人間の神経筋システムを研究するために経頭蓋磁気刺激の活用

Summary

経頭蓋磁気刺激（TMS）は、ヒトの神経系の生理学と機能に洞察力を得るために非侵襲的なツールです。ここでは、上肢と腰部の筋肉組織の皮質興奮性を研究するために私たちのTMSのテクニックを紹介。

Abstract

経頭蓋磁気刺激（TMS）は20年以上¹のために使用されていて、過去10年間で人気が急激に成長している。 TMSの使用はこの期間中に多くのシステムやプロセスの研究に拡大しているが、元のアプリケーションと、おそらくTMSの最も一般的な用途の一つは、人間の神経系の生理学、可塑性と機能を研究することを含んでいます。運動皮質に適用される単一パルスのTMSは、錐体ニューロン経シナプス的に^2（図1）とヒトの³の皮質脊髄路の完全性と興奮性を研究し、評価するために使用できる測定可能な筋電図反応の結果を興奮させる。また、磁気刺激の最近の進歩は、現在^4,5皮質対脊髄興奮性のパーティショニングが可能になります。例えば、ペアパルスTMSは、条件を組み合わせることにより、皮質内facilitatoryと阻害特性を評価するために使用することができます。異なるinterstimulus間隔^3,4,6-8でINGの刺激とテスト刺激。このビデオの記事では、これらの技術の方法論と技術的側面を紹介します。橈側手根屈筋（FCR）の筋肉だけでなく、脊柱起立筋（ES）の筋肉組織に適用されるよう具体的には、単一パルスとペアパルスのTMSのテクニックのデモンストレーションを行います。それが減らされた筋肉のパフォーマンス^6,9で手首手のギプス固定の影響に関する研究に興味がある、そしてそれは腰痛に関連する我々はこれらの筋肉のためにESの筋肉の臨床的意義を研究するように当研究室では、FCRの筋肉を研究^8。これは記載して、我々は、TMSが手、腕と脚の多くの筋肉を研究するために使用されていることに注意してください、とFCRとESの筋肉群における私たちのデモが唯一の人間の神経筋を研究するために使用されているTMSの例を選択されていることを反復してくださいシステム。

