Ikke-invasiv vurdering af ændringer i kortikomotoneuronal transmission i mennesker

Summary

Formålet med den foreliggende undersøgelse var at vurdere ændringer i transmissionen ved de kortikomotoneuronale synaps hos mennesker efter gentagen transcranial magnetisk stimulering. Til dette formål introduceres en elektrofysiologisk metode, der muliggør vurdering af vejspecifik corticospinal transmission, dvs. differentiering af hurtige, direkte corticospinale veje fra polysynaptiske forbindelser.

Abstract

Den kortikospinale vej er den vigtigste vej, der forbinder hjernen med musklerne og er derfor yderst relevant for bevægelseskontrol og motorindlæring. Der findes en række ikke-invasive elektrofysiologiske metoder, der undersøger excitabiliteten og plasticiteten af ​​denne vej. Imidlertid er de fleste metoder baseret på kvantificering af sammensatte potentialer og forsømmelse af, at den kortikospinale vej består af mange forskellige forbindelser, der er mere eller mindre direkte. Her præsenterer vi en metode, der muliggør testning excitabilitet af forskellige fraktioner af corticospinal transmission. Denne såkaldte H-reflekskonditioneringsmetode gør det muligt at vurdere excitabiliteten af ​​de hurtigste (monosynaptiske) og også polysynaptiske kortikospinale veje. Desuden tillader det ved hjælp af to forskellige stimuleringssteder, motorcortexen og cervicomedullary-forbindelsen, ikke kun differentiering mellem kortikale og spinalvirkninger, men også vurdering af transmissionen ved kortikommenOtoneural synaps. I dette manuskript beskriver vi, hvordan denne metode kan bruges til at vurdere corticomotoneural transmission efter lavfrekvent repetitiv transcranial magnetisk stimulering, en metode, der tidligere blev vist for at reducere excitabiliteten af ​​corticale celler. Her demonstrerer vi, at ikke kun corticalceller påvirkes af denne gentagne stimulering, men også transmission ved den kortikomotoneuronale synaps på spinalniveauet. Denne konklusion er vigtig for forståelsen af ​​grundlæggende mekanismer og steder for neuroplasticitet. Udover undersøgelse af grundlæggende mekanismer kan H-reflekskonditioneringsmetoden anvendes til at teste forandringer i corticospinal transmission efter adfærdsmæssig ( fx træning) eller terapeutisk intervention, patologi eller aldring og giver dermed en bedre forståelse af neurale processer, der ligger til grund for bevægelseskontrol og motor læring.

Introduction

I primater udgør corticospinalkanalen den største nedadgående vej, der styrer frivillige handlinger ¹ . Den kortikospinale vej forbinder motoriske kortikale områder med spinal α-motoneuroner via direkte monosynaptiske kortikomotoneuronale forbindelser og via indirekte oligo- og polysynaptiske forbindelser ^{2 , 3} . Selvom motorcortexen let kan spændes ikke-invasivt ved transcranial magnetisk stimulering (TMS), er det fremkaldte elektromyografiske respons på denne stimulering ofte vanskeligt at fortolke. Årsagen til dette er, at den sammensatte Motor Evoked Potential (MEP) kan påvirkes af ændringer i excitabiliteten af ​​intrakortiske og kortikospinale neuroner, spinale interneuroner og spinale a-motoneuroner ^{4 , 5 , 6 , 7} . Flere ikke-invasive elektrofysiologiCal-teknikker og stimuleringsprotokoller sigter mod at bestemme, om ændringer i corticospinal excitabilitet og transmission skyldes ændringer på kortisk eller spinalplan. Almindeligvis anvendes ændringer i amplituden af ​​den elektrisk fremkaldte H-refleks som "indikativ" for ændringer af excitabilitet ved motoneuronpuljen. Det blev dog tidligere vist, at H-refleksen ikke kun afhænger af motoneuronpuljens excitabilitet, men moduleres også af andre faktorer, såsom presynaptisk inhibering ^{8 , 9} eller homosynaptisk postaktiveringsdepression ^{5 , 10} . En anden begrænsning ved sammenligning af MEP'er og H-reflekser er invaliditeten til at registrere spændingsændringer på det interneuronale niveau ^{11 , 12} . Ud over disse ulemper kan motoneuronerne aktiveres forskelligt ved hjælp af perifer nervestimulering end wiTMS, således at ændringer i den motoneuronale excitabilitet ville påvirke disse responser på en anden slags måde i forhold til responser medieret via den kortikospinale vej ^{13 , 14 , 15} .

