Niet-invasieve beoordeling van veranderingen in de corticomotoneuronale transmissie bij mensen

Summary

Het doel van de huidige studie was om veranderingen in transmissie bij de corticomotoneuronale synaptes in mensen na de herhalende transcraniale magnetische stimulatie te beoordelen. Hiervoor wordt een elektrofysiologische methode geïntroduceerd die het mogelijk maakt om de path-specifieke corticospinale transmissie te beoordelen, dwz de differentiatie van snelle, directe corticospinale pathes van polysynaptische verbindingen.

Abstract

De corticospinale weg is de belangrijkste weg die de hersenen verbindt met de spieren en is daarom zeer relevant voor bewegingscontrole en motorisch leren. Er bestaan ​​een aantal niet-invasieve elektrofysiologische methoden die de excitabiliteit en plasticiteit van deze weg onderzoeken. De meeste methoden zijn echter gebaseerd op kwantificering van samengestelde potenties en verwaarlozen dat de corticospinale weg bestaat uit veel verschillende verbindingen die min of meer direct zijn. Hier presenteren wij een methode die het mogelijk maakt om excitabiliteit van verschillende fracties van de corticospinale transmissie te testen. Deze zogenaamde H-reflex conditioning techniek maakt het mogelijk om de excitabiliteit van de snelste (monosynaptische) en ook polysynaptische corticospinale pathways te beoordelen. Bovendien maakt het gebruik van twee verschillende stimuleringsplaatsen, de motorcortex en de cervicomedullaire kruising niet alleen een onderscheid tussen corticale en spinale effecten, maar ook de beoordeling van de transmissie bij de corticomOtoneurale synaps. In dit manuscript beschrijven we hoe deze methode kan worden gebruikt om corticomotoneurale transmissie te beoordelen na een lage frequentie repetitieve transcraniale magnetische stimulatie, een methode die eerder werd getoond om de excitabiliteit van corticale cellen te verminderen. Hier laten wij zien dat niet alleen corticale cellen door deze herhalende stimulatie worden beïnvloed, maar ook overdracht bij de corticomotoneuronale synaps op het ruggengraatniveau. Deze bevinding is belangrijk voor het begrijpen van basismechanismen en plaatsen van neuroplasticiteit. Naast het onderzoek naar basismechanismen kan de H-reflex conditioneringstechniek worden toegepast om de veranderingen in de corticospinale transmissie na het gedrag (bijvoorbeeld training) of therapeutische interventies, pathologie of veroudering te toetsen, waardoor een beter inzicht kan worden in neurale processen die onder invloed zijn van bewegingscontrole en motor aan het leren.

Introduction

Bij primaten vormt het corticospinale kanaal de belangrijkste aflopende weg die de vrijwillige acties ¹ regelt. De corticospinale route verbindt motorcorticale gebieden met spinale α-motoneuronen via directe monosynaptische corticomotoneuronale verbindingen en via indirecte oligo- en polysynaptische verbindingen ^{2 , 3} . Hoewel de motorcortex gemakkelijk kan worden opgewonden door transcraniale magnetische stimulatie (TMS), is de opgewekte elektromyografische reactie op deze stimulatie vaak moeilijk te interpreteren. De reden hiervoor is dat de samengestelde Motor Evoked Potential (MEP) beïnvloed kan worden door veranderingen in de excitabiliteit van intracortische en corticospinale neuronen, spinale interneuronen en spinale α-motoneuronen ^{4 , 5 , 6 , 7} . Verschillende niet-invasieve elektrofysiologieCal-technieken en stimulatieprotocollen zijn erop gericht om te bepalen of veranderingen in corticospinale excitabiliteit en transmissie veroorzaakt worden door veranderingen op het corticale of ruggengraatniveau. Gewoonlijk worden veranderingen in de amplitude van het elektrisch opgewekte H-reflex gebruikt als 'indicatief' van veranderingen van excitabiliteit bij het motoneuronpool. Echter werd eerder aangetoond dat het H-reflex niet alleen afhangt van de excitabiliteit van het motoneuron-pool, maar wordt ook gemoduleerd door andere factoren, zoals presynaptische remming ^{8 , 9} of homosynaptische post-activatie depressie ^{5 , 10} . Een andere beperking bij het vergelijken van EP-leden en H-reflexen is de handicap om excitabiliteitsveranderingen op het interneuronale niveau ^{11 , 12 te} detecteren. Naast deze nadelen kunnen de motoneuronen anders geactiveerd worden door perifere zenuwstimulatie dan wiTh TMS, zodat veranderingen in de motoneuronale excitabiliteit deze responsen op een andere manier kunnen beïnvloeden in vergelijking met reacties gemedieerd via de corticospinale route ^{13 , 14 , 15} .