Protocol

1。 FCRとES筋肉のシングルとペア、パルスTMS

1. 基本的な安全上のご注意：以前は、人間の被験者で行うTMSには、磁界への曝露に関連するとして、最初に基本的な安全上の注意のためにそれらをスクリーニングする必要があります。私たちのラボでは、磁気共鳴の安全、教育研究¹⁰の研究所が定めたスクリーニングのガイドラインに従ってください。私たちのラボではまた、日常的にてんかんの発作の家族歴を持つ個人を除外する。我々はまた、ESの筋肉のTMSを受けている被験者は耳栓と少ない焦点と強い刺激の強度によるマウスガードを着用する必要があります。
2. 電気録音：それは、骨格筋から筋電図（EMG）信号を記録するために必要なモータシステムでTMSの応答を調べるために。 FCRの筋肉のために我々はtにわたって長手方向に位置するバイポーラ電極配置を用いて前腕の表面電極を配置我々は以前に^{7,11も述べた}よう^に剃毛し、有傷皮膚での彼は筋肉。脊柱の起立筋のために我々は、剃毛し、有傷皮膚⁸のL3 - L5椎体レベルで筋肉を介して縦方向に位置する同様の電極配置を使用してください。
3. TMSコイルの向き：主にそれが適切に¹² TMSコイルを配置するために必要な経シナプス的に皮質ニューロンを有効にするには。 FCRの筋肉のために我々は、正中線に頭皮と45度〜70 mmの8の字TMSコイルは、接線方向に置きますので、その内側、前方方向への横後方に誘導電流が流れる。 ESの筋肉のために我々はより浸透の深さを持ち、ホムンクルスに深くているこれらの筋肉の表現のために必要とされるダブルコーンコイルを使用してください。ここで、コイルはそのような前後方向の前方に電流が流れるように配置される。我々は、sで私たちを支援するためにレーザーの添付ファイルシステムと当社のコイルをカスタム変更したダブルコーンコイルのubsequent再ポジショニング。
4. "ホットスポット"を識別する ：これは、潜在的な誘発最大のモーターを誘発する刺激の位置を決定する必要があります。 FCRの筋肉のために我々は、微妙に少しずつで周りTMSコイルを移動し、我々は最大のモーターは、潜在的な振幅を誘発観察場所を決定することによって行います。一度に位置する我々は、頭皮やライクラキャップのどちらかに消えないインクでは、このエリアに注意してください。 ESの筋肉のTMSは、上肢の筋肉のTMSより被験者にかなり不快です。したがって、我々はそれの忍容性と実現可能性を高めるためにESの筋肉のための合理化私たちのTMSのプロトコルを持っている。ここで、代わりに"ホットスポット"を見つけると我々は、頭蓋骨の頂点を識別するための身体計測値を使用してください。具体的には、矢状の頭蓋骨（nasinonとイニオン間）とコロナ（耳珠間）平面の交点として頂点を識別します。
5. 生体力学的ポジショニング：
6. モーターのしきい値の定量化 ：モーター誘発電位の臨床試験の50％以上で50マイクロボルト（図4）よりも大きいピークトゥピークの振幅を持つまではFCRには、我々は徐々に増加させる刺激の強度で、単一のパルスを供給することにより、モータのしきい値（MT）を決定する。 TMSのプロトコルを効率化し、忍容性と実現可能性を高めるために、我々はEで、モータのしきい値を決定していないS我々は上肢の筋肉をテストするときと同じ精度を持つ筋肉。むしろ、我々は、この刺激強度が上または下にモーターのしきい値であるかどうかを判断するために最大刺激の出力の50％で初期の単一パルスを提供することで、TMSのプロトコルを開始します。 MEPは、バックグラウンドのレベルに識別可能なMEPの相対として強度定義この刺激で観察されている場合はEMGが、強度はこの刺激強度がサブまたは超えたしきい値⁸であるかどうかを判断するために刺激の出力の40％に低減されます。
7. シングルパルスのTMSを使用して定量化MEPの振幅 ：モーターを調べるためには、我々は運動閾値の130％に等しい強度で'ホットスポット'に単一のTMSのパルスを供給するFCRの潜在的な振幅を誘発し、ピークツーピークの振幅を計算する。一般的に、我々は、正中神経の最大上電気刺激後に観察された最大の複合筋線維の活動電位にこの結果を正規化する。我々は、MEPの大きさがverであることに注意してください皮質興奮性の程度に依存してyを。したがって、TMSパルスがバックグラウンドの収縮中に配信されると、皮質興奮性を増加させると、MEPのサイズが劇的に増加します。 ESの筋肉のために、我々は、サブモーター閾値強度^{8の上方に}強度40〜50％で頂点に単一のTMSパルスを実現。 ESの筋肉を支配する末梢神経が電気刺激にアクセスできないため、残念ながら、我々は、複合筋線維の活動電位にこれらのモータの誘発電位を正常化することはできません。
8. シングルパルスのTMSを使用してサイレント期間の時間を定量化 ：皮質にTMSのパルスが筋肉の収縮中に配信されている場合には、皮質の抑制の指標と一般的にサイレントと呼ばれる活動が再開する前に、電気的休止が続くモーター誘発電位が生成されます。期間^13（図5）。サイレントピリオドを定量化するために我々は、単一の提供研究参加者が彼らの最大筋力の15％で手首の屈曲筋の収縮を行っている間、モータのしきい値の130％に等しい強度で"ホットスポット"へのTMSパルス。我々は以前にESの筋肉のサイレント期の持続時間を定量化されていませんが、我々は、TMSのパルスIDが背景の収縮中に配信するときに我々は逸話的にはこの筋肉群でその存在を認めていることに注意してください。
9. ペアパルスTMSを使用して皮質内ファシリテーションの定量化：我々は、皮質内ファシリテ^6,7（図6及び7はそれぞれ、FCRとES筋肉のため、この測定値を表す）定量化するためにペアパルスTMSを使用してください。 FCRの筋肉のために、まず0.5から1.0 mVの間にあるモーター誘発電位を誘発するために必要な刺激強度を決定する。次に、我々の研究室で一般的に閾値上のテストパルスの前にモーターのしきい値- 15 -ミリ秒の70％に等しく設定されているサブスレッショルドコンディショニングパルスを実現。このコンディショニング前のテストパルスにこの時間帯で配信パルスが増加する、または促進される、モーターの振幅は同じ強さの単一の無条件のパルスよりも潜在的な多くを誘発。 ESの筋肉グループのためにコンディショニングパルスの強度が観測されたサブモーター閾値強度（40％または刺激の出力の50％のどちらか）に設定されており、テストパルスの強度は、サブモーターのしきい値レベル（80％以上40％に設定されていますまたは刺激の出力の^90％）8。我々は、コンディショニングパルスの強度を研究の目的に応じて変化させることができることに注意してください。同様に、パルス間隔は、筋肉や皮質の相対的な位置によって異なる場合があります。
10. ペアパルスTMSを使用して短期間隔皮質内抑制の定量化：我々はまた、短い間隔皮質内抑制^6,7（図6、図7 FCRとES筋肉のためのこの測定は、それぞれを表す）を定量化するためにペアパルスTMSを使用してください。ここでは、両方の2つのパルス間刺激間隔が3ミリ秒に短縮されていることを除いて皮質内円滑化を測定するための説明に従って、FCRとESの筋肉が、手順は同じです。前のテストパルスにこの期間で送達このコンディショニングパルスが減少する、または阻害する、モーターの振幅は同じ強さの単一の無条件のパルスよりも潜在的な多くを誘発。
11. ペアパルスTMSを使用して長期間隔皮質内抑制を定量：100ミリ秒で区切られた2つの同一の閾値上のテストパルスを供給することも長期間隔皮質内抑制^6,7を評価するために使用することができます。この場合、用FCRの第二パルスに関連する筋肉、運動誘発電位は、（図8）は、最初に関連付けられているよりも、小さい、以上を抑制することになります。我々は以前に予告忍容性の懸念のためにESの筋肉の長期間隔皮質内抑制を定量化していない。

