Неинвазивная оценка изменений кортикомотонурональной передачи у людей
24 мая 2017 г.
Целью настоящего исследования было оценить изменения в передаче в кортикомотонурональных синапсах у людей после повторной транскраниальной магнитной стимуляции. С этой целью вводится электрофизиологический метод, который позволяет оценивать специфику кортикоспинального пути в пути, т. Е. Дифференциацию быстрых, прямых кортикоспинальных путей из полисинаптических соединений.
Общая цель данного нейрофизиологического эксперимента заключается в оценке изменений передачи в кортикомотонейронных синапсах у людей после повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции. Метод кондиционирования H-рефлекса позволяет ответить на вопросы в области нейронаук, например, лучше понять основные механизмы и сайты нейропластичности. Особый интерес для нас представляла пластичность, возникающая между кортикоспинальным трактом и мотонейроном, то есть в кортикомотонейронном синапсе.
Основным преимуществом этого метода по сравнению с измерением суммарных потенциалов является возможность регистрировать синаптический вход, создаваемый отдельными кортикоспинальными связями с мотонейронами спинного мозга. Существуют как минимум два дополнительных преимущества кондиционированного H-рефлекса перед суммарными потенциалами. Во-первых, становится возможным обнаружить влияние даже слабых кортикоспинальных залпов, а во-вторых, можно оценить эффекты кортикоспинальных залпов с более длительной латентностью.
Перед началом эксперимента сначала проведите скрининг испытуемого на наличие медицинских противопоказаний к ТМС, таких как эпилептические приступы в анамнезе; получите письменное информированное согласие и ознакомьте испытуемого с целью эксперимента. Подготовьте кожу в месте размещения поверхностных электродов над камбаловидной мышцей путем бритья, дезинфекции пропанолом и легкой абразии кожи. Затем установите поверхностные электроды для измерения электрофизиологических ответов.
Следите за сигналами ЭМГ на экране, пока испытуемый выполняет подошвенное и тыльное сгибание стопы. Для кондиционирования H-рефлекса сначала с помощью пластыря зафиксируйте анод размером 5×5 см на передней поверхности колена, непосредственно под надколенником. Подавайте стимуляцию прямоугольными импульсами длительностью 1 мс и перемещайте катод по подколенной ямке до тех пор, пока не будет найдено оптимальное положение для стимуляции.
Затем прикрепите самоклеящийся электрод к коже и зафиксируйте его пластырем. Перед началом эксперимента запишите кривую рекрутирования H- и M-ответов. Рассчитайте H-рефлексы и M-волны как пик-пиковые амплитуды ЭМГ в режиме реального времени с помощью программного обеспечения для записи.
Отрегулируйте амплитуду H-рефлекса до 20% от максимального M-ответа. Сначала выполните процедуру калибровки системы нейронавигации. Используйте катушку в форме восьмерки для стимуляции моторной области коры головного мозга испытуемого, контрлатеральной по отношению к установленным электродам.
Для поиска оптимальной точки стимуляции сначала поместите катушку на один сантиметр кпереди от темени. Направьте рукоятку катушки назад, чтобы вызвать поток индуцированного тока в центре катушки в направлении сзади наперед. Определите положение, при котором моторные вызванные потенциалы могут быть вызваны при минимальной интенсивности стимуляции.
На этом этапе положите голову испытуемого на стол и используйте жесткий пенопласт для предотвращения смещений. Для контроля положения катушки и головы на протяжении всего эксперимента используйте навигационную систему ТМС с визуальным контролем. Затем закрепите катушку на штативе, голову испытуемого — в кресле, а саму катушку зафиксируйте на голове с помощью лент-липучек.
Затем определите минимальную интенсивность, необходимую для вызова моторных вызванных потенциалов с амплитудой ЭМГ от пика до пика более 50 micro-volts в шести из 10 последовательных попыток. Это значение является порогом моторного возбуждения субъекта в состоянии покоя. Также поместите двухконусную магнитную катушку в область цервикомедуллярного перехода для стимуляции аксонов кортикоспинального тракта.
Расположите катушку таким образом, чтобы первая производная индуцированного тока была направлена краниально, а ее центр находился на или рядом с затылком. Для начала убедитесь, что амплитуда контрольного H-рефлекса остается постоянной на протяжении всего эксперимента. При обнаружении отклонения отрегулируйте интенсивность стимуляции перед следующим испытанием.
Теперь отрегулируйте интенсивность стимуляции катушкой ТМС над моторной корой в диапазоне от 90% до 100% от моторного порога испытуемого. Также установите интенсивность цервикомедуллярной стимуляции на 100% от максимальной мощности стимулятора. Начните с кондиционирования H-рефлекса путем стимуляции моторной коры в состоянии покоя.