En anden metode, der anvendes til at adskille spinal fra kortikale virkninger, repræsenterer transcranial elektrisk stimulering (TES) i motorcortexen ¹⁶ . Anvendt ved lave stimuleringsintensiteter blev TES hævdet at være upåvirket af ændringer i kortikal excitabilitet. Da både TES og TMS aktiverer a-motoneuronerne via den kortikospinale vej, giver sammenligningen af ​​magnetisk og elektrisk fremkaldte MEP'er en mere attraktiv metode til at drage konklusioner om den kortikale karakter af ændringer i størrelsen af ​​MEP'erne end sammenligningen mellem H-reflekser Og medlemmer af Europa-Parlamentet. Men når stimuleringsintensiteten øges, påvirkes TES-fremkaldte MEP'er også af ændringer i kortikal excitabilitet <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Dette problem kan omgåes, når elektrisk stimulering ikke anvendes på motorcortexen, men ved cervicomedullær krydset. Selvom elektrisk stimulering kan fremkalde cervicomedullary motor fremkaldt potentialer (cMEPs) i øvre lemmer og underekstremmer, opfatter de fleste emner imidlertid elektrisk stimulering i hjernestammen (og cortex) som yderst ubehagelig og smertefuld. Et mindre smertefuldt alternativ er at aktivere den kortikospinale vej ved det cervicomedullære kryds ved anvendelse af magnetisk stimulering ved injektionen ¹⁹ . Det er almindeligt accepteret, at Cervicomedullary Magnetic Stimulation (CMS) aktiverer mange af de samme faldende fibre som motorisk kortikal TMS, og at ændringer i cortical excitability kan påvises ved at sammenligne MEP'er med cMEPs ¹⁹ . Forøgelser i excitabiliteten af ​​intrakortiske celler og corticomotoneuronale celler antages at lette den kortikaleFremkaldt MEP uden en samtidig ændring i den cervicomedullary fremkaldte MEP.

Imidlertid er det i de fleste individer umuligt at opnå magnetisk fremkaldte cMEP'er i den nedre ende ved hvile ^{20 , 21} . En fremgangsmåde til at overvinde dette problem er at hæve spinalmotoneurons excitabilitet ved frivillig forudinddragelse af målmusklen. Det er imidlertid velkendt, at små ændringer i kontraktionsstyrken påvirker cMEP's størrelse. Det er således vanskeligt at sammenligne forskellige opgaver. Endvidere vil ændringer i den motoneuronale spænding som følge af prækontraktion påvirke MEP'er og cMEP'er, men ikke nødvendigvis i samme omfang. Ved at sammenligne sammensatte MEP'er med sammensatte cMEP'er taber nogle oplysninger, der er indeholdt i de faldende volymer, tabt. Dette er blevet afsløret ved undersøgelser, der involverer konditionering af H-refleksen af ​​soleus-, tibialis-anterior- og carpi radialis-muskler ved hjælp af magnetisk motorisk kortikal stimuleringKl ^{12 , 22} . Ved at kombinere perifernervenstimulering og TMS over motorcortex med specifikke interstimulusintervaller (ISI), er det muligt at studere faciliterende og hæmmende virkninger af de forskellige faldende fullyser på H-refleksen. Denne teknik er stærkt inspireret af den rumlige facilitationsteknik, der anvendes til at bestemme transmission i neurale veje i dyreforsøg og kan ses som en ikke-invasiv, indirekte udgave af denne teknik ²³ . Mens H-refleksen ikke kun er vigtig for at skelne