2。代表的な結果：

閾値上TMSパルスの配信に続いて、刺激される筋肉は容易に観察可能なEMGの応答を（MEP）（図4-8で示す）を示してください。刺激開始とMEPの間の待ち時間は検査されている筋肉群との間で異なりますが、FCRのためにそれは一般的に16から19ミリ秒（図6）とESのためにそれが17から22ミリ秒（図7である;それはするはずですがいくつかの科目ではESの筋肉の決定的なMEPの発症が）視覚的に識別することがより困難であることに留意する。これは、ESの筋肉グループをテストするときにいくつかの他の筋肉群が目に見えてもないし、劇的に（ホムンクルスの同じ一般的な領域内で表現される下肢の筋肉を含む）併用刺激したこと。留意すべきである皮質内のファシリテーションの測定中にMEP振幅は一般に、単一の無条件のパルス（Fで観察されるよりも大きくなってigure 6と7）。しかし、それはファシリテーションの程度は、いくつかの筋肉群 - など、多くの被験者のわずかなファシリテーションを示すFCRなどによる筋肉のグループの間で変化することが我々の経験です。短い間隔と長い間隔皮質内抑制を測定するためのMEPの振幅の減少は一般に、同じ強度（図6-8）の単一の無条件のパルスと比較して観察される。

図1：TMSの基本的なメカニズム。TMSコイルは頭皮に浸透し、運動皮質内に渦電流を誘導する磁界を、誘発する。この渦電流は、脳内の神経細胞を刺激することができます。図は、プレス¹⁴では、マッギンリーとクラークから転載。

図2 Tを実行するためのセットアップ FCRの筋肉上のMS。前腕から筋電図（EMG）信号の記録、および運動皮質上にTMSパドルに注意してください。我々は一般的にまた記録筋肉の力、そしてこれは振幅の値を解釈する際に有用であるため、絶対とは対照的に（例えば、1つは最大筋力の応答に対して相対的に表現し、MEPができる、最大の複合筋線維の活動電位を得るために電気的な末梢神経の刺激を使用してください重くそのような皮下脂肪組織などの非生理的な要因によって影響を与えることができるmVの値）。クラークら：図では、次から転載。 2008年⁰⁹月、クラークら、2010 ^6、およびマッギンリーら。 2010 ^7。

図3。起立のspinaleの筋肉にTMSを実行するためのセットアップ。ゴスらから再版図。 2011年^8。

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図4モータの閾値判定の例 。 EMGのトレースは、徐々に増加させる刺激の強度（刺激の出力の割合（SO）として表される）の電位（MEP）の応答を誘発モーターを表します。低強度（SOの28〜30％）が非常に小さいのMEPで（サブスレッショルド）誘発されたことが、32％のMEPは、通常、ppの振幅とMEPとして定義されているに達したモーターのしきい値を（誘発したように、>注意してください50μV）。

図は、プレス¹⁴では、マッギンリーとクラークから転載。

。収縮時の図5は、TMS：モータが潜在的な＆サイレントピリオドを誘発 。被験者がわずかな収縮を実行し、単一の刺激が運動野に適用されている場合は、サイレント期間が観察される。サイレント時代の最初の部分は脊髄の抑制と、後者の部分のために特にGABA _B受容体_は 、皮質の抑制に起因する。そこに沈黙期の持続時間を定量化するためにはコンセンサスの方法はありませんが、我々の調査結果は、どちらかの自主的な干渉の筋電図信号のリターンへの刺激の発症やMEPの発症から、それを定義すると、最も信頼性の高い¹⁵であることを示している。
図は、プレス¹⁴では、クラークとクイック、2011 ^16、マッギンリーとクラークから転載。

図6。モーターの変更は、FCRの筋肉の潜在的なサイズのi番目のペアのパルスのTMSを誘発 。短間隔皮質内抑制（SICI）および皮質内促進（ICF）の測定。 SICIとICFを定量化するためのコンディショニングパルス（CP）は、モータのしきい値未満に設定されており、テストパルス（TP）は0.5から1 mVの間でMEPのを呼び起こすために設定されています。短いinterstimulusの間隔で長いinterstimulus間隔で（例えば、15ミリ秒）は、MEP（ICF）を促進するのに対し（例えば、3ミリ秒）CPは、唯一のTP（SICI）と比較してMEPを阻害する。

CP：コンディショニングパルス、TP：クラークから再版テストパルスの図ら、2010 ^6、マッギンリーら。プレス¹⁴では数^：14、クラークとクイック、2011 ^16、及びマッギンリーとクラーク、。

図7。モーターの変更は、ESの筋肉のペアパルスのTMSとの潜在的な大きさを誘 ​​発 。脊柱起立筋と短間隔皮質内抑制（SICI）および皮質内促進（ICF）の測定からEMGのトレースの例。
ゴスらから再版図。 2011年^8。

図8。モーターEVOの変化ペアパルスのTMSとサイズヒツジシラミバエ可能性。長い間隔皮質内抑制（LICI）の測定。 LICIつのテストパルスを定量化するためには、100ミリ秒の刺激間隔で配信されます。第二MEPのこの結果は、最初のMEPと比較して抑制されている。
クラークから再版図ら、2010 ^6、マッギンリーら。 2010 ⁷とマッギンリーとクラーク、プレス^14。