Применяйте TMS и стимуляцию периферических нервов, варьируя временной интервал между двумя стимулами для оценки изменений в кортикомотонейронной передаче. Начните с межстимульного интервала в минус 5 ms, что означает вызывание стимуляции периферического нерва за 5 ms до TMS, затем изменяйте этот интервал с шагом в миллисекунды от минус 5 ms до 1 ms. В зависимости от межстимульного интервала, H-рефлекс может быть смещен вперед относительно нисходящего залпа, при этом смещение вправо позволяет протестировать более медленные кортикоспинальные пути.
Случайным образом изменяйте интервал от попытки к попытке, чтобы исключить систематическую ошибку, связанную с порядком предъявления стимулов, и установите паузу между попытками стимуляции четыре секунды. Ранняя фасилитация должна наблюдаться при интервалах от -4 до -2 мс. Затем проведите кондиционирование H-рефлекса с помощью магнитной стимуляции в области цервикомедуллярного перехода.
Используйте межстимульные интервалы от −9 до −3 мс с шагом в 1 мс. Применяйте данные интервалы ТМС одновременно в обеих локациях в каждом испытании и регистрируйте полученные контрольный H-рефлекс и моторные вызванные потенциалы. Используйте контрольный H-рефлекс в качестве эталона для кондиционированных H-рефлексов, а контрольный моторный вызванный потенциал — для обеспечения сопоставимых условий стимуляции.
После завершения предварительных измерений установите интенсивность стимуляции на уровень 1,2 от моторного порога испытуемого и проведите процедуру медленной репетитивной ТМС. Осуществляйте стимуляцию первичной моторной коры с частотой 1 Гц в течение 20 минут для индукции длительного подавления кортикоспинальной возбудимости. Здесь представлена кривая кондиционирования H-рефлекса после кондиционирования M1, а здесь — кривая кондиционирования H-рефлекса после кондиционирования CMS.
Ранняя фасилитация при применении ТМС над первичной моторной корой наблюдается при межстимульных интервалах около -3 мс. Обратите внимание, что ранняя фасилитация после кондиционирования СМС возникает примерно на три-четыре миллисекунды раньше, при межстимульном интервале около -7 мс. Здесь представлены средние значения 10 кривых для одного репрезентативного испытуемого до и после вмешательства с помощью рТМС.
Видно, что кондиционированные H-рефлексы, представляющие раннюю фасилитацию, снижаются как после кондиционирования M1, так и после CMS-кондиционирования. В то же время контрольные H-рефлексы остаются неизменными. Здесь представлены средние показатели двух испытуемых, демонстрирующие аналогичную картину снижения H-рефлексов при кондиционировании M1 и CMS без каких-либо изменений в контрольном H-рефлексе.
После освоения данный протокол может быть выполнен примерно за 90–120 минут. При выполнении этой процедуры важно поддерживать постоянную амплитуду H-рефлекса. После просмотра этого видео у вас должно сформироваться четкое понимание того, как подавать кондиционирующие стимулы на первичную моторную кору и цервикомедуллярный переход.
Это используется для обнаружения ранней фасилитации, которая представляет собой синаптический вход в мотонейроны спинного мозга, опосредованный самыми быстрыми кортикоспинальными связями.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании изучаются изменения в передаче сигналов в кортикомотонейронных синапсах человека после повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (рТМС). Представлен электрофизиологический метод, позволяющий дифференцировать быстрые прямые кортикоспинальные пути и полисинаптические связи.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Электрофизиология
- Нейропластичность
Теоретическая часть
- Кортикомотонейронные синапсы играют важнейшую роль в моторном контроле.
- Повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция используется для изучения нейропластичности.
- Метод кондиционирования H-рефлекса позволяет получить представление о синаптической передаче.
- Понимание этих механизмов может расширить знания о функционировании мотонейронов.
Цель исследования
- Оценить изменения синаптической передачи после рТМС.
- Провести различие между прямыми и косвенными кортикоспинальными путями.
- Изучить пластичность кортикомотонейронального синапса.
Используемые методы
- Электрофизиологическая оценка кортикоспинальной передачи.
- Метод кондиционирования H-рефлекса для оценки синаптического входа.
- Сравнение быстрых прямых путей с полисинаптическими связями.
- Анализ влияния кортикоспинальных залпов.
Основные результаты
- Идентификация отдельных кортикоспинальных связей с мотонейронами спинного мозга.
- Детекция слабых кортикоспинальных залпов.
- Оценка кортикоспинальных залпов с более длительной латентностью.
- Понимание механизмов нейропластичности в синапсе.
Выводы
- Данное исследование углубляет понимание кортикомотонейрональной синаптической передачи.
- Полученные результаты расширяют знания о механизмах нейропластичности.
- Электрофизиологические методы позволяют эффективно дифференцировать синаптические пути.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Понимание синаптической передачи на кортикомотонейронном уровне дает механистическое представление о механизмах нейропластичности, которые имеют значение для валидации мишеней при разработке лекарственных средств для ЦНС. Метод кондиционирования H-рефлекса позволяет дифференцировать быстрые и полисинаптические кортикоспинальные пути, что способствует снижению рисков при проверке терапевтических гипотез, связанных с модуляцией моторных цепей. Данный подход служит трансляционным связующим звеном между доклиническими моделями и физиологией человека, повышая прогностическую уверенность в связывании с мишенью и модуляции путей.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы путем оценки синаптического входа от различных кортикоспинальных связей к спинальным мотонейронам.
- Практическая ценность: обнаруживает влияние слабых кортикоспинальных разрядов и оценивает пути с более длительной латентностью, что повышает чувствительность к тонким нейрофармакологическим эффектам.
- Трансляционная ценность: дифференцирует корковые и спинальные эффекты с помощью двухточечной стимуляции (моторная кора и цервикомедуллярный переход), что способствует механистическому снижению рисков при разработке мишеней в ЦНС.
Скрининг и разработка анализа
- Готовность анализа: обеспечивает количественные электрофизиологические показатели (кривые кондиционирования H-рефлекса), которые остаются стабильными и воспроизводимыми в различных попытках при условии поддержания исходного размера H-рефлекса.
- Применение для скрининга: позволяет достоверно оценивать изменения в кортикоспинальной передаче после таких воздействий, как повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция, поведенческое обучение или фармакологическая модуляция.
- Полезность платформы: поддерживает изучение механизмов нейропластичности в системах, имеющих значение для заболеваний, включая модели двигательных нарушений, старения или нейрореабилитации.
Трансляционные и доклинические исследования
- Значимость для изучения заболеваний: Применимо для изучения изменений кортикоспинальной передачи при патологиях, старении или после терапевтических вмешательств, что способствует валидации мишеней в соответствии с биомаркерами.
- Преклиническая преемственность: Связывает инвазивную электрофизиологию на животных с неинвазивной оценкой у людей, повышая трансляционную предсказуемость соединений, активных в ЦНС.
- Оптимизация рисков при разработке: Обосновывает решения о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go) путем количественной оценки изменений синаптической передачи в кортикомотонейронном синапсе — ключевом узле модуляции моторных цепей.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод вписывается в континуум открытий — от валидации мишени до доклинической валидации, особенно для программ по изучению ЦНС, направленных на механизмы моторного контроля, нейропластичности или нейрорегенерации.
- Поиск новых биологических мишеней: Обеспечивает проверку гипотез путем измерения синаптического входа от моносинаптических и полисинаптических кортикоспинальных путей, что позволяет уточнить механизм действия нейромодуляторных мишеней.
- Скрининг: Предоставляет готовые к анализу количественные данные (амплитуды кондиционированного H-рефлекса), которые позволяют сравнивать эффекты воздействия в разные моменты времени или между группами лечения.
- Аналитика: Позволяет получать электрофизиологические измерения (кривые кондиционирования H-рефлекса, пик-пиковые амплитуды) для статистического сравнения синаптической передачи при различных условиях стимуляции.
- Трансляционные исследования: Связывает результаты с доклиническими работами путем оценки передачи в кортикомотонейрональном синапсе — эволюционно консервативном участке регуляции мотонейронов, имеющем значение для разных видов.
- Корпоративное повторное использование: Представляет собой стандартизированный неинвазивный метод электрофизиологического исследования, применимый в различных проектах по поиску мишеней в ЦНС, связанных с модуляцией двигательных путей.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Обеспечивает прогностическую уверенность в валидации мишени за счет изоляции изменений синаптической передачи в кортикомотонейронном синапсе, что снижает механистическую неопределенность при модуляции моторных цепей.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость благодаря фиксированному контролю амплитуды H-рефлекса и протоколу двухточечной стимуляции, что позволяет сравнивать результаты различных исследований.
- Стратегическая ценность: Повышает эффективность использования капитала, позволяя на ранних этапах выявлять взаимодействие с мишенью в нейронных цепях, релевантных для человека, что снижает риск неудач на поздних стадиях разработки препаратов для ЦНС.
- Влияние на портфель: Обосновывает приоритизацию с учетом рисков путем количественной оценки эффектов нейропластичности в определенных синаптических узлах, поддерживая принятие решений о дальнейшем продвижении на основе биомаркеров.
Особенности реализации
- Требуется экспертный опыт в области нейрофизиологии, проведения скрининга безопасности ТМС, а также регистрации и анализа электромиографических сигналов.
- Метод опирается на специализированное оборудование, включая системы навигационной ТМС, стимуляторы периферических нервов и высокоточные установки для записи ЭМГ.
- Необходима кросс-командная стандартизация между специалистами по неврологии, электрофизиологии и фармакологии для единообразного выполнения протокола и интерпретации данных.
- Требуется учет особенностей адаптации при применении метода к различным группам мышц или популяциям пациентов с измененной исходной возбудимостью кортикоспинального тракта.
- Практические ограничения включают необходимость стабильного контроля исходного H-рефлекса и чувствительность к состоянию субъекта (например, вниманию, утомляемости), что может повлиять на воспроизводимость результатов.