mellem forskellige fraktioner af den kortikospinale vej (hurtig versus langsommere kortikospinale fremskrivninger) er det også vigtigt at hæve spinal excitabilitet på en kontrolleret og sammenlignelig måde. Således i ro og under aktivitet muliggør denne kombination af stimuleringsteknikker vurdering af ændringer i forskellige fraktioner af den kortikospinale vej med en høj temporal opløsning, dvs. i tHan hurtigste, formodentlig monosynaptiske kortikomotoneuronale forbindelser og i langsommere oligo- og polysynaptiske veje ^{12 , 22 , 24 , 25} . For nylig blev denne teknik forlænget ved ikke kun at konditionere H-refleksen med TMS over motorcortex (M1-konditionering) men også ved yderligere konditioneringsstimulering ved cervicomedullary junction (CMS-condition) ²⁶ . Ved at sammenligne effekter mellem M1- og CMS-konditionering tillader denne teknik pathway-specifik differentiering med en høj temporal opløsning, og det tillader fortolkninger at foretages på kortikale kontra spinalmekanismer. Endvidere og vigtigst af hensyn til den aktuelle undersøgelse muliggør denne teknik vurdering af transmissionen ved kortikomotoneuralsynapset, når man overvejer den tidlige tilrettelæggelse. Den tidlige tilrettelæggelse af H-refleks er sandsynligvis forårsaget af aktiveringAf direkte monosynaptiske kortikomotoneurale fremspring til de spinale motoneuroner ^{12 , 26} . For at teste de hurtigeste kortikospinale veje og dermed den tidlige tilrettelæggelse, skal H-reflekset fremkaldes 2 til 4 ms før TMS. Årsagen til dette er MEP'ens lidt kortere varighed (ca. 32 ms, se ²⁷ ) i forhold til H-refleksen (ca. 34 ms, se ²⁵ ). Udløsning af H-reflekset kort før påføring af TMS fører til konvergens af de stigende og hurtigste faldende excitationer på niveauet af spinalmotoneuronerne. Når TMS påføres over cervicomedullary krydset, kommer den nedadgående volley ankomme omkring 3 - 4 ms tidligere ved spinal motoneuron puljen end efter stimulation over M1. Til CMS-konditionering bør perifernervenstimulering derfor fremkaldes 6-8 ms før den magnetiske puls. En ændring af den tidlige tilrettelæggelse efter CMS-condition indikerer differential trFrigivelse ved synaps mellem corticospinalkanalen og a-motoneuron ²⁸ . I den nuværende undersøgelse blev denne nyligt udviklede teknik brugt til at differentiere spinal fra kortikale effekter efter lavfrekvent gentagne TMS (rTMS). Mere specifikt antog vi, at hvis den tidlige tilrettelæggelse med M1-konditionering er reduceret efter rTMS-indgrebet, men den tidlige tilrettelæggelse efter CMS-konditionering ikke er, bør effekten være rent cortisk oprindelse. I modsætning hertil, hvis den tidlige tilrettelæggelse med CMS-konditionering også ændres, bør denne ændring relateres til mekanismer, der finder sted på spinalplan. Mere specifikt, da den tidlige tilrettelæggelse af H-refleksen antages at være forårsaget af aktivering af direkte, kortikomotoneuronale fremspring til de spinale motoneuroner ^{12 , 29} , en ændring af CMS- og M1-konditioneret H-refleks på tidspunktet for Tidlig tilrettelæggelse bør indikereE en ændret kortikomotoneuronal transmission, dvs. synaptisk effekt ²⁸ .

Protocol

Denne protokol blev godkendt af det lokale etiske udvalg, og forsøgene er i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen (1964).

1. Emneforberedelse

BEMÆRK: Emneanvisninger - Inden forsøget påbegyndes, instruerer hvert fag om formålet med undersøgelsen og mulige risikofaktorer. Med hensyn til transcranial magnetisk stimulering (TMS) omfatter medicinske risici enhver form for epileptisk anfald, mentale implantater i øjnene og / eller hovedet, sygdomme i det kardiovaskulære system og graviditet. Ekskluder alle fag, der bekræfter en af ​​disse risikofaktorer. Desuden udelukker alle forsøgspersoner med neurologisk og / eller ortopædisk sygdom i forsøget med at teste sunde individer.

1. Emneplacering
   1. Placer emnet i en stol, der understøtter ben, bagagerum og hoved på plads. Sørg for, at benene er udstrakte, så knæene er ekstremtEndte og perifere nerve er tættere på huden, hvilket gør nerveren nemmere og mere pålidelig excitabel ved elektrisk stimulering.
   2. Sørg for, at motivets hoved er bøjet, hvilende på en stabil underlag, f.eks. Et bord og er fastgjort med puder. Sørg for, at nakke og atlanto-occipital er bøjet for at muliggøre stimulering af den kortikospinale vej.
   3. Placer den dobbelte kegle magnetiske spiral, så dens centrale del placeres på eller nær inionen, og det første derivat af den inducerede strøm er kranialt rettet ^{19 , 26} . Brug elastiske stropper på hovedet og bagagerummet for at sikre, at denne position opretholdes gennem hele eksperimentet.
2. Ved anvendelse af overfladeelektroder måles de elektrofysiologiske reaktioner ved perifere nervestimulering (PNS) og TMS.
   1. Klargør huden over muskelbukken af ​​soleus ved barbering, desinfektion med propanol og lys abrasion.
      1. Anbring selvklæbende EMG-elektroder på huden over muskelbukken på m. soleus. Placer en referenceelektrode på huden over benet, f.eks. På patella eller medial malleolus.
      2. Tilslut alle elektroder til en EMG-forstærker og endelig en analog-digital konverter. Forstærk EMG signaler (× 1000), bandpassfilter (10-1000 Hz) og prøve ved 4 kHz.
   2. PNS
      1. Ved H-refleksbehandling registreres H-reflekser i soleus-muskelen ved at stimulere den bageste tibialnerve i popliteal fossa.Apply stimulation med firkantbølgespulser, der varer 1 ms. Til stimulering skal du fiksere en anode på 5 x 5 cm med tape på den forreste side af knæet lige under patellaen.
         BEMÆRK: Stabil H-refleksamplitude er en forudsætning for vellykket H-refleksbehandling, og den mindste variabilitet af alle muskler kan findes ved optagelse fra soleus muskel.
      2. Flyt katoden i popliteaL fossa indtil den bedste position for stimulering er fundet.
         BEMÆRK: Den bedste position refererer til optagelse af H-reflekser i soleus-muskelen med minimal stimuleringsintensitet uden en synlig M-bølge i EMG-optagelserne ved disse lave stimuleringsintensiteter og uden at modtage noget respons i antagonisten m. tibialis.
      3. Undgå svar i m. Tibialis muskel som de kan påvirke resultater ved gensidig hæmning fra Ia afferenter af n. Peroneus communis til spinal motoneurons af soleus muskel. Efter at have fundet den optimale placering, læg en selvklæbende elektrode på huden og fastgør elektroden med tape for at sikre konsistente stimuleringsforhold.
   3. TMS
      1. Stimulere det motoriske kortikale område på den kontralaterale halvkugle med TMS ved hjælp af en figur otte spole for at fremkalde motorfremkaldte potentialer (MEP'er) i den elektromyografiske optagelse af soleus-muskelen.
      2. For at finde det optimale stimuleringspunkt, plaFør spolen først over vinklen og 1 cm foran. Spolens håndtag skal pege baglæns, hvilket fremkalder en bageste til den forreste flux af den inducerede strøm i midten af ​​spolen.
      3. Start stimulering med lave intensiteter på omkring 20-30% af den maksimale stimulatorudgang, så emner bliver vant til den magnetiske stimulus. Vælg pause mellem successive stimuli for at være 4 s.
      4. Efter et par forsøg øges stimuleringsintensiteten til ca. 40-60% af den maksimale stimulatorudgang og bevæger spiralen i frontal-rostral og medi-lateral retning for at finde hotspot af m. soleus. Hotspot er defineret som den position, hvor MEP'er i m. Soleus kan fremkaldes med minimal stimuleringsintensitet.
      5. Efter at have fundet soleus-hotspotet bestemmes hvilemotortærsklen (1,0 MT) som den minimale intensitet, der kræves for at fremkalde MEP peak-to-peak amplituder i EMG større end 50 μV i seks ud af ti på hinanden følgende forsøg ³⁰. I emner, hvor baggrunden EMG allerede er omkring 50 μV, skal du bruge 100 μV som tærskelværdi.
   4. Fastgørelse af spolen
      1. Placer fagets hoved på et bord (se "Emneplacering") og brug stift skum for at forhindre hovedbevægelser i alle retninger. Fastgør spolen til en stativ og motivets hoved til stolen.
      2. Fastgør spolen med borrelås til hovedet og brug et billedstyret TMS navigationssystem til overvågning af spole og hovedposition gennem hele eksperimentet. Undgå selv små bevægelser af spolen i forhold til individets hoved, da dette ændrer rekruttering af neuroner af TMS.
   5. Magnetisk stimulering ved Cervicomedullary Junction
      1. Brug en magnetisk spole med dobbelt kegle placeret ved cervicomedullary-krydset for at excitere axons i kortikospinalkanalen.
      2. Placer spolen, således at det første derivat af den inducerede strøm iS kranialt rettet, og at dens centrale del er på eller nær inionen. Anvend stimulering med maksimal stimulator output (100%).
         BEMÆRK: Selv med denne høje stimuleringsintensitet er stimulus for svag til at rekruttere spinalmotoneuroner tilstrækkeligt og aktivere underbenets muskler ( dvs. m. Soleus og m. Tibialis anterior) hos de fleste forsøgspersoner. Således med cervicomedullær stimulering er der således intet sammensat potentiale i overfladen EMG i underbenets muskler. Derfor kombinere cervicomedullary simulering med H-refleks (se "3.1) for at øge spinal motoneurons excitabilitet.

2. Forudmåling

1. Juster størrelsen af ​​H-refleksen (perifer nervestimulering)
   1. Til H-refleksbehandling skal du justere H-refleksens størrelse til 20% af den maksimale M-bølge (Mmax) ³¹ ved at ændre stimuleringsintensiteten af ​​den elektriske stimulator. For at opnå Mmax skal du optage enH-refleks rekrutteringskurve. Til dette formål anvender stimuli med varierende stimuleringsintensiteter. Pausen mellem successive forsøg er 4 s.
   2. Beregn H-reflekser og M-bølger som peak-to-peak amplituder i EMG (i mV) online i optagelsessoftwaren. Pas på, at størrelsen af ​​kontrol H-refleks forbliver konstant ved 20% af Mmax gennem hele eksperimentet, og kontroller dens størrelse i hvert forsøg. Ved detektering af en systematisk afvigelse af H-refleksstørrelsen (kontrol H-refleks er altid mindre eller større som målestørrelsen), juster stimuleringsintensiteten lige før det på hinanden følgende forsøg.
2. Juster stimuleringsintensiteten af ​​TMS før eksperimentet.
   1. Til H-refleks konditionering i hvile, sæt stimuleringsintensiteten for TMS over motorcortex til 90-100% af MT. Sikre, at ingen MEP ses i forsøg uden PNS.
      BEMÆRK: Simuleringsintensiteten skal være tæt på 100% af MT for at sikre store effekter på den konditionerede H-refleks ved rEr så, at den tidlige tilrettelæggelse nemt kan detekteres.
   2. Juster cervicomedullary stimuleringsintensitet forud for eksperimentet. I modsætning til cortical stimulation skal du altid justere stimuleringsintensiteten til cervicomedullær stimulering til 100% af den maksimale stimulatorudgang.
3. Tilstand H-refleksen med magnetisk stimulering over motorcortexen.
   1. Påfør TMS og PNS ved at variere timingen mellem de to stimuli (H-refleksbehandling) for at muliggøre vurdering af ændringer i kortikomotoneuronal transmission. For at detektere den tidlige tilpasning, start konditionsprotokollen med et interstimulusinterval (ISI) på -5 ms og ændrer ISI'er i trin på millisekunder, fra -5 - +1 ms ( Figur 1B ).
      BEMÆRK: Negative ISI'er indikerer at PNS fremkaldes før TMS, positive ISI'er angiver det modsatte.
   2. Varierer ISI mellem TMS og PNS tilfældigt fra stimuleringsforsøg til stimuleringsforsøg, så ingen forskydning skyldes en bestemt rækkefølgeAf stimuli kan opstå.
      BEMÆRK: Den "tidlige tilrettelæggelse" bør forekomme omkring ISI'er -4 ms til -2 ms, når der påføres TMS over motorcortexen. Dette betyder, at de hurtigste (monosynaptiske corticospinale veje) kolliderer med den afferente volley af PNS hos spinalmotoneuronerne på dette tidspunkt (se 5.2 for at detektere den tidlige tilpasning).
   3. Indstil pause mellem successive stimuleringsforsøg til 4 sekunder.
4. Tilstand H-refleksen med magnetisk stimulering over cervicomedullary-forbindelsen.
   BEMÆRK: Brug af cervicomedullary stimulering til konditionering er ekspitation af de kortikospinale veje rumligt tættere på de spinale motoneuroner end med stimulering af motorcortexen. Derfor forskydes ISI svarende til den tidlige tilpasning med ca. 3 - 4 ms. Som et eksempel ville den tidlige tilpasning med TMS over den primære motorcortex ved -4 ms svare til en ISI mellem -7 - -8 ms med cervicomedullær stimulering.
5. Alternerende stimulering over motor Cortex og Cervicomedullary Junction
   1. Påfør konditionering af SOL H-reflekset ved magnetisk stimulering af motorcortex (M1-konditionering, se 2.1) og ved magnetisk cervicomedullary stimulation (CMS-konditionering, se 2.2) i tilfældig rækkefølge under samme forsøg.
      BEMÆRK: Det anbefales at skiftevis anvende M1- og CMS-konditionering i et og samme forsøg for at henvise de konditionerede H-reflekser til den samme prøve af H-reflekser (sEe Figur 1 ).

3. Intervention - Langsom gentagen TMS

1. Indstil stimuleringsintensiteten til 1,2 MT, hvilket inducerer en langvarig ^{32 , 33-} undertrykkelse af corticospinal excitabilitet, der kræves som H-refleksbehandling tager flere minutter at opnå. Under rTMS-indgrebet anvender TMS over primærmotorcortexen ved 1 Hz i 20 minutter.

4. Postmåling

1. Direkte efter indgrebet anvender H-refleksbehandling med de samme ISI'er som anvendt i formålingen.
2. Brug samme stimuleringsintensiteter for magnetisk stimulering over M1 og cervicomedullary-forbindelsen end i for-måling.
3. Sørg for, at kontrol H-refleks har samme størrelse som i formålingen. Hvis der opdages en systematisk afvigelse, skal du justere stimuleringsintensiteten.

5. DaTa behandling

1. Beregn alle fysiologiske reaktioner som H-reflekser, MEP'er og konditionerede H-reflekser som peak-to-peak-amplituder af den ikke-rektificerede EMG.
   1. For hver ISI, gennemsnitlig ti konditionerede H-reflekser for a) kortikal og b) cervicomedullær stimulering. Derudover gennemsnitlige ti kontrol ( dvs. ubetingede) H-reflekser, der tjener som reference ( dvs. 100%) for de konditionerede H-reflekser.
   2. Følgelig udtrykker den gennemsnitlige amplitude af de konditionerede H-reflekser for hver ISI som en procentdel af den gennemsnitlige amplitude af kontrol-H-reflekset i både før- og eftermåling. Pas på, når du bestemmer den tidlige tilrettelæggelse, da dette er af afgørende betydning:
      BEMÆRK: Da der er indbyrdes individuel variabilitet i forekomsten af ​​starten af ​​den tidlige tilrettelæggelse, bestemmes den tidlige tilrettelæggelse i formålingen for hvert fag særskilt.
2. Brug nonparametric Wilcoxon tests til at bestemme thE første opstigning af den konditionerede H-refleks. For CMS-konditionering, start testene ved ISI -9 ms, til M1-konditionering, søg den tidlige tilrettelæggelse, der begynder ved ISI -5 ms. Sammenlign amplituden af ​​denne tidlige tilrettelæggelse opnået i førmålingen med amplituden af ​​den tidlige tilrettelæggelse opnået i eftermålingen ved anvendelse af samme ISI.
3. Kontroller desuden den tidlige tilrettelæggelse ved visuel inspektion.
   BEMÆRK: Efter M1-konditionering er det sandsynligvis, at den tidlige tilrettelæggelse finder sted omkring ISI -3 ms. Kort efter den første stigning i den konditionerede H-refleks, dvs. 1 til 2 ms senere, er der et fald i den konditionerede H-refleks, før den stiger igen. Efter CMS-konditionering vil den tidlige tilrettelæggelse sandsynligvis forekomme omkring ISI -7 ms, således ca. 4 ms tidligere end efter M1-konditionering.

Representative Results

Forekomsten af ​​den tidlige tilrettelæggelse efter M1- og CMS-konditionering

H-refleksbehandling med TMS over M1 resulterede i en tidlig tilpasning, der opstod omkring ISI -3 og -4 ms. Den tidlige tilrettelæggelse efter CMS-konditionering opstod omkring 3 ms tidligere (henholdsvis ISI -6 og -7 ms). Eksempler på ISI-kurver på et emne vises i figur 1 . I den foreliggende undersøgelse blev den tidlige tilrettelæggelse vurderet inden for de første ms af forekomsten med både M1- og CMS-konditionering (se figur 1C , D ). Det er således rimeligt at antage, at denne tidlige tilpasning afspejler aktivitet af direkte monosynaptiske corticospinale veje ^{12 , 22 , 24 , 29 ,}Lass = "xref"> 34. De efterfølgende resultater koncentrerer sig derfor om denne tidlige tilrettelæggelse for at give en indikation af, hvordan behandlingen ændres i direkte monosynaptiske kortikospinale veje efter rTMS.

RTMS-inducerede ændringer i amplituden af ​​den tidlige tilpasning

Efter 20 minutter af rTMS var der et fald i både den tidlige tilpasning med M1-konditionering og den tidlige tilpasning med CMS-konditionering. I kontrast forblev kontrol H-reflekset på et konstant niveau. I figur 2 A, B, C vises et eksempel på et repræsentativt emne. I figur 2 D, E, F er gennemsnittet af to fag tilvejebragt. Det kan ses, at selv om reduktionen ikke er så fremtrædende efter CMS-condition, end efter M1-konditionering, er det alligevel klart synlig. DAta sæt af hele prøven kan ses i ²⁸ .

Figur 1 : Fremgangsmåde for M1- og CMS-konditionering.
Denne ændrede figur fra en af ​​vores tidligere publikationer ²⁸ viser en skematisk tegning af M1- og CMS-konditioneringsproceduren. (A) Det kan ses, at en spole er anbragt over den primære motor cortex (angivet som M1) og den anden over cervicomedullary junction (angivet som CMS). ( B), da de nedadgående fyldninger efter magnetisk stimulering af primærmotorcortexen (M1-cond) og cervicomedullar-forbindelsen (CMS-cond) dispergeres i nogle ms, men perifere nervestimulering (H-refleks) kun giver en kort effekt, H-refleks kan forskydes fremad i forhold til den faldende volumenY, så den kolliderer med den hurtige (de) fraktion (er) af den nedadgående kortikospinale volley (tidlig tilpasning) eller den kan forskydes baglæns, således at langsommere kortikospinale veje kan testes (sen facilitation). I C vises en H-reflekskonditioneringskurve efter M1-konditionering. I D er H-refleksbetingelseskurven efter CMS-konditionering illustreret. (Figur ændret fra ²⁸ med tilladelse fra Oxford University Press). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2 : Effekter af lavfrekvens rTMS på tidlig facilitation efter M1- og CMS-condition.
I A, B, & C Ong> data (gennemsnit af 10 spor) af et repræsentativt emne før og efter rTMS-indgrebet vises. Det kan ses, at de konditionerede H-reflekser, der repræsenterer de tidlige tilrettelæggelser, reduceres efter både M1- (A) og CMS-condition (B), medens kontrol H-reflekserne forbliver uændrede (C). I D, E, & F vises gennemsnittet af to emner, der viser det samme mønster: reduktion i både M1- og CMS-konditionerede H-reflekser uden nogen ændring i kontrol H-refleks. Reduktionen efter CMS-konditionering indikerer ændret transmission ved de kortikomotoneuronale synaps. Det kan imidlertid ses, at undertrykkelsen efter rTMS er større efter M1-konditionering. Således kan også dybtgående ændringer på det motoriske kortikale niveau antages. P-værdier i den første række refererer til dataene for det enkelte emne. (Figur ændret fra ²⁸ med tilladelse fra Oxford University Press).Pload / 52663 / 52663fig2large.jpg "target =" _ blank "> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

H-reflekskonditioneringsproceduren beskrevet her er specifikt rettet til at vurdere akutte ændringer i transmissionen over den kortikomotoneuronale synaps efter gentagen aktivering af den kortikospinale vej ²⁸ . I denne henseende har H-refleks-konditionering fremhævet, at rTMS ikke kun påvirker excitabiliteten af ​​kortikale strukturer, men har også en virkning på corticomotoneural transmission ved corticomotoneural synaps. Denne metode kan imidlertid faktisk have bredere anvendelse, da ændringer i corticospinal transmission sker under motorudvikling og aldring, motorlæring, motion og træning, træthed, inaktivitet, genopretning fra skade, neurofysiologiske og terapeutiske interventioner, patologi mv. Desuden kan metoderne være Anvendes hos fysiske personer eller hos patienter, så længe sikkerhedsforanstaltningerne for TMS følges.

Den indførte metode kan anvendes til at studere indenfor session efFekter som i den nuværende kontekst eller langsgående virkninger på tværs af et længere tidsrum. M1-konditioneringsteknikken er tidligere blevet påvist for at tillade en pålidelig vurdering af virkninger som fx 8 uger med immobilisering ³⁵ , 4 ugers balancetræning ^{36 , 37} og fire uger med ballistisk styrketræning ³⁶ . I alle disse undersøgelser blev der ikke observeret ændringer i de konditionerede H-reflekser i kontrolgrupperne, som ikke blev udsat for adfærdsmæssig intervention. I betragtning af CMS-konditioneringsteknikken efter vores kendskab er der endnu ikke offentliggjort nogen undersøgelser om langtidseffekter.

En konditioneringsprotokol med ca. 12-14 ISI'er varer ca. 15 minutter. Dette betyder, at denne stimuleringsprotokol ikke er egnet til at vurdere kortere varig neural plasticitet. Det er dog ofte muligt at begrænse proceduren efter interventionenTørrer målrettet specifikt fx den tidlige tilrettelæggelse, der vurderes i for-måling, og derved kortlægger procedurens varighed markant til et par minutter. I dette tilfælde er det vigtigt at bestemme den tidlige tilrettelæggelse for hvert fag individuelt. Dette blev lavet i basislinjemåling og senere sammenlignet med den tidlige tilrettelæggelse opnået i eftermålingen ved anvendelse af de samme ISI (er).

Fordelen ved at konditionere H-reflekset ved hjælp af TMS anvendt over M1 eller cervicomedullær krydset i stedet for at overvåge forbindelsespotentialerne er to gange. For det første er det muligt at måle selektivt transmission af forskellige corticospinale fremskrivninger, for eksempel for at vurdere ændringer i den tidlige faciliteringsreflekterende aktivitet af hurtige og direkte corticomotoneuronale fremskrivninger. Dette er en stor fordel i forhold til analyse af sammensatte potentielle amplituder, da disse sidstnævnte reaktioner påvirkes af en række direkte og indirekte virkningers. For det andet er det ofte ikke muligt at fremkalde sammensatte potentialer (CMEP'er) ved hjælp af cervicomedullær magnetisk stimulering alene, især for musklerne i nedre ekstremiteter og under målinger i hvile (Ugawa et al., 1994, Oya et al., 2008). Ved anvendelse af H-refleksbehandling øger H-reflekset modtagelsen af ​​spinale motoriske neuroner til corticospinal transmission. Det er imidlertid vigtigt at holde størrelsen af ​​SOL-kontrollen H-refleks konstant gennem hele eksperimentet på omkring 20-25% af M _max, da det tidligere blev påvist, at følsomheden af ​​H-refleksen til faciliterende eller hæmmende input afhænger afgørende af Dens størrelse ³¹ .

For at vurdere, om ændringer i corticospinal excitabilitet eller transmission skyldes ændringer på kortisk eller spinalplan, har en række undersøgelser sammenlignet responser fremkaldt af TMS over M1 med respons efter TES af M116. TMS og TES adskiller sig i forhold til thHvordan de fremkalder nedadgående corticospinale fulder. Med TMS frembringes en stor del af den sammensatte reaktion ved transsynaptisk excitation af corticospinale celler ^{38 , 39} . I modsætning hertil depolererer TES en større andel af corticospinale neuroner på en direkte måde, sandsynligvis på et aksonalt sted fjernt til axonhøjen, hvilket resulterer i en såkaldt "direkte" eller D-bølge ^{38 , 39 , 40} . Ændringer i motorisk cortex excitabilitet påvirker følgelig stærkere respons efter TMS end dem efter TES - i hvert fald ved lave stimuleringsintensiteter ^{17 , 18} . I den nuværende sammenhæng blev TES ikke anvendt, fordi a) denne form for stimulering er forbundet med stor smerte og b) vi ønskede at sikre udelukkelse af kortikale påvirkninger. Derfor sammenlignede vi svarene eliciTed med TMS over M1 med svar fremkaldt af TMS ved cervicomedullary junction. For at tillade stimulering af den kortikospinale vej på det cervicomedulære niveau er det nødvendigt at placere individet i en stilling, hvor nakke og atlanto-occipitale led er bøjet for at tillade positionering af spolen, således at dens centrale del placeres på Eller nær inionen, hvilket resulterer i en kranialt rettet strøm ^{19 , 26} . Ændringer i svarene på denne CMS-konditioneringsprocedure kan derfor tydeligt tilskrives ændringer på spinalniveau. Da den tidlige tilrettelæggelse af den konditionerede H-refleks menes at være forårsaget af aktivering af direkte, kortikomotoneuronale fremspring til de spinale motoneuroner ^{12 , 29} , indikerer en ændring af den CMS-betingede H-refleks på tidspunktet for den tidlige tilrettelæggelse En ændret corticomotoneuronal transmission dvs. 28 .

Selv om det faktisk er et relevant perspektiv, at de beskrevne metoder også kan anvendes for at opnå målinger for de øvre ekstremiteter gennem stimulation af perifere nerver i armen og optagelser fra arm- eller håndmuskler, er denne teknik begrænset til muskler, hvori den er Muligt at fremkalde en stabil H-refleks. På grund af den ubehagelige karakter af CMS-konditionering kan emner endvidere spændes i forventning om stimulus. Det er således vigtigt at randomisere M1- og CMS-konditionering for at undgå en systematisk forspænding. Af samme grund kan visse eksperimenter, der involverer mentalsimulering eller reaktionstid, endda ikke være mulige. For eksempel bad vi fag om at forestille sig visse postural opgaver (jf. ⁴¹ ), men emner kunne ikke koncentrere sig om mental simulering, når man forudser CMS-condition. En anden begrænsning er brugen af ​​denne metode under mereDynamiske opgaver, da det er a) meget vanskeligt at fiksere spolen over cervicomedullary krydset og b) at holde hovedet i en bøjet position. Endelig er metoden meget tidskrævende, hvilket yderligere begrænser dets anvendelse i vid forstand.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Self-adhesive EMG electrodes	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to record EMG signals
Electrical stimulator	Digitimer DS7A, Hertfordshire, UK		Used to elicit the soleus H-reflex
Stimulating electrode	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to elicit the soleus H-reflex
Magnetic stimulator #1	Magstim Rapid2 TMS stimulator, Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil #1: 90 mm figure-of-eight coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
			Stimulator #1 and coil #1 were used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex)
Magnetic stimulator #2	MagPro X100 with MagOption, MagVenture A/S, Farum, Denmark		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Co#2: 95 mm focal “butterfly-shaped” coil (D-B80)	MagVenture A/S, Farum, Denmark
Stimulator no2 and coil no2 were used in the video session
Magnetic stimulator #3	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Coil #3: double-cone magnetic coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Image-guided TMS navigational system #1	Brainsight 2, Rouge Research, Montreal, Canada		Used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex) to monitor coil position throughout the experiment
Image-guided TMS navigational system #2	TMS Navigator SW-Version 2.0, LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany	Used for the video session
Literature:
Taube et al. 2014	Taube, W., Leukel, C., Nielsen, J. B. & Lundbye-Jensen, J. Repetitive Activation of the Corticospinal Pathway by Means of rTMS may Reduce the Efficiency of Corticomotoneuronal Synapses. Cerebral cortex, doi:10.1093/cercor/bht359 (2014).