Discussion

この記事の全体的な目標は、我々の研究室の視覚的なアカウントは、経頭蓋磁気刺激を使用する科学者や臨床医に提供することです。しかし、これらの実験の可視化を提供することに加えて、以下の我々は、この方法でTMSを実行する際に考慮する基本的な問題について説明TMS応答の生理学の簡単な概要を提供し、またの利用に関してとTMSの私達の使用について説明他人。

一般的な問題は、資料に記載されているとおりTMSを実行するときに注意する

ペアパルスTMSを実行する際に注意すべき問題がいくつかあります。例えば、Magstim BiStim ²システム-おそらく最も人気のTMS装置は2つのMagstim 200 ²台を組み合わせて単一の刺激的なコイルを介して対のパルス刺激を許可する可能性をラインナップしています。しかし、それは一つ無条件パルスそれでMEPを喚起されている場合ことに注意してください"0％"にMagStimのいずれかの単位を設定しても、パルス間の間隔（例えば、100ミリ秒）などのユニットをオフにするのではなくを示すために最善の方法です。片方のユニットがsummates上にない場合は、理由の存在はBiStim ²システムという単一のMagstim 200 ²の113％に相当する単一の高出力パルスを生成するためにMagstim刺激によって提供されている2つの単一のパルスです。従って、一電位に正規化に無条件パルスを使用しているときにテストパルス強度はこの点で一定に保持することが重要であるペアパルスTMSで誘発した。

脊柱起立筋でTMSを実行するときに知っておくべき問題点

ESの筋肉グループのTMSの手続きに関しては言及するには、いくつかの特定の問題と制限があります。例えば、我々のプロトコルで使用されるパルスの強度は、モータのしきい値に対する相対値として表されていない。虫垂のムーで、シングルとペア、パルスTMSの研究ではそれは（例えば、モーターのしきい値の70％に等しいコンディショニングパルスモーターのしきい値（例えば、刺激の出力の1〜3％）が比較的小さい範囲内に定義されるために一般的であり、そしてコンディショニングとテストパルスがしきい値レベルを基準にして表現さ​​れているscles ^）17。我々は一般的に精密にモーターのしきい値を決定するために必要なパルスの付加数によるこの種のプロトコルを実行しないように選択する。上肢の筋肉のTMSは、一般的には非常に許容であり、対象と四肢のセグメントへの攣縮反応を分離します。逆に、腰部傍脊柱筋群のTMSはかなり低い許容です。我々は以前に私たちの合理化プロトコルは、ほとんどの被験者（〜5 10が耐え難いと00から10のスケールで）に耐えられるという報告がありますが。同様に、我々は一般的に、さらに二国間の応答の録音を可能にするために頂点を介して直接刺激することによって、ESの筋肉グループのTMSパルスの総数を制限することを選択。このstimulation個のサイトは、腰部傍脊柱筋群^18から22の前のTMSの研究に使用されています。しかし、我々は反対側の腰部傍脊柱筋群の反応を喚起するための最適なサイトが1センチ前と頂点^23〜横4センチメートルに位置していることを示すその頂点刺激が最近の調査結果として腰椎のMEPを喚起するための最適なサイトでない可能性があります注意してください。最後に、我々はそれがしっかりと腰椎の生体力学/姿勢の位置決めのために制御することが我々の経験であることに注意してくださいESの筋群から信頼性の高いTMSのデータを得るために重要です。私たちのパイロット研究では、多くの異なる姿勢の位置に応答を検討したが、私たちの最善の応答がビデオの記事に示すように、装着対象と得られることが分かった。

単一パルスのTMS成果の生理学

単一パルスのTMS、その名前が示すように、脳と録音一つ磁気パルスの配信を含むとrを調べるesultant EMG応答。方法は、全体の神経筋管の整合性をテストするのに非常に役立っています。一般的に、このメソッドは、モータのしきい値などの変数を推測するために使用され、モータは潜在的な振幅を誘発し、すべての筋神経系の興奮性への洞察を与える沈黙期間の長さ。この手法は、研究は神経システムについて多くのことを理解することが許可されているが、それは、このセクション全体でのアドレスとなるいくつかの欠点を、持っていません。

モーターのしきい値は、単一パルスが運動野³に印加されると興味の対側の筋群のMEPを喚起するために必要な最低強度として定義されています。 "ホットスポット"（最大のMEPが観察されている場所）が発見された後、MTはMEPを確実に誘発されるまで、ゆっくりと運動皮質に印加されるパルスの強度を増加させることによって決定されます。一般的に、ほとんどの研究者らは定義する試験の50％で50μV（例えば、10試行の^5）3より大きい場合、ピークツーピークの振幅とMEPのを喚起するために必要な刺激強度などの安静時の筋肉のしきい値。状態依存の対策に関心がある場合、この値は、収縮（"アクティブMT"）の間に定義することができます。ここで、MTは、一般的背景筋電図活動の所定割合（例えば、バックグラウンド上記の2倍）、または絶対振幅（例えば、300μV）として定義されています。安静時のMTは、方向、密度、および皮質ニューロンの電気的な感受性に影響されます。このように、安静時のMTの変化は、レベルを[すなわち、神経細胞膜、軸索の電気的性質、構造と一次運動野への興奮の突起の数、またはこの領域²⁴の受容体のアップレギュレーションの多様で変化を反映しており、それ故に表すことができる錐体ニューロン^24,25の膜興奮性の総合的評価。に関して付きアクティブなMTへ、corticomuscular経路²⁶への自主的なモータードライブの大きさを示すと考えられている休息条件と比較して、モーターのしきい値の低減に自主的な収縮の結果。