Een andere methode die gebruikt wordt om ruggengraat te scheiden van corticale effecten vertegenwoordigt transcraniale elektrische stimulatie (TES) van de motorcortex ¹⁶ . Toepassing bij lage stimulatie intensiteiten, werd aangevoerd dat TES niet beïnvloed zou worden door veranderingen in corticale excitabiliteit. Aangezien zowel TES als TMS de a-motoneuronen via de corticospinale weg activeren, biedt de vergelijking van magnetisch en elektrisch geëxploiteerde EP-leden een aantrekkelijkere methode om conclusies te trekken over de corticale aard van veranderingen in de grootte van de EP-leden dan de vergelijking tussen H-reflexen En EP-leden. Wanneer de stimulatieintensiteit echter toeneemt, worden TES-geroepen EP-leden ook beïnvloed door veranderingen in corticale excitabiliteit <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Dit probleem kan worden omzeild wanneer elektrische stimulatie niet op de motorcortex wordt toegepast, maar bij de cervicomedullaire kruising. Echter, hoewel elektrische stimulatie kan leiden tot cervicomedullaire motorontwikkelde potentia (cMEPs) in de bovenste ledematen en de onderste ledematen, zien de meeste onderwerpen de elektrische stimulatie bij de hersenstam (en cortex) als zeer onaangenaam en pijnlijk. Een minder pijnlijk alternatief is het activeren van de corticospinale weg bij de cervicomedullaire kruising door middel van magnetische stimulatie bij de inie ¹⁹ . Het is algemeen aanvaard dat Cervicomedullary Magnetic Stimulation (CMS) veel van dezelfde daling vezels activeert als motorcorticale TMS en dat veranderingen in corticale excitabiliteit kunnen worden gedetecteerd door het vergelijken van EP-leden met cMEPs ¹⁹ . Verhogingen in de excitabiliteit van intracortische cellen en corticomotoneuronale cellen zijn aannemelijk om de corticaal te vergemakkelijkenOpgeroepen EP-lid zonder een gelijktijdige verandering in het cervicomedullary-geroepen EP-lid.

In de meeste vakken is het echter onmogelijk om magnetisch opgewekte cMEPs in de onderste ledematen in rust ^{20 , 21 te} verkrijgen. Een aanpak om dit probleem te verhelpen is om de excitabiliteit van spinale motoneuronen te verhogen door vrijwillig de doelspier te pre-contracteren. Het is echter welbekend dat kleine veranderingen in samentrekkingssterkte de grootte van het cMEP beïnvloeden. Zo is het moeilijk om verschillende taken te vergelijken. Daarnaast zullen veranderingen in de motoneuronale excitabiliteit als gevolg van pre-contractie invloed hebben op EP-leden en cMEPs, maar niet noodzakelijkerwijs in dezelfde mate. Tenslotte, door samengestelde MEPs te vergelijken met samengestelde cMEPs, is er wat informatie in de aflopende volumes verloren. Dit is aangetoond door studies waarbij de H-reflex van soleus-, tibialis-anterior- en carpi radialis-spieren wordt geconditioneerd door middel van magnetische motor corticale stimulatieOm ^{12 , 22} . Door perifere zenuwstimulatie en TMS over de motorcortex te combineren met specifieke interstimulusintervallen (ISI), is het mogelijk om faciliterende en remmende effecten van de verschillende aflopende volleys op het H-reflex te bestuderen. Deze techniek wordt sterk geïnspireerd door de ruimtelijke vereenvoudigingstechniek die gebruikt wordt om transmissie in neurale pathways in dierproeven te bepalen en kan gezien worden als een niet-invasieve, indirecte versie van die techniek ²³ . Hoewel het H-reflex niet alleen belangrijk is om te onderscheiden tussen verschillende fracties van de corticospinale weg (snel versus langzamer corticospinale projeksies), is het ook essentieel om de spinale excitabiliteit op een gecontroleerde en vergelijkbare manier te verhogen. Dus in rust en tijdens de activiteit maakt deze combinatie van stimulatietechnieken het mogelijk om veranderingen in verschillende fracties van de corticospinale weg met een hoge temporale resolutie te evalueren, dwz in tHij snelste, vermoedelijk monosynaptische corticomotoneuronale verbindingen en in langzamer oligo- en polysynaptische pathways ^{12 , 22 , 24 , 25} . Onlangs is deze techniek uitgebreid door niet alleen de H-reflex met TMS over de motorcortex (M1-conditionering) te conditioneren, maar ook door aanvullende conditioneringsstimulatie bij de cervicomedullary junction (CMS-conditioning) ²⁶ . Door effecten tussen M1- en CMS-conditionering te vergelijken, maakt deze techniek pathspecifieke differentiatie mogelijk met een hoge temporale resolutie en kan interpretaties worden gemaakt op corticale versus spinale mechanismen. Verder en vooral met betrekking tot de huidige studie maakt deze techniek het mogelijk om de transmissie bij de corticomotonale synaps te beoordelen bij het overwegen van de vroege vereenvoudiging. De vroege vereenvoudiging van het H-reflex is waarschijnlijk veroorzaakt door activatieVan directe, monosynaptische corticomotoneurale projeksies op de spinale motoneuronen ^{12 , 26} . Om de snelste corticospinale pathes te testen en dus de vroege vereenvoudiging, moet de H-reflex 2 tot 4 ms worden opgewekt voor de TMS. De reden hiervoor is de iets kortere latentie van de MEP (ongeveer 32 ms, zie ²⁷ ) in vergelijking met de H-reflex (ongeveer 34 ms, zie ²⁵ ). Het korten van het H-reflex kort voor het aanbrengen van TMS leidt tot convergentie van de stijgende en snelste afnemende excitaties op het niveau van de spinale motoneuronen. Wanneer TMS over de cervicomedullaire kruising wordt aangebracht, komt de aflopende volley ongeveer 3 - 4 ms eerder bij het spinale motoneuron pool dan na stimulatie over M1. Voor CMS-conditionering moet daarom perifere zenuwstimulatie 6 tot 8 ms worden voorgesteld voor de magnetische puls. Een verandering van de vroege facilitatie na CMS-conditionering wijst op differentiaal trOntlading bij de synaps tussen het corticospinale kanaal en de a-motoneuron ²⁸ . In de huidige studie werd deze recent ontwikkelde techniek gebruikt om ruggengraat te onderscheiden van corticale effecten als gevolg van een lage frequentie repetitieve TMS (rTMS). Meer specifiek hebben we verondersteld dat als de vroege vereenvoudiging met M1-conditionering wordt verminderd na de interventie van rTMS, maar de vroege vereenvoudiging na CMS-conditioning niet is, zou het effect zuiver corticale oorsprong moeten zijn. In tegenstelling hiermee, als de vroege vereenvoudiging met CMS-conditioning ook verandert, moet deze wijziging gerelateerd zijn aan mechanismen die op het ruggeniveau plaatsvinden. Meer specifiek, aangezien de vroege vereenvoudiging van het H-reflex vermoedelijk wordt veroorzaakt door de activering van directe, corticomotoneuronale projeksies op de spinale motoneuronen ^{12 , 29} , een verandering van het CMS- en M1-geconditioneerde H-reflex ten tijde van de Vroege facilitatie zou moeten aanduidenE een gewijzigde corticomotoneuronale overdracht, dwz synaptische werkzaamheid ²⁸ .

Protocol

Dit protocol is goedgekeurd door de lokale ethische commissie en de experimenten zijn in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki (1964).

1. Onderwerp Voorbereiding

OPMERKING: Vakinstructies - Voordat u begint met het experiment, instructeer elk onderwerp over het doel van de studie en mogelijke risicofactoren. Bij transcraniale magnetische stimulatie (TMS) omvatten medische risico's een geschiedenis van epileptische aanvallen, mentale implantaten in de ogen en / of hoofd, ziekten van het hart- en vaatstelsel en zwangerschap. Uitsluitend alle onderwerpen die aan één van deze risicofactoren bevestigen, uitsluiten. Bovendien, in het experiment dat gezonde personen testen, uitsluiten alle onderwerpen met neurologische en / of orthopedische ziekte.

1. Onderwerp Plaatsing
   1. Plaats het onderwerp in een stoel die benen, romp en kop ondersteunt. Zorg ervoor dat de benen uitgestrekt zijn zodat de knieën uitstekenEindigde en de perifere zenuw dichter bij de huid komt waardoor de zenuw gemakkelijker en betrouwbaarder wordt door elektrische stimulatie.
   2. Zorg ervoor dat het hoofd van het onderwerp is gebogen, rustig op een stabiel ondersteuningsoppervlak zoals een tafel en is beveiligd met kussens. Zorg ervoor dat de nek en de atlanto-occipitale worden gebogen om stimulatie van de corticospinale weg mogelijk te maken.
   3. Plaats de dubbele kegel magnetische spoel zodanig dat het centrale gedeelte ervan op of nabij de inion staat en het eerste afgeleide van de geïnduceerde stroom kraniaal is gerangschikt ^{19 , 26} . Gebruik elastische riemen aan het hoofd en de romp om ervoor te zorgen dat deze positie door het experiment wordt gehandhaafd.
2. Met behulp van oppervlaktelektroden meet de elektrofysiologische reacties door Perifere Zenuwstimulatie (PNS) en TMS.
   1. Bereid de huid over de spierbloem van soleus door scheren, desinfectie met propanol en lichte abrasion.
      1. Plaats zelfklevende EMG-elektroden op de huid over de spierbuik van m. soleus. Plaats een referentieelektrode op de huid over het bot, bijvoorbeeld op de patella of de mediale malleolus.
      2. Sluit alle elektroden aan op een EMG-versterker en uiteindelijk een analoge-digitale converter. Versterk EMG-signalen (× 1000), bandpasfilter (10-1000 Hz) en monster bij 4 kHz.
   2. PNS
      1. Voor H-reflex conditionering, record H-reflexen in de soleus-spier door de posterior tibiale zenuw in de popliteale fossa te stimuleren. De stimulatie met vierkante golfpulsen van 1 ms. Voor stimulatie, fixeer een anode van 5 x 5 cm met tape op het voorste gedeelte van de knie net onder de patella.
         OPMERKING: Stabiele H-reflex amplitude is een voorwaarde voor succesvolle H-reflex conditionering en de minste variabiliteit van alle spieren is te vinden bij opname van de soleus spier.
      2. Verplaats de kathode in de popliteaL fossa tot de beste positie voor stimulatie is gevonden.
         OPMERKING: De beste positie heeft betrekking op het opnemen van H-reflexen in de soleus-spier met minimale stimulatieintensiteit, zonder zichtbare M-golf in de EMG-opnamen bij deze lage stimulatieintensiteiten en zonder respons in de antagonist m te ontvangen. tibialis.
      3. Vermijd responsen in m. Tibialis-spieren, zoals die de resultaten kunnen beïnvloeden door wederkerige remming van Ia afferenten van n. Peroneus communis tot spinale motoneuronen van de soleus spier. Nadat u de optimale locatie hebt gevonden, plaatst u een zelfklevende elektrode op de huid en bevestigt u de elektrode met tape om de consistente stimulatieomstandigheden te waarborgen.
   3. TMS
      1. Stimuleer het motorische corticale gebied van het contralaterale halfrond met TMS met behulp van een cijfer acht spoel om de ontwaakte potentiële potentielen (MEP's) in de elektromyografische opnames van de soleusspier te ontwaken.
      2. Om de optimale stimulatievlek te vinden, plaStop de spoel eerst over de hoek en 1 cm voorkant. De handgreep van de spoel zou naar achteren moeten wijzen, waardoor een achterzijde van de voorwaartse stroom van de geïnduceerde stroom in het midden van de spoel wordt veroorzaakt.
      3. Start stimulatie met lage intensiteiten van ongeveer 20 - 30% van de maximale stimulatoruitgang, zodat de patiënten gewend zijn aan de magnetische stimulus. Kies de pauze tussen opeenvolgende stimuli om 4 s te zijn.
      4. Na een paar proeven, verhoog de stimulatie intensiteit tot ongeveer 40 - 60% van de maximale stimulatoruitgang en beweeg de spoel in de frontale-röntgen- en medio-laterale richting om de hotspot van m te vinden. soleus. De hotspot wordt gedefinieerd als de positie waar de leden van de EP in de m. Soleus kan worden opgewekt met een minimum stimulatie intensiteit.
      5. Nadat u de soleus hotspot hebt gevonden, bepaalt u de rustmotor drempel (1,0 MT) als de minimale intensiteit die nodig is om MEP piek-naar-piek amplitude in de EMG groter dan 50 μV in zes uit tien opeenvolgende proeven ^{30 op te} roepen. Bij onderwerpen waarin de achtergrond EMG al ongeveer 50 μV bedraagt, gebruik 100 μV als drempelwaarde.
   4. Bevestiging van de Spoel
      1. Plaats het hoofd van het onderwerp op een tafel (zie "Vakplaatsing") en gebruik stevig schuim om de hoofdbewegingen in alle richtingen te voorkomen. Bevestig de spoel op een staander en het hoofd van het onderwerp naar de stoel.
      2. Bevestig de spoel met klittenbandjes aan het hoofd en gebruik een beeldgeleid TMS-navigatiesysteem voor het bewaken van de spoel- en hoofdpositie gedurende het experiment. Vermijd zelfs kleine bewegingen van de spoel ten opzichte van het onderwerp van het onderwerp, aangezien dit de werving van neuronen door TMS verandert.
   5. Magnetische Stimulatie bij de Cervicomedullary Junction
      1. Gebruik een dubbele kegel magnetische spoel die in de cervicomedullaire kruising wordt geplaatst om axonen van het corticospinale kanaal op te wekken.
      2. Plaats de spoel zodanig dat het eerste afgeleide van de geïnduceerde stroom iS cranially gerichte en dat zijn centrale gedeelte op of nabij de inion ligt. Pas stimulatie toe met maximale stimulatoruitgang (100%).
         OPMERKING: Zelfs bij deze hoge stimulatieintensiteit is de stimulus te zwak om wervelkolommotorenuronen voldoende te werven en de spieren van het onderbeen ( dwz m. Soleus en m. Tibialis anterior) in de meeste onderwerpen te activeren. Zo, met cervicomedullaire stimulatie, is er geen samengesteld potentieel in het oppervlak EMG van onderbeenspieren. Combineer daarom cervicomedullaire simulatie met het H-reflex (zie "3.1) om de excitabiliteit van de spinale motoneuronen te verhogen.

2. Premeasurement

1. Pas de grootte van het H-reflex aan (perifere zenuwstimulatie)
   1. Voor H-reflex conditioning, pas de grootte van het H-reflex aan op 20% van de maximale M-golf (Mmax) ³¹ door de stimulatie-intensiteit van de elektrische stimulator te wijzigen. Om Mmax te verkrijgen, record eenH-reflex recruitment curve. Gebruik hiervoor stimuli met verschillende stimulatieintensiteiten. De pauze tussen opeenvolgende proeven is 4 s.
   2. Bereken H-reflexen en M-golven als piek-naar-piek amplitude in de EMG (in mV) online in de opnamesoftware. Zorg ervoor dat de grootte van de controle H-reflex constant blijft bij 20% Mmax gedurende het experiment en controleer de grootte ervan in elke proef. Bij het detecteren van een systematische afwijking van de H-reflexgrootte (controle H-reflex is altijd kleiner of groter dan de doelgrootte), pas de stimuleringsintensiteit net voor de opeenvolgende proef aan.
2. Stel de stimuleringsintensiteit van TMS voor het experiment aan.
   1. Voor H-reflex conditioneren in rust, zet de stimulatie-intensiteit voor TMS over de motorcortex tot 90-100% van MT. Zorg ervoor dat geen EP-lid wordt gezien in proeven zonder PNS.
      OPMERKING: de simulatie intensiteit moet dicht bij 100% MT liggen om grote effecten op het geconditioneerde H-reflex te waarborgen bij rEst, zodat de vroege faciliteering gemakkelijk kan worden gedetecteerd.
   2. Verstel de cervicomedullaire stimulatie intensiteit voorafgaand aan het experiment. In tegenstelling tot corticale stimulatie, moet u de stimulatie intensiteit voor cervicomedullaire stimulatie altijd aanpassen tot 100% van de maximale stimulatoruitgang.
3. Conditie de H-reflex met magnetische stimulatie over de motorcortex.
   1. Pas TMS en PNS toe door de timing tussen de twee stimuli (H-reflex conditioning) te wijzigen om de veranderingen in de corticomotoneuronale transmissie te kunnen beoordelen. Om de vroege vereenvoudiging te detecteren, start het conditioneringsprotocol met een interstimulusinterval (ISI) van -5 ms en verander de ISI's in stappen van milliseconden, van -5 - +1 ms ( Figuur 1B ).
      OPMERKING: Negatieve ISI's geven aan dat PNS wordt ontwikkeld voor TMS, positieve ISI's geven het tegenovergestelde aan.
   2. Wissel de ISI tussen TMS en PNS willekeurig van stimulatieproef tot stimulatieproef, zodat geen vooroordeel door een bepaalde volgordeVan stimuli kan zich voordoen.
      OPMERKING: De "vroege vereenvoudiging" dient rond de ISIs -4 ms tot -2 ms te gebeuren bij het aanbrengen van TMS over de motorcortex. Dit betekent dat de snelste (monosynaptische corticospinale pathways) op dit moment met de afferente volley door PNS botsen bij de spinale motoneuronen (zie 5.2 voor het detecteren van de vroege vereenvoudiging).
   3. Stel de pauze in tussen opeenvolgende stimulatieproeven tot 4 seconden.
4. Voorwaarde het H-reflex met magnetische stimulatie over de cervicomedullaire kruising.
   OPMERKING: Met behulp van cervicomedullaire stimulatie voor conditionering is de excitatie van de corticospinale wegen ruimtelijk dichter bij de spinale motoneuronen dan bij stimulatie van de motorcortex. Daarom wordt de ISI, die overeenstemt met de vroege facilitatie, geschoven met ongeveer 3 - 4 ms. Als voorbeeld zou de vroege facilitatie met TMS over de primaire motorcortex bij -4 ms overeenkomen met een ISI tussen -7 - 8 ms met cervicomedullaire stimulatie.
5. Alternerende Stimulatie over de Motor Cortex en Cervicomedullary Junction
   1. Pas de conditie van het SOL H-reflex toe door middel van magnetische stimulatie van de motorcortex (M1-conditionering, zie 2.1) en door magnetische cervicomedullaire stimulatie (CMS-conditionering, zie 2.2) in willekeurige volgorde tijdens hetzelfde onderzoek.
      OPMERKING: Het is aan te bevelen om M1- en CMS-conditioning afwisselend toe te passen in één en dezelfde proef om de geconditioneerde H-reflexen te verwijzen naar hetzelfde monster van controle H-reflexen (sEe Figuur 1 ).

3. Interventie - Slow Repetitive TMS

1. Stel de stimulatie-intensiteit in op 1,2 MT, die een langdurige ^{32 , 33} onderdrukking van corticospinale excitabiliteit veroorzaakt die nodig is als H-reflex conditionering duurt enkele minuten om te bereiken. Tijdens de rTMS-interventie, pas TMS over de primaire motorcortex bij 1 Hz gedurende 20 minuten aan.

4. Postmeting

1. Direct na de interventie, gebruik H-reflex conditioning met dezelfde ISI's zoals gebruikt in de voormaat.
2. Gebruik dezelfde stimulatie intensiteiten voor magnetische stimulatie boven M1 en de cervicomedullaire kruising dan in de voor-meting.
3. Zorg ervoor dat de H-reflex van de controle dezelfde grootte heeft als in de voor-meting. Als er een systematische afwijking wordt gedetecteerd, moet u de stimuleringsintensiteit aanpassen.

5. DaTa verwerking

1. Bereken alle fysiologische reacties, zoals H-reflexen, EP-leden en geconditioneerde H-reflexen als piek-tot-piek ampllituden van het niet gerectificeerde EMG.
   1. Voor elke ISI, gemiddelde tien geconditioneerde H-reflexen voor a) corticale en b) cervicomedullaire stimulatie. Bovendien, gemiddelde tien controle ( dwz onvoorwaardelijke) H-reflexen die dienen als referentie ( dwz 100%) voor de geconditioneerde H-reflexen.
   2. Geef daarom de gemiddelde amplitude van de geconditioneerde H-reflexen voor elke ISI uit als een percentage van de gemiddelde amplitude van de controