojedyncze impulsy przy stopniowo rosnącej intensywności stymulacji, aż potencjały wywołane silnika osiągną amplitudy między szczytami większą niż 50 mikrowoltów w ponad 50% prób (ryc. 4). Aby uprościć protokół TMS oraz zwiększyć tolerancję i wykonalność, nie określamy progu motorycznego w mięśniach ES z taką samą precyzją, jak podczas badania mięśni kończyn górnych. Zamiast tego rozpoczynamy protokół TMS od dostarczenia początkowego pojedynczego impulsu przy 50% maksymalnej mocy wyjściowej stymulatora, aby określić, czy intensywność tego bodźca jest powyżej czy poniżej progu motorycznego. Jeśli MEP jest obserwowany przy tej intensywności bodźca - zdefiniowanej jako dostrzegalny MEP w stosunku do poziomu tła EMG - intensywność jest zmniejszana do 40% mocy wyjściowej stymulatora w celu określenia, czy ta intensywność bodźca jest sub- czy ponadprogowa ⁸.
7. Kwantyfikacja amplitudy MEP za pomocą TMS z pojedynczym impulsem: Aby zbadać amplitudę potencjału wywołanego silnikiem FCR, dostarczamy pojedynczy impuls TMS do "gorącego punktu" o natężeniu równym 130% progu silnika i obliczamy amplitudę między szczytami. Ogólnie rzecz biorąc, normalizujemy ten wynik do maksymalnego potencjału czynnościowego włókien mięśniowych związku obserwowanego po supramaksymalnej stymulacji elektrycznej nerwu pośrodkowego. Powinniśmy zauważyć, że rozmiar MEP jest bardzo zależny od stopnia pobudliwości korowej. W związku z tym, gdy impuls TMS jest dostarczany podczas skurczu tła, gdy zwiększa się pobudliwość kory mózgowej, rozmiar MEP dramatycznie wzrośnie. W przypadku mięśni ES dostarczamy pojedynczy impuls TMS do wierzchołka o intensywności 40 lub 50% powyżej intensywności progu podmotorycznego ⁸. Niestety, ponieważ nerwy obwodowe unerwiające mięśnie ES nie są dostępne dla stymulacji elektrycznej, nie jesteśmy w stanie znormalizować tych motorycznych potencjałów wywołanych do złożonego potencjału czynnościowego włókien mięśniowych.
8. Kwantyfikacja czasu trwania okresu ciszy za pomocą TMS z pojedynczym impulsem: Kiedy impuls TMS jest dostarczany do kory mózgowej podczas skurczu mięśni, wytwarza potencjał wywołany silnikiem, po którym następuje spoczynek elektryczny przed wznowieniem aktywności, co wskazuje na hamowanie korowo-rdzeniowe i powszechnie określa się jako okres ciszy ¹³ (Rysunek 5). Aby określić ilościowo okres ciszy, dostarczamy pojedynczy impuls TMS do "gorącego punktu" o intensywności równej 130% progu motorycznego, podczas gdy uczestnik badania wykonuje skurcz mięśni zgiętych nadgarstka przy 15% ich maksymalnej siły. Wcześniej nie określiliśmy ilościowo czasu trwania okresu milczenia mięśni ES; Powinniśmy jednak zauważyć, że anegdotycznie zaobserwowaliśmy jego istnienie w tej grupie mięśni, gdy identyfikator impulsu TMS został dostarczony podczas skurczu w tle.
9. Kwantyfikacja ułatwienia wewnątrzkorowego za pomocą TMS z parowanym impulsem: Używamy TMS z parowanym impulsem do ilościowego określenia ułatwienia wewnątrzkorowego ^6,7 (ryc. 6 i 7 reprezentują ten pomiar odpowiednio dla mięśni FCR i ES). W przypadku mięśnia FCR najpierw określamy intensywność bodźca potrzebną do wywołania potencjału wywołanego silnika, który wynosi od 0,5 do 1,0 mV. Następnie dostarczamy podprogowy impuls kondycjonujący - który w naszym laboratorium jest zwykle ustawiony na 70% progu motorycznego - 15 ms przed impulsem testowym suprathreshold. Ten impuls kondycjonujący dostarczony w tym okresie czasu przed impulsem testowym zwiększy lub ułatwi amplitudę potencjału wywołanego silnika bardziej niż pojedynczy bezwarunkowy impuls o tej samej intensywności. Dla grupy mięśni ES intensywność impulsu kondycjonującego jest ustawiana na obserwowaną intensywność progu podmotorycznego (40% lub 50% wyjścia stymulatora), a intensywność impulsu testowego jest ustawiana na 40% powyżej poziomu progu podmotorycznego (80% lub 90% wyjścia stymulatora)⁸. Należy zauważyć, że intensywność impulsów kondycjonujących może być różna w zależności od celu badania. Podobnie interwały tętna mogą się różnić w zależności od mięśnia i jego położenia względem kory.
10. Kwantyfikacja krótkotrwałego hamowania wewnątrzkorowego za pomocą TMS z sparowanym impulsem: Używamy również TMS z sparowanym impulsem do ilościowego określenia krótkotrwałego hamowania wewnątrzkorowego ^6,7 (Figura 6 i 7 reprezentują ten pomiar odpowiednio dla mięśni FCR i ES). W tym przypadku, zarówno dla mięśni FCR, jak i ES, procedury są takie same, jak opisano w przypadku pomiaru ułatwienia wewnątrzkorowego, z wyjątkiem tego, że odstęp między bodźcami między dwoma impulsami jest zmniejszony do 3 ms. Ten impuls kondycjonujący dostarczony w tym okresie czasu przed impulsem testowym zmniejszy lub zahamuje amplitudę potencjału wywołanego silnika bardziej niż pojedynczy bezwarunkowy impuls o tej samej intensywności.
11. Kwantyfikacja długookresowego hamowania wewnątrzkorowego za pomocą TMS z parowanym impulsem: Dostarczenie dwóch identycznych impulsów testowych supraprogowych, które są oddalone od siebie o 100 milisekund, można również wykorzystać do oceny długotrwałego hamowania wewnątrzkorowego ^6,7. W tym przypadku - w przypadku mięśnia FCR - potencjał wywołany silnika związany z drugim impulsem będzie mniejszy lub bardziej zahamowany niż ten związany z pierwszym impulsem (ryc. 8). Wcześniej nie określiliśmy ilościowo długowałowego hamowania wewnątrzkorowego w mięśniach ES z powodu obaw o tolerancję pacjenta.

2. Reprezentatywne wyniki:

Po dostarczeniu ponadprogowego impulsu TMS, stymulowane mięśnie powinny wykazywać łatwo obserwowalną odpowiedź EMG (MEP) (zilustrowane na rysunkach 4-8). Opóźnienie między początkiem bodźca a MEP będzie się różnić w zależności od badanych grup mięśni, ale dla FCR wynosi zwykle 16-19 ms (ryc. 6), a dla ES 17-22 ms (ryc. 7; chociaż należy zauważyć, że u niektórych osób ostateczny początek MEP w mięśniach ES jest trudniejszy do wizualnej identyfikacji). Należy zauważyć, że podczas badania grupy mięśni ES kilka innych grup mięśni jest również widocznie i dramatycznie stymulowanych jednocześnie (w tym mięśnie kończyny dolnej, które są reprezentowane w tym samym ogólnym obszarze homunkulusa). Podczas pomiaru poprowadzenia wewnątrzkorowego amplituda MEP jest na ogół większa niż obserwowana przy pojedynczym impulsie bezwarunkowym (ryc. 6 i 7). Jednak z naszego doświadczenia wynika, że stopień ułatwienia różni się w zależności od grupy mięśni, przy czym niektóre grupy mięśni - takie jak FCR - wykazują tylko umiarkowane ułatwienie w wielu przedmiotach. W przypadku pomiaru krótko- i długo- interwałowego hamowania dokorowego obserwuje się na ogół spadek amplitudy MEP w porównaniu z pojedynczym bezwarunkowym impulsem o tej samej intensywności (ryc. 6-8).

Rysunek 1. Podstawowe mechanizmy TMS. Cewka TMS indukuje pole magnetyczne, które przenika do skóry głowy i indukuje prąd wirowy w korze ruchowej. Ten prąd wirowy jest następnie w stanie stymulować neurony w mózgu. Rycina przedrukowana z McGinley and Clark, In Press¹⁴.

Rysunek 2. Konfiguracja do wykonywania TMS na mięśniu FCR. Zwróć uwagę na zapis sygnałów elektromiogramu (EMG) z przedramienia i wiosła TMS nad korą ruchową. Na ogół rejestrujemy również siły mięśniowe i stosujemy elektryczną stymulację nerwów obwodowych w celu uzyskania maksymalnego potencjału czynnościowego włókien mięśniowych związku, ponieważ jest to przydatne w interpretacji wartości amplitudy (np. można wyrazić i MEP w odniesieniu do maksymalnej odpowiedzi mięśni, w przeciwieństwie do bezwzględnej wartości mV, na którą mogą mieć duży wpływ czynniki niefizjologiczne, takie jak podskórna tkanka tłuszczowa). Rysunek przedrukowany z następujących: Clark i in. 2008⁹, Clark i wsp., 2010⁶ oraz McGinley i in. 2010⁷.

Rysunek 3. Zestaw do wykonywania TMS na mięśniach prostowników kręgosłupa. Rysunek przedrukowany z Goss et al. 2011⁸.

Rysunek 4. Przykład wyznaczenia progu motorycznego. Ślady EMG reprezentują reakcję motorycznego potencjału wywołanego (MEP) na stopniowo zwiększającą się intensywność bodźca (reprezentowaną jako procent mocy stymulacyjnej (SO)). Należy zauważyć, że przy niższych intensywnościach (28-30% SO) wywoływano bardzo małe MEP (podpróg), ale przy 32% SO wywoływano MEP, który osiągał próg motoryczny (zwykle definiowany jako MEP o amplitudzie p-p > 50 μV).

Rysunek przedrukowany z McGinley and Clark, In Press¹⁴.

Rysunek 5. TMS podczas skurczu: potencjał wywołany silnikiem i okres ciszy. Okres ciszy obserwuje się, gdy badany wykonuje lekki skurcz, a pojedynczy bodziec jest przykładany do kory ruchowej. Pierwsza część okresu milczenia jest spowodowana hamowaniem rdzenia kręgowego, a druga część jest przypisywana hamowaniu kory mózgowej, a konkretnie receptorów GABA_B. Nie ma jednomyślnego sposobu na ilościowe określenie czasu trwania okresu ciszy, ale nasze odkrycia wskazują, że zdefiniowanie go od początku bodźca lub początku MEP do powrotu sygnału elektromiogramu z dobrowolnymi zakłóceniami jest najbardziej wiarygodne¹⁵,
Rysunek przedrukowany z Clark and Quick, 2011¹⁶, oraz McGinley and Clark, In Press¹⁴.

Rysunek 6. Zmiana potencjału wywołanego silnika o wielkości sparowanego impulsu TMS mięśnia FCR. Pomiar krótkotrwałego hamowania dokorowego (SICI) i ułatwienia wewnątrzkorowego (ICF). Aby określić ilościowo SICI i ICF, impuls kondycjonujący (CP) jest ustawiony poniżej progu silnika, a impuls testowy (TP) jest ustawiony tak, aby wywoływać MEP w zakresie 0,5-1 mV. W krótkich interwałach między bodźcami (np. 3 ms) CP hamuje MEP w porównaniu tylko z TP (SICI), podczas gdy w dłuższych interwałach międzybodźcowych (np. 15 ms) ułatwia MEP (ICF).

CP: puls kondycjonujący, TP: impuls testowy Przedruk z Clark et al., 2010⁶, McGinley et al. 2010¹⁴, Clark and Quick, 2011¹⁶, oraz McGinley and Clark, In Press¹⁴.

Rysunek 7. Zmiana potencjału wywołanego silnika o wielkości sparowanego impulsu TMS mięśnia ES. Przykład zapisów EMG z mięśni prostowników grzbietu oraz pomiar krótkotrwałego hamowania wewnątrzkorowego (SICI) i ułatwienia wewnątrzkorowego (ICF).
Rysunek przedrukowany z Goss et al. 2011⁸.

Rysunek 8. Zmiana potencjału wywołanego silnika o wielkości ze sparowanym impulsem TMS. Pomiar długookresowego hamowania wewnątrzkorowego (LICI). Aby określić ilościowo LICI, dostarczane są dwa impulsy testowe w odstępie między bodźcami wynoszącym 100 ms. Powoduje to, że drugi poseł do PE jest zablokowany w porównaniu z pierwszym posłem do Parlamentu Europejskiego.
Rysunek przedrukowany z Clark et al., 2010⁶, McGinley et al. 2010⁷ oraz McGinley and Clark, In Press¹⁴.

Dyskusja

Ogólnym celem tego artykułu jest przedstawienie naukowcom i klinicystom wizualnego opisu wykorzystania przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w naszych laboratoriach. Jednak oprócz wizualizacji tych eksperymentów, poniżej omawiamy podstawowe kwestie, które należy wziąć pod uwagę podczas wykonywania TMS w ten sposób, przedstawiamy krótki przegląd fizjologii odpowiedzi TMS, a także omawiamy nasze zastosowanie TMS w odniesieniu do użycia innych.

Ogólne kwestie, o których należy pamiętać podczas wy...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Przezczaszkowy stymulator magnetyczny 2002 Przezczaszkowy stymulator magnetyczny Bi-Stim2 Figura ósemkowa 70-milimetrowa cewka z podwójnym stożkiem	Sprzęt Magstim	NA	TMS (w tym cewki)
Biodex System 4	Biodex	NA	Dynamometr
Biopac MP150 System akwizycji danych	Biopac Systems, Inc.	MP150WSW	Przetwornik A-D dla EMG i siły
AcqKnowledge 4.0 Oprogramowanie do akwizycji danych	Biopac Systems, Inc.
Elektrody EKG Nikomed Trace 1	Elektrody EMG	Nikomed	2015
Stymulator prądu stałego	Digitimer Sp. z o.o.	DS7A	Stymulator nerwów obwodowych