MEP振幅は、興奮性を示す別のアウトカム指標である。 TMSは、MT、上記の強度で運動皮質に適用されると、高周波間接波（I波）変更は、神経伝達物質（すなわち、glutatmate、GABA）、神経伝達の調節因子を含む多くのメカニズムによるものである皮質脊髄路²⁷に誘発されるcorticomotoneuronalシナプス自体の実際の有効性と皮質脊髄路細胞²⁸に接触する（すなわち、アセチルコリン、ノルエピネフリン、およびドーパミン^）25、およびinterneuronesはMEPの振幅に影響を与えるいくつかの活動依存的変化²⁹すべての機能を実証。このように、信号の振幅は、ボットで変調することができますH皮質と脊髄レベルはそれが空間的に神経系内で、変更が発生したかの違いが存在する場所、特に解析することは困難である。減少または増加MEPの振幅は、神経筋システム内の変更の可能性を示唆し、特定の病気のプロセス³に関連付けることができます。単一パルスのTMSを介して皮質の興奮性を評価する別の方法が採用曲線（または入出力曲線）の開発を通してです。ここでは、刺激の強度が徐々に増加し、MEP振幅の結果の変化がプロットされます。この曲線は、モータのしきい値に必要な神経細胞の核となるグループがあることを示していますが、筋肉³⁰の応答を高めるために採用することができる追加の神経細胞があります。

単一パルスのTMSから派生した別の比較的一般的な結果は、皮質脊髄沈黙期間です。筋収縮時の大脳皮質に磁気パルスを提供することは評価するサイレントピリオド。前述の皮質の抑制と、一般的に皮質を沈黙期間と呼ばれるの指標となる活動を再開する前に、電気的休止が続くように、このパルスは、特徴的なMEPを生成します。サイレント期間^31を定量化する最善の方法についていくつかの論争がありますが、それは臨床診断の可能性^32から34と一緒に生理的メカニズムを理解するための有用な科学的なツールであることが証明されている。サイレント期の基礎となる生理学的メカニズムは完全に理解したが、運動野と脊髄の両方の阻害が含まれていないされています。サイレント期間（50〜60ミリ秒）の最初の部分は、レンショウ細胞の^3,35の活性化など、脊髄内メカニズムに起因し、後者の部分は皮質のメカニズム、特にγ-アミノ酪酸（GABA）に起因しているのに対し、 B型受容体を介した抑制。これらの生理学的な基盤のためのデータsはサイレント時代³⁵の短縮にtiagabine、ニューロンにシナプス間隙からのGABA摂取の阻害剤の投与が、結果その調査結果に基づいています。したがって、これらの知見は、運動皮質内GABAの閉塞が減少抑制につながることを示唆している。サイレント期間は抑制の有用な測定ですが、それはいくつかの落とし穴を持っていません。サイレントピリオド測定の最大の没落は、変更が検出された場合、その空間的な局在はそれが皮質と脊髄の両方のコンポーネントが含まれているとして把握することは困難であるということです。プラスチックの適応や病変をローカライズするために、この値を使用できないことにもかかわらず、それはまだ神経筋管内阻害の良い反射です。

ペアパルスTMSのアウトカムの生理学

単一パルスのTMSと同様に、ペアパルスTMSは、神経筋系の興奮性と抑制性の特性を把握するために使用することができます。主な違いペアと単一パルスの技術との間でその対のパルスの実験は、一般的に、より正確に皮質内の特性を測定していると考えられているされています。評価される主な値は、皮質内抑制（SICI）、長い皮質内抑制（LICI）、および皮質内のファシリテーション（ICF）短いです。ペアパルスのTMSで2つの刺激は、運動皮質に適用され、刺激間隔と刺激強度に応じて様々な興奮性と抑制性応答が観察されます。さらに、ペアパルスTMSは、同様のパラダイムを用いて大脳半球間の抑制と促進を調査するために使用することができます。

ホットスポットとモーターのしきい値が決定された後、SICIが閾値以下のパルスを印加することによって誘発される（例えば、閾値以下の70から95パーセント）、2〜4ミリ秒後に閾値上のパルスを印加する。この手法の利点は、最初の刺激は皮質内の神経細胞を活性化することですが、脊髄の下位運動ニューロンを活性化しないコー​​ド。観察された阻害の平均量は、無条件のMEP ³の20〜40％です。薬理試験の種類に基づいてそれはSICIの基本的なメカニズムは、GABAを介した抑制であることが示唆されている。例えば、GABAの投与アゴニスト（例えば、ロラゼパム）増加SICI、およびGABA再取り込み阻害薬の投与（例えば、tiagabine）SICI ^25を減少させる。抑制のレベルは、一次運動皮質に局在化することができますので、SICIは、サイレント時代のシングルパルス測定上の利点があります。

ICFの測定は、（例えば、10から25ミリ秒）刺激間隔が長いことを除いてSICIを評価する際に使用されるものと実質的に同じです。それは促進の度合いがrespectiの間で変化することが我々の経験ですが、単にinerstimulusの間隔を長くすることで誘発第二MEPは、無条件閾値上刺激MEP ³前記20〜30％促進されるVEの筋肉群が検討されている。 ICFは増加facilitatoryと減少した阻害特性のバランスや組み合わせを表します。薬理学的研究は、N -メチル- D -アスパラギン酸（NMDA）拮抗薬と作動薬GABAの両方がICF ^25を減少することを観察した。これらの知見は、ICFがNMDA受容体を介するグルタミン酸ファシリテーションによって媒介されることを示しているが、このプロセスは、SICIとICFが相互に排他的ではないことを示唆し、GABAによって抑制を鍛えている。

LICIは、皮質内抑制の別の指標ですが、このペアパルスのパラダイムは、SICIとICFとの比較で2つの主要な違いがあります。だけでなく、刺激間隔（例えば、50から200ミリ秒）増加したが、両方のパルスが閾値上であるています。 SICIと同様に、生理的なメカニズムはGABAによって媒介されるが、LICIで阻害がに見られるようにGABA受容体の阻害とは対照的に、GABA _B受容体_を介して主に発生すると考えられているSICI。バクロフェン、GABA _Bのアゴニストを投与することを薬理学的研究は、LICIの増加と、それらが異なる受容体によって媒介されていることを示すSICIの縮小が観察されたが^、36相互に関連していますています。それは、シナプス後GABA _B受容体とSICIの活性化からLICIの増加はGABA ³⁶の放出を減少させるプレsynpatic GABA _B受容体_の活性化から減少することが提案されている。したがって、これらの知見はLICIを示唆しているとサイレントピリオドの後ろの部分は同様のメカニズムが、GABA _Bによって媒介されています。

その他のこれにTMSの用途を比較対照

この記事では、前腕と腰椎の筋肉を研究するために適用されるシングルおよびペアパルスのTMSを示しているが、我々は、多くの科学者や臨床医が（私たち自身のグループを含む）、手の他の筋肉を研究するためにTMSを使用していることに注意してくださいアッパーアーム、脚、等そう、視覚的なプレゼンテーションの本は単にその用途の包括的な概観とは対照的に、TMS研究で使用されている方法論的アプローチの例であることが意味されます。同様に、TMSは、この記事で紹介されていない他のパラメータを評価するために使用することができます。これらのいくつかを提示し、以下に説明されています。

半球促進と阻害：ペアパルスTMSの別のアプリケーションでは、運動皮質、その後大脳半球間相互作用の調査を可能にする反対運動野、に適用される閾値上の刺激に適用される閾値以下の刺激を伴います。半球の促進（IHF）と半球間抑制（IHI）の両方が認められたが、IHIは強い反応であることができる。 IHFは、明確に定義されたプロトコルやメカニズムを持っていませんが、それは4〜8ミリ秒⁴のinterstimulus間隔で観察されている。 IHIはinterstimulus間隔の広い範囲（6 - 50msの）で誘発、そしてそれがPAであることができるrtially GABA _Bが介在。バクロフェン、GABA _Bのアゴニストを投与することを薬理学的研究は、特にその長い間隔のIHIsがシナプス後GABA _B受容体⁴によって媒介されて示唆している。一般的には、ペアのパルス技術が皮質と大脳半球間の性質への洞察を提供する変数の大きい変化を研究するために使用することができます。

反復TMS：反復TMSは（rTMS）も、人間の神経系を研究するために使用することができます。これは、単一パルスのTMSと同じ基本的な実験のセットアップを使用しますが、一定の強度で刺激の一連の運動皮質に適用され、そのようなMEP振幅とサイレントピリオドのような変数への影響が測定されます。 rTMSのパラメータは、強度、頻度、数、および刺激の長さを変えることによって操作することができます。一般的には二種類Oに関連付けられている（<1Hz）で高い（> 1Hzの）または低周波数の2つのタイプが、、あるFシナプス後、長期の可塑性^37。高周波パルスは、一般的に（例えば、100 Hzで100列車10件の試験のための10秒毎に）一定の期間にわたって断続的に与えられ、低周波の刺激は、期間の時間をかけて継続的に与えられるのに対し（例えば、20〜30分1Hzの^）34 。刺激が大脳皮質に繰り返し適用されるときには、単一パルス³⁸より皮質活動に大きな変化をもたらす時間的加重をもたらす。 rTMSは、臨床応用のセクションで詳しく説明される臨床場面における潜在的な大量のを持っています。高周波と低周波のTMSの背後にある生理学的メカニズムは十分に定義されていますが、一般的に、それぞれ長期的な可能性（LTP）と長期抑圧（LTD）を反映すると考えられている。陳らによって一つの研究によれば、人間の低周波数（1 Hzで900パルス）でのrTMSがMEP振幅の変化、運動のしきい値、およびdeprを反映し、励起広がりをもたらしたことが示された皮質興奮性³⁹ ession。高周波rTMS（1秒間隔で100Hzで20パルスの10列車、10秒間隔で5回の繰り返し、または20秒間隔で100Hzで100パルスの3列車）そのLTPの変化を誘導することが観察されたラットから海馬スライスを用いた別の研究直接NMDA活性を⁴⁰で相関していた。一般的には、NMDA受容体の活性化、シナプス後脱分極は、細胞内カルシウム濃度、およびGABA仲介LTPとLTD ^34,39,40の増加が、より多くの研究が十分にrTMSのメカニズムを定義するために必要であると考えられている。

ダブルコーンの磁気刺激装置を用いて頭の後ろの上に適用Cervicomedullary誘発電位。磁気刺激が脊髄路を活性化し、モータの応答を惹起するために使用することができます。一般にcervicomedullary誘発電位（CMEPs）と呼ばれるモーターの応答は、sに興味を持っている科学者にとって特に関心がある運動経路のegmental行動を起こして大規模な単シナプスコンポーネントを持って、そういうものとしてとしては、α- motorneuronの興奮性^41をテストするために使用することができます。

誘発反応の振幅が比較的小さいので、CMEPsを引き出すことは、技術的に困難です。一般的に、レスポンスは最高の上または近くにイニオンと現在の監督下に⁴¹と、その中央部に位置しコイルと見られている。しかし、いくつかの個体でCMEPの応答が原因で距離の平方根で磁気パルス強度の減衰として達成されていない効果的な刺激の限界をもたらす解剖学的相違する可能性が最も高いが観察されていません。しかし、適切なトレーニングとスキルを、cervicomedullary接合の刺激を行うことで経験した研究室は日々の信頼性（R = ^0.87）42の高レベルを報告している。シリーズの2つの磁気刺激装置を結合することにより、より強力な全体的なパルスが可能になります、どのCMEPsを引き出すためにしようとしたときに有利であることができる。さらに、α- motorneuronプールの興奮性を高めるために随意収縮を使用して応答を得る確率を高めることができる。それはcervicomedullary磁気刺激は電気刺激よりもかなり苦痛が少ないですが、それは頭と首の筋肉を活性化せず、いくつかの科目は、この経験は不快なことを見つけることに注意すべきである。

皮質マッピングは、1991年以来、TMS誘発運動反応は、脳の表面が^{43から45を}露出されたときに、以前にのみ可能な低侵襲手術時の直接刺激/誘発反応の方法で脳機能をマッピングするために使用されている。皮質マッピング時に、（xとグリッドは、頭皮上に置かれている（例えば、グリッドパターンと水泳キャップ）と数々のサイトで誘発MEP振幅が決定され、値が空間的位置との間の3次元表現を作成するためにプロットされますY軸"）とMEP振幅（z軸^）46。これらの皮質マップは、次の3つの情報を提供：MEPは、ターゲットの筋肉のためだ、そこから頭皮上の総面積は 、筋肉のための"ホットスポット"、および重力の振幅重心 ^{（COG）47を}記録した。 COGは、TMSマップまたはまたはホットスポットの^46,48に相当するかもしれないし、そうでないかもしれないほとんどのニューロンは、筋肉や動きのためにアクティブにできる頭皮の位置/地形、の中心に対応しています。 COGの位置（内側外側や前方後方方向）の変化は、一般負傷、自然回復、またはリハビリテーションの介入^48,49のために応答して、皮質の再編成または可塑性を示すことが示唆されています。

これらの皮質マップは、洞察しながら、慎重に解釈する必要がある。刺激のプロトコルは、ペンフィールドで使用される原則、私に似ていますが、 tはこのテクニックを使用して作成されたマップは皮質内微小刺激^46,48を使用して作成されたマップの精度で比較しないことを認識することが重要です。動物実験では、個々の皮質ニューロンは、いくつかの運動ニューロンプールを支配することが実証されていると特定の筋肉を支配するため、異なる筋肉や皮質のニューロンは、異なる筋肉の組み合わせ^50,51に突出する他の皮質のニューロンに分散されています。 TMSによる刺激の精度の欠如と皮質との組み合わせで重複する脊髄の突起のこのモザイクの体性局在は、複数の筋肉が頭皮マトリックス⁴⁶の一点で配信される単一のTMSパルスに応答することを意味します。マップの有用性はさらに、クロストーク、または他の筋肉から同時に誘発信号が、記録されたMEP ⁴⁷の特異性と品質に干渉することを許可する電極配置によって混乱することができます。

"> 通電時間。中央のモーターの導通時間は、運動野と脊髄（運動根）刺激によって誘発これらの刺激により誘発されるMEPの間の待ち時間の差として定義されています。これは、脊髄刺激により誘発される可能性の待ち時間を差し引いて計算されます皮質刺激のそれより^3。TMSコイルは首の後ろや腰仙椎上に配置されている場合、磁気パルスが降順脊髄路の脊髄根を刺激することはありませんが自分自身は^3。従って、中枢運動伝導時間は、おそらく本当の時間を含みます中央のモーターの伝導のプラス椎間孔への近根から脊髄レベルと一度に少なくとも一つのシナプス遅延。

