Nieinwazyjna ocena zmian w przekaźnictwie kortykomotoneuronalnym u ludzi
24 maja 2017
Celem niniejszego badania było oszacowanie zmian w transmisji w synapsach korowo-motorycznych u ludzi po powtarzającej się przezczaszkowej stymulacji magnetycznej. W tym celu wprowadza się metodę elektrofizjologiczną, która pozwala na ocenę szlaku specyficznego dla przekaźnictwa korowo-rdzeniowego, czyli różnicowania szybkich, bezpośrednich szlaków korowo-rdzeniowych od połączeń polisynoptycznych.
Ogólnym celem tego eksperymentu neurofizjologicznego jest ocena zmian w transmisji w synapsach kortykomotoneuronalnych u ludzi po powtarzającej się przezczaszkowej stymulacji magnetycznej. Technika warunkowania H-Reflex może pomóc i odpowiedzieć na pytania w dziedzinie neuronauki, takie jak lepsze zrozumienie podstawowych mechanizmów i miejsc neuroplastyczności. Szczególnie interesowała nas plastyczność zachodząca między drogą korowo-rdzeniową a neuronem ruchowym, synapsą kortykomotoneuronalną.
Główną zaletą tej techniki, w porównaniu z potencjałami pomiarowymi i złożonymi, jest to, że możliwe jest zmierzenie danych synaptycznych wytwarzanych przez odrębne połączenia korowo-rdzeniowe z rdzeniowymi neuronami ruchowymi. Istnieją co najmniej dwie dodatkowe zalety warunkowych odruchów H w porównaniu z potencjałami złożonymi. Po pierwsze, możliwe jest wykrycie wpływu nawet słabych salw korowo-rdzeniowych, a po drugie, możliwe jest oszacowanie skutków dłuższych salw korowo-rdzeniowych.
Przed eksperymentem należy najpierw przebadać osobę badaną pod kątem zagrożeń medycznych TMS, takich jak historia napadów padaczkowych, uzyskać pisemną i świadomą zgodę oraz poinformować uczestnika o celu eksperymentu. Przygotuj skórę do umieszczenia elektrody powierzchniowej nad mięśniem płaszczkowatym poprzez golenie, dezynfekcję propanolem i lekkie ścieranie skóry. Następnie umieść elektrody powierzchniowe, aby zmierzyć odpowiedzi elektrofizjologiczne.
Sprawdź sygnały EMG na ekranie, podczas gdy osoba badana wykonuje zgięcie podeszwowe i grzbietowe. W przypadku kondycjonowania H-Reflex najpierw użyj taśmy, aby zamocować anodę o wymiarach pięć na pięć centymetrów w przedniej części kolana, tuż pod rzepką. Zastosuj stymulację impulsami fali prostokątnej trwającymi jedną milisekundę i przesuwaj katodę na dole podkolanowym, aż znajdzie się optymalna pozycja do stymulacji.
Następnie umieść elektrodę samoprzylepną na skórze i przymocuj ją taśmą. Przed eksperymentem najpierw zapisz krzywą rekrutacji HM. Oblicz H-refleksy i M-fale jako amplitudy EMG od szczytu do szczytu online w oprogramowaniu do nagrywania.
Dostosuj rozmiar H-Reflex do 20% maksymalnej fali M-Wave. Najpierw wykonaj procedurę kalibracji systemu neuronawigacyjnego. Użyj cewki ósemkowej, aby stymulować obszar kory ruchowej badanego, przeciwnie do umieszczonych elektrod.
Aby znaleźć optymalne miejsce do stymulacji, najpierw umieść cewkę jeden centymetr przed wierzchołkiem. Skieruj ten uchwyt cewki do tyłu, aby wywołać tylny lub przedni strumień indukowanego prądu w środku cewki. Zidentyfikuj pozycję, w której potencjały wywołane motoryczne mogą być wywołane przy minimalnej intensywności stymulacji.
W tym momencie połóż głowę fotografowanej osoby na stole i użyj sztywnej pianki, aby zapobiec ruchom. Użyj systemu nawigacyjnego TMS sterowanego obrazem do monitorowania cewki i pozycji głowicy przez cały czas trwania eksperymentu. Następnie przymocuj cewkę do stojaka, a głowę badanego do krzesła i przymocuj cewkę za pomocą pasków na rzepy do głowy.
