Wykorzystanie przezczaszkowej stymulacji magnetycznej do badania ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego

Ogólnym celem niniejszej procedury jest przeprowadzenie przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w celu wywołania potencjałów wywołanych ruchowo. Najpierw w mięśniu zginaczu promieniowym nadgarstka, a następnie w mięśniach prostownikach grzbietu. Osiąga się to poprzez przygotowanie skóry nad odpowiednimi mięśniami do zapisów elektromiograficznych oraz biomechaniczne ustawienie badanego do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej.

Punkt zapalny (hotspot) jest identyfikowany jako obszar miejsca stymulacji nad korą ruchową, który wywołuje największe potencjały wywołane ruchowo. Kolejnym krokiem jest wyznaczenie progu motorycznego. Na tym etapie przeprowadza się przezczaszkową stymulację magnetyczną pojedynczym impulsem w celu określenia amplitudy potencjału wywołanego ruchowo oraz czasu trwania okresu ciszy.

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna z podwójnym impulsem jest również wykonywana w celu ilościowego określenia ułatwienia wewnątrzkorowego oraz krótkookresowej i długookresowej inhibicji wewnątrzkorowej. Ostatecznie wskaźniki pobudliwości korowo-rdzeniowej i korowo-korowej in vivo u ludzi mogą być oceniane poprzez łączone zastosowanie przezczaszkowej stymulacji magnetycznej i elektromiografii. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą napotykać trudności, ponieważ wyprowadzenie i zrozumienie subtelnych aspektów technicznych TMS może być utrudnione wyłącznie na podstawie opisu pisemnego, a próby nauki metodą prób i błędów podczas eksperymentów i testów z udziałem ludzi wiążą się z wieloma trudnościami i wyzwaniami w demonstrowaniu procedur.

Oprócz mnie obecny będzie David Gus Jr., badacz pracujący w Ohio Musculoskeletal and Neurological Institute. Przed rozpoczęciem eksperymentu TMS należy najpierw przeprowadzić przesiew badanego zgodnie z wytycznymi screeningowymi określonymi przez Institute for Magnetic Resonance Safety Education and research, wykluczając osoby z rodzinną historią epilepsji lub napadów drgawkowych. Następnie należy umieścić elektrody powierzchniowe nad mięśniami FCR badanego na przedramieniu, stosując dwubiegunowy układ elektrod.

Elektrody należy umieścić wzdłużnie nad nieogolonym mięśniem i splotem skórnym. Należy również założyć czepek EEG, aby zaznaczyć miejsca stymulacji na głowie. Następnie należy poprosić badanego o zajęcie pozycji siedzącej z lewym ramieniem opartym w pozycji wyprostowanej w dynamometrze Biodex system four.

W niniejszym protokole będziemy stymulować prawą półkulę mózgu, która kontroluje lewe ramię, aby pobudzić mięśnie FCR. Umieść cewkę TMS w kształcie ósemki o średnicy 70 mm stycznie do skóry głowy, pod kątem 45 stopni względem linii środkowej, tak aby indukowany prąd płynął w kierunku od boczno-tylnego do przyśrodkowo-przedniego. Następnie subtelnie przesuwaj cewkę TMS w bardzo małych odstępach, aby wyznaczyć miejsce stymulacji wywołujące największy potencjał wywołany ruchowy dla mięśnia FCR. Po zlokalizowaniu tego miejsca zaznacz ten obszar niezmywalnym tuszem na skórze głowy lub na czapce.

Następnie należy określić próg motoryczny dla mięśnia FCR, podając pojedyncze impulsy przy stopniowo zwiększanej intensywności stymulacji, aż do momentu, gdy amplitudy szczyt-szczyt potencjałów wywołanych ruchowo przekroczą 50 µV w więcej niż 50% prób. Aby zbadać amplitudę potencjału wywołanego ruchowo mięśnia FCR, należy podać pojedynczy impuls TMS w wcześniej wyznaczonym punkcie zapalnym (hotspot) z intensywnością równą 130% progu motorycznego i obliczyć amplitudę szczyt-szczyt. Wynik ten można znormalizować do maksymalnego złożonego potencjału czynnościowego włókien mięśniowych zaobserwowanego po supramaksymalnej stymulacji elektrycznej nerwu pośrodkowego.

Podanie impulsu CMS do kory mózgowej podczas skurczu mięśnia wywołuje potencjał wywołany ruchowy, po którym następuje wyciszenie elektryczne przed wznowieniem aktywności. Świadczy to o hamowaniu korowo-korzeniowym. Zjawisko to jest powszechnie określane jako okres ciszy.

Aby określić okres ciszy korowo-rdzeniowej mięśnia FCR, należy podać pojedynczy impuls TMS w obszarze hotspotu z intensywnością równą 130% progu motorycznego, podczas gdy uczestnik badania wykonuje skurcz zginający nadgarstka z siłą 15% maksymalnej mocy. Aby określić ułatwienie wewnątrzkorowe przy użyciu TMS z podwójnym impulsem dla mięśnia FCR, należy najpierw ustalić intensywność bodźca niezbędną do wywołania potencjału wywołanego motorycznego o wartości od 0,5 do 1 mV. Następnie należy podać podprogowy impuls warunkujący (70% progu motorycznego) na 15 milisekund przed nadprogowym impulsem testowym; impuls warunkujący podany w tym odstępie czasu przed impulsem testowym zwiększy lub ułatwi amplitudę potencjału wywołanego motorycznego w stopniu większym niż pojedynczy impuls bez warunkowania o tej samej intensywności.

Następnie należy zastosować TMS z podwójnym impulsem w celu ilościowego określenia krótkookresowego hamowania wewnątrzkorowego, stosując tę samą procedurę, która została opisana dla pomiaru ułatwienia wewnątrzkorowego, z wyjątkiem tego, że odstęp między impulsami (inter-stimulus interval) powinien zostać zmniejszony do 3 ms. Impuls warunkujący dostarczony w tym czasie przed impulsem testowym spowoduje zmniejszenie lub zahamowanie amplitudy potencjału wywołanego ruchowo w większym stopniu niż pojedynczy impuls niewarunkowany o tej samej intensywności. Aby ilościowo określić długookresowe hamowanie wewnątrzkorowe za pomocą TMS z podwójnym impulsem, należy dostarczyć dwa identyczne nadprogowe impulsy testowe oddzielone odstępem 100 ms.

W przypadku mięśnia zginacza promieniowego nadgarstka (FCR), potencjał wywołany motorycznie związany z drugim impulsem będzie mniejszy lub silniej zahamowany niż ten związany z pierwszym. Dalej. W celu stymulacji mięśnia prostownika grzbietu należy poprosić badanych o zajęcie miejsca w krześle obrotowym, tak aby udo znajdowało się pod kątem 90 stopni względem tułowia, podudle pod kątem około 45 stopni względem uda, kręgosłup lędźwiowy w neutralnej, wyprostowanej pozycji, a dłoń spoczywała na kolanach. W celu stymulacji mięśni prostownika grzbietu należy zastosować układ elektrod rozmieszczonych wzdłużnie nad mięśniami na poziomie kręgów L3–L5, na ogolonej i oczyszczonej skórze, aby komfortowo zlokalizować miejsce stymulacji korowej mięśnia prostownika grzbietu.

W niniejszej procedurze wykorzystujemy pomiary antropometryczne do zidentyfikowania wierzchołka czaszki, wyznaczając punkt przecięcia płaszczyzny strzałkowej między nasion a inion oraz płaszczyzny czołowej między torusami, który zostaje oznaczony jako wierzchołek w celu stymulacji mięśni prostowników grzbietu. Używamy cewki o podwójnym stożku, która charakteryzuje się większą głębokością penetracji, dzięki czemu może dotrzeć do reprezentacji tych mięśni położonych głębiej w homunkulusie. Cewka jest tutaj ustawiona w taki sposób, aby prąd płynął w kierunku od przodu do tyłu.

Cewka została tutaj zmodyfikowana w sposób niestandardowy poprzez dodanie systemu mocowania lasera, co ułatwia nam późniejsze repozycjonowanie cewki podwójnego stożka w celu wyznaczenia progu motorycznego dla mięśni prostowników grzbietu. Wcześniej zaprezentowana metoda dla kończyny górnej nie powinna być stosowana, ponieważ stymulacja mięśni pleców nie jest dobrze tolerowana. Zamiast tego, należy rozpocząć protokół TMS od podania początkowego pojedynczego impulsu przy 50% maksymalnej mocy stymulatora, aby ustalić, czy natężenie tego bodźca znajduje się powyżej czy poniżej progu motorycznego.

Aby zbadać amplitudę potencjału wywołanego ruchowo mięśni prostowników grzbietu, należy podać pojedynczy impuls TMS w obszarze vertex z intensywnością wyższą o 40 lub 50% od intensywności podprogowej. Potencjałów wywołanych ruchowo nie można znormalizować, ponieważ nerwy obwodowe unerwiające mięśnie ES nie są dostępne do stymulacji elektrycznej. Należy zauważyć, że podczas stymulacji grupy mięśni ES, kilka innych grup mięśniowych jest również stymulowanych jednocześnie w sposób widoczny i gwałtowny, w tym mięśnie kończyn dolnych, które są reprezentowane w tym samym ogólnym obszarze homunkulusa.

Aby wykorzystać TMS z podwójnym impulsem do określenia ułatwienia wewnątrzkorowego dla grupy mięśni prostowników grzbietu, natężenie impulsu warunkującego należy ustawić na obserwowany próg podmotorowy. Natężenie to powinno wynosić 40% lub 50% wyjścia stymulatora, natomiast natężenie impulsu testowego należy ustawić na 40% powyżej poziomu progu podmotorowego, co odpowiada 80% lub 90% wyjścia stymulatora. Następnie, aby ilościowo określić krótkookresowe hamowanie wewnątrzkorowe, należy zastosować tę samą procedurę, która została opisana dla pomiaru ułatwienia wewnątrzkorowego, z wyjątkiem tego, że odstęp między bodźcami (ISI) między dwoma impulsami powinien zostać zredukowany do 3 ms. Po zakończeniu eksperymentu pomóż w zdjęciu elektrod oraz czepka i pamiętaj, aby podziękować badanemu za udział.

Przedstawione tutaj zapisy EMG obrazują odpowiedź w postaci potencjałów wywołanych ruchowo (MEP) przy stopniowo zwiększanej intensywności bodźca, wyrażonej jako procent wyjściowej mocy stymulatora (%so). Należy zauważyć, że przy niskich intensywnościach wywołano bardzo małe MEP, natomiast przy 32%so uzyskano MEP, który osiągnął próg motoryczny. Okres ciszy obserwuje się, gdy badany wykonuje lekkie napięcie mięśniowe, a do kory ruchowej przyłożony zostaje pojedynczy bodziec.

Pierwsza część okresu ciszy wynika z inhibicji rdzeniowej, natomiast późniejsza przypisywana jest inhibicji korowej, a konkretnie receptorom GABA B. Tutaj widzimy zmianę wielkości potencjałów wywołanych ruchowo podczas TMS z podwójnym impulsem w pomiarze mięśnia FCR; można zaobserwować pomiar krótkookresowej inhibicji wewnątrzkorowej (SICI) oraz ułatwienia wewnątrzkorowego (ICF). A tutaj widzimy przykład zapisów EMG z mięśni prostowników grzbietu oraz pomiar krótkookresowej inhibicji wewnątrzkorowej i ułatwienia wewnątrzkorowego.

Na koniec widzimy przykład pomiaru długookresowego hamowania wewnątrzkorowego (LICI). Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat przeprowadzania TMS z pojedynczym i sparowanym impulsem w odniesieniu do mięśnia zginacza promieniowego nadgarstka, a także do mięśni prostowników grzbietu. Należy zauważyć, że prezentacje w tych grupach mięśniowych są jedynie wybranymi przykładami wykorzystania TMS do badania ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego.

Należy pamiętać, że praca z ludźmi może narażać zdrowie poszczególnych osób na ryzyko. Ważne jest upewnienie się, że wystawienie danej osoby na działanie silnego pola magnetycznego jest bezpieczne, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować należytą ostrożność.