ペア連想刺激。ペア連想刺激（PAS）は末梢神経の刺激、および運動皮質^30,52のTMS刺激を伴う技術である。市販彼らは運動皮質の同期応答をもたらすように2つの刺激が一定の間隔で適用されます。区間の長さに応じて刺激がどちらお互い^30,52を促進または阻害することになります。運動野での後の25ミリ秒例えば、刺激が正中神経に適用されるときに、その後の刺激が応答^30のよう長期増強（LTP）の結果、お互いを促進する。刺激間隔がわずか10ミリ秒の場合は逆に、TMSの刺激は、長期抑圧（LTD）応答³⁰に生じる末梢神経の刺激を阻害する。これらの応答のために、PASは、しばしばモデルの脳の可塑性を支援するために使用されます。さらに、NMDA受容体拮抗薬を用いた研究では、さらに塑性モデル⁵²としてその使用をサポートする、PASのLTPのタイプの応答をブロックすることができることを示した。 PASはまた、脳卒中リハビリテーションのようないくつかの臨床応用を、持っていますが、現在はrTMS ⁵²としてとして広く利用されていません

臨床応用 。 TMSはまた、診断および選択した神経筋疾患の治療薬の臨床的有用​​性を持っています。このようなシングルとペアのパルステクニックなどの技法は、さらに種々の疾患の病態生理と新しい診断基準を知りたいという希望を持つ多くを理解するために研究者によって使用されている。同様に、TMSは、臨床医や研究者が同様の発表を伴う疾患の区別支援することにより、診断プロセスで補佐するために使用されています。最後に、多くの研究は、治療戦略として、rTMSのユーティリティを調査に重点を置いています。このセクションでは、特発性パーキンソン病、脳卒中、一次性ジストニア、amytotrophic側索硬化症（ALS）、および多発性硬化症（MS）を中心にTMSの臨床使用について説明します。

NEの様々な診断に使用される可能性のあるシングルとペアのパルスのTMSの値にはさまざまなものがあるuromuscular疾患。それぞれの神経筋疾患は、さらに解明病態生理、診断、および類似の臨床症状との鑑別疾患に有用である可能性がTMSの調査結果の特徴的なセットがあります。明確な知見がなかったが、パーキンソンの条件（例えば、パーキンソン病、大脳皮質基底核変性症）、およびプライマリとセカンダリのジストニア³⁴との間に区別できるように、TMSの可能性があります。同様に、TMSは、いくつかの神経筋の条件の予後転帰を決定するために可能性を秘めている。影響を受ける半球が^33,52を刺激されるとき、例えば、脳卒中後の良好な予後因子は、麻痺肢の欧州議会議員の存在です。一般的には、多くの研究は、まだ診断プロセスにおけるTMSの有用性を判断するために実施する必要がありますが、現在の調査結果はそれが可能性がありますが示唆された。

診断の可能性、ATTEN多大に加えてるが潜在的な治療ツールとしてrTMSに与えられている。最も研究された疾患の一つは、パーキンソン病です。いくつかの研究は、運動皮質^30,34に高周波でのサブスレッショルドrTMS後に統一パーキンソン病評価尺度（UPDRS）の改善を観察した。これらの知見は、1月³⁴にまで続いた、測定結果の15％〜50％改善の範囲であった。それが困難な治療法^3,32,34のようにrTMSの真の価値を明らかにすることになるプロトコルのばらつきが非常に多いですので、残念ながら、現在の研究は決定的です。研究の一握りの有望な結果とジストニアに対するrTMSの影響を検討した。これらの研究のほとんどは、一次運動野とシングルセッション^30,34,53の後数ヶ月に数時間続いた症状で観察された改善に適用される1HzのrTMSを使用していました。これらは有望な結果であるが、より多くの研究はcondにする必要がありますこれらの調査結果を確認し、マルチセッションのrTMSの可能性を調査するucted。

脳卒中リハビリテーションにおけるいくつかのrTMSのアプローチが行われている。研究では、影響を受ける半球の回復を促進することを望んで影響を受けると影響を受けない両半球を刺激した。これらの研究のほとんどで障害スコアに有意な改善と運動機能^3,30,52,54の全体的な短期的な改善があった。ほとんどのrTMSの方法と同様に、大規模、制御、および長期試験では、微調整プロトコルをし、治療の可能性を判断するために実行する必要があります。しかし、治療ツールとしてrTMSのこの簡単なレビューで実証約束は、その有効性を評価するためにこれらの大規模な研究の必要性を保証します。

結論

要約すると、この記事では、まず基本的なTMSの視覚的なアカウントを提供しようとしてきた手順 - で、少なくとも、当社のlが採用aboratory。さらに、我々はそれが人間の神経システムに関連するでTMSの他の科学的および臨床的な用途を強調し、議論しようとしてきた。研究は、TMSが指数関数的に成長しているとして人気とうまくいけばと続けて、新しい用途や技術は、神経筋系の我々の理解を促進するために実装されます。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Transcranial Magnetic Stimulator 2002 Transcranial Magnetic Stimulator Bi-Stim2 Figure-Eight 70-mm coil Double Cone Coil	Magstim	NA	TMS equipment (including coils)
Biodex System 4	Biodex	NA	Dynamometer
Biopac MP150 Data Acquisition System	Biopac Systems, Inc.	MP150WSW	A-D converter for EMG and force
AcqKnowledge 4.0 Data acquisition software	Biopac Systems, Inc.	ACK100W
Nikomed Trace 1 ECG electrodes	Nikomed	2015	EMG electrodes
Constant Current Stimulator	Digitimer Ltd.	DS7A	Peripheral nerve stimulator