Następnie określ minimalną intensywność wymaganą do wywołania potencjałów wywołanych silnikiem o amplitudach EMG od szczytu do szczytu większych niż 50 mikrowoltów w sześciu z 10 kolejnych prób. Jest to spoczynkowy próg motoryczny badanego. Umieść również cewkę magnetyczną z podwójnym stożkiem na złączu szyjnym i rdzeniowym, aby wzbudzić aksony drogi korowo-rdzeniowej.
Ustaw cewkę tak, aby pierwsza pochodna indukowanego prądu była skierowana w stronę czaszki i aby jej centralne położenie znajdowało się na lub w pobliżu enium. Na początek najpierw upewnij się, że rozmiar kontrolnego H-Reflex pozostaje stały przez cały czas trwania eksperymentu. Jeśli zostanie wykryte odchylenie, dostosuj intensywność stymulacji przed kolejnym badaniem.
Teraz dostosuj intensywność stymulacji cewki TMS nad korą ruchową do zakresu od 90% do 100% progu motorycznego badanego. Ustaw również intensywność stymulacji rdzenia szyjnego na 100% maksymalnej mocy stymulatora. Zacznij od kondycjonowania H-Reflex za pomocą stymulacji kory ruchowej w spoczynku.
Zastosuj TMS i stymulację nerwów obwodowych, zmieniając czas między dwoma bodźcami, aby umożliwić ocenę zmian w przekaźnictwie kortykomotoneuronalnym. Zacznij od interwału między bodźcami wynoszącego minus pięć milisekund, co oznacza, że stymulacja nerwów obwodowych jest zabroniona pięć sekund przed TMS, a następnie zmieniaj ten interwał w krokach co milisekundy od minus pięciu milisekund do jednej milisekundy. W zależności od interwału bodźców, H-Reflex może być przesunięty do przodu w stosunku do salwy zstępującej, gdzie może być przesunięty w prawo, dzięki czemu można przetestować wolniejsze drogi korowo-rdzeniowe.
Zmieniaj losowo odstęp między próbami, aby wyeliminować stronniczość wynikającą z kolejności bodźców i ustaw przerwę między próbami stymulacji na cztery sekundy. Wczesna facylitacja powinna następować w odstępach od minus czterech do minus dwóch milisekund. Następnie kondycjonuj H-Reflex za pomocą stymulacji magnetycznej nad połączeniem szyjnym i rdzeniowym.
Używaj interwałów między bodźcami od minus dziewięciu do minus trzech milisekund w krokach co jedną milisekundę. Zastosuj te interwały TMS w obu lokalizacjach razem w każdej próbie i zarejestruj wynikowe kontrolne potencjały H-Reflex i motoryczne. Użyj kontrolnego H-Reflex jako odniesienia dla uwarunkowanych H-odruchów i potencjału wywołanego motoryką kontrolną, aby zapewnić porównywalne warunki stymulacji.
Po zakończeniu pomiaru wstępnego ustaw intensywność stymulacji na 1,2-krotność progu motorycznego pacjenta i zastosuj powolną, powtarzalną interwencję TMS. Stymuluj pierwszorzędową korę ruchową w jednym hercu przez 20 minut, aby wywołać długotrwałe tłumienie pobudliwości korowo-rdzeniowej. Krzywa kondycjonowania H-Reflex po kondycjonowaniu M1 jest wyświetlana tutaj, podczas gdy krzywa kondycjonowania H-Reflex po kondycjonowaniu CMS jest pokazana tutaj.
Wczesna facylitacja TMS w pierwszorzędowej korze ruchowej występuje w odstępach między bodźcami wynoszących minus trzy milisekundy. Zauważ, że wczesna facylitacja po warunkowaniu CMS występuje około trzech do czterech milisekund wcześniej w odstępie między bodźcami wynoszącym około minus siedem milisekund. W tym miejscu wyświetlane są średnie z 10 śladów dla jednego reprezentatywnego pacjenta przed i po interwencji rTMS.
Można zauważyć, że uwarunkowane odruchy H, reprezentujące wczesną facylitację, są zmniejszone zarówno po kondycjonowaniu M1, jak i CMS. Natomiast H-Reflexy kontrolne pozostają niezmienione. I tutaj wyświetlana jest średnia dwóch badanych, pokazująca ten sam wzorzec redukcji zarówno w M1, jak i CMS uwarunkowanych odruchami H, bez żadnej zmiany w kontrolnym odruchu H.
Po opanowaniu tego protokołu można to zrobić w około 90 do 120 minut. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby utrzymać stały rozmiar H-Reflex. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak stosować bodźce kondycjonujące na pierwszorzędową korę ruchową i połączenie szyjne i szyjne.
Służy to do wykrywania wczesnego ułatwienia, które stanowi synaptyczne wejście do rdzeniowych neuronów ruchowych, w których pośredniczą najszybsze połączenia korowo-rdzeniowe.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje zmiany w transmisji w synapsach kortykomotoneuronalnych u ludzi po powtarzalnej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (rTMS). Wprowadzono metodę elektrofizjologiczną pozwalającą na rozróżnienie między szybkimi, bezpośrednimi drogami korowo-rdzeniowymi a połączeniami wielosynaptycznymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Elektrofizjologia
- Neuroplastyczność
Wprowadzenie
- Synapsy kortykomotoneuronalne odgrywają kluczową rolę w kontroli motorycznej.
- Repetywna przezczaszkowa stymulacja magnetyczna jest wykorzystywana do badania neuroplastyczności.
- Technika warunkowania odruchu H dostarcza informacji na temat przekazywania synaptycznego.
- Zrozumienie tych mechanizmów może poszerzyć wiedzę o funkcji neuronów ruchowych.
Cel badania
- Ocena zmian w przekaźnictwie synaptycznym po zastosowaniu rTMS.
- Różnicowanie między bezpośrednimi a pośrednimi drogami korowo-rdzeniowymi.
- Badanie plastyczności w synapsie korowo-motoneuronalnej.
Zastosowane metody
- Elektrofizjologiczna ocena przewodnictwa korowo-rdzeniowego.
- Technika warunkowania odruchu H w celu oceny wkładu synaptycznego.
- Porównanie szybkich dróg bezpośrednich z połączeniami wielosynaptycznymi.
- Analiza wpływu salw korowo-rdzeniowych.
Główne wyniki
- Identyfikacja odrębnych połączeń korowo-rdzeniowych z motoneuronami rdzeniowymi.
- Wykrywanie słabych wyładowań korowo-rdzeniowych.
- Ocena wyładowań korowo-rdzeniowych o dłuższym czasie latencji.
- Wgląd w mechanizmy neuroplastyczności w obrębie synapsy.
Wnioski
- Badanie to poszerza wiedzę na temat przekazywania synaptycznego w układzie korowo-motoneuronalnym.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia mechanizmów neuroplastyczności.
- Metody elektrofizjologiczne pozwalają skutecznie rozróżnić ścieżki synaptyczne.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zrozumienie przekaźnictwa synaptycznego na poziomie korowo-motoneuronalnym dostarcza wglądu w mechanizmy neuroplastyczności istotne dla walidacji celów w poszukiwaniu leków na schorzenia OUN. Technika warunkowania odruchu H pozwala na rozróżnienie szybkich i wielosynaptycznych dróg korowo-rdzeniowych, co wspiera ograniczanie ryzyka w przypadku hipotez terapeutycznych obejmujących modulację obwodów ruchowych. Podejście to stanowi pomost translacyjny między modelami przedklinicznymi a fizjologią człowieka, zwiększając pewność predykcyjną w zakresie oddziaływania na cel i modulacji ścieżek sygnałowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez ocenę wejścia synaptycznego z odrębnych połączeń korowo-rdzeniowych do rdzeniowych neuronów ruchowych.
- Wartość operacyjna: Wykrywa wpływ słabych serii impulsów korowo-rdzeniowych i ocenia drogi o dłuższej latencji, co zwiększa czułość na subtelne efekty neurofarmakologiczne.
- Wartość translacyjna: Rozróżnia efekty korowe od rdzeniowych przy użyciu stymulacji w dwóch miejscach (kora ruchowa i połączenie szyjno-rdzeniowe), co wspiera mechanistyczną analizę ryzyka w odniesieniu do celów w OUN.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Zapewnia ilościowe, elektrofizjologiczne odczyty (krzywe warunkowania odruchu H), które są stabilne i powtarzalne w kolejnych próbach, pod warunkiem zachowania podstawowej wielkości odruchu H.
- Zastosowanie w badaniach przesiewowych: Umożliwia wiarygodną ocenę zmian w przewodnictwie korowo-rdzeniowym po interwencjach takich jak powtarzalna przezczaszkowa stymulacja magnetyczna, trening behawioralny lub modulacja farmakologiczna.
- Użyteczność platformy: Wspiera ocenę mechanizmów plastyczności neuronalnej w systemach istotnych dla chorób, w tym w modelach dysfunkcji motorycznych, starzenia się lub neurorehabilitacji.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla chorób: Zastosowanie w badaniu zmian w przewodnictwie korowo-rdzeniowym w patologii, procesach starzenia lub po interwencjach terapeutycznych, co wspiera walidację celów zgodnych z biomarkerami.
- Ciągłość przedkliniczna: Stanowi pomost między inwazyjną elektrofizjologią zwierzęcą a nieinwazyjną oceną u ludzi, poprawiając przewidywalność translacyjną związków aktywnych w obrębie OUN.
- Postęp skorygowany o ryzyko: Wspiera decyzje typu go/no-go poprzez ilościowe określanie zmian w przewodnictwie synaptycznym w synapsie korowo-motoneuronalnej, która jest kluczowym miejscem modulacji obwodów ruchowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu odkrywania leków – od walidacji celu po walidację przedkliniczną, w szczególności w programach dotyczących OUN, skoncentrowanych na mechanizmach kontroli motorycznej, neuroplastyczności lub neuroregeneracji.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez poprzez pomiar wkładu synaptycznego z monosynaptycznych i polisyenaptycznych szlaków korowo-rdzeniowych, wyjaśniając mechanizm działania celów neuromodulacyjnych.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowych do analizy ilościowych wyników (amplitud warunkowanego odruchu H), które umożliwiają porównanie efektów interwencji w różnych punktach czasowych lub grupach terapeutycznych.
- Analityka: Generuje pomiary elektrofizjologiczne (krzywe warunkowania odruchu H, amplitudy szczyt-szczyt), które umożliwiają statystyczne porównanie przekaźnictwa synaptycznego w różnych warunkach stymulacji.
- Badania translacyjne: Łączy się z pracami przedklinicznymi poprzez ocenę przekaźnictwa w synapsie korowo-motoneuronalnej, która jest konserwatywnym miejscem regulacji neuronów ruchowych, istotnym dla wielu gatunków.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi zstandardizowaną, nieinwazyjną metodę elektrofizjologiczną, którą można zastosować w wielu projektach badawczych nad OUN obejmujących modulację szlaków ruchowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zapewnia pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez izolację zmian w przekaźnictwie synaptycznym w synapsie korowo-motoneuronalnej, co zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w modulacji obwodów ruchowych.
- Wartość operacyjna: Gwarantuje standaryzację i powtarzalność dzięki stałej kontroli wielkości odruchu H oraz protokołowi stymulacji dwumiejscowej, co umożliwia porównywalność wyników między różnymi badaniami.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową poprzez umożliwienie wczesnego wykrycia zaangażowania celu w obwodach neuronalnych istotnych dla człowieka, co zmniejsza ryzyko niepowodzeń na późnych etapach rozwoju leków na OUN.
- Wpływ na portfolio: Pozwala na priorytetyzację dostosowaną do ryzyka poprzez kwantyfikację efektów neuroplastyczności w określonych miejscach synaptycznych, wspierając decyzje o dalszym rozwoju w oparciu o biomarkery.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu neurofizjologii, przesiewowej oceny bezpieczeństwa TMS oraz akwizycji i analizy sygnałów elektromiograficznych.
- Metoda zależy od specjalistycznej aparatury, w tym systemów TMS z nawigacją, stymulatorów nerwów obwodowych oraz wysokiej jakości zestawów do rejestracji EMG.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa pomiędzy zespołami neurologicznymi, elektrofizjologicznymi i farmakologicznymi w celu zapewnienia spójnej realizacji protokołu i interpretacji danych.
- Wymagane jest uwzględnienie modyfikacji przy zastosowaniu metody w różnych grupach mięśniowych lub u populacji pacjentów z zaburzoną wyjściową pobudliwością korowo-rdzeniową.
- Ograniczenia praktyczne obejmują konieczność uzyskania stabilnej kontrolnej wartości odruchu H oraz wrażliwość na stan badanego (np. uwagę, zmęczenie), co może wpływać na powtarzalność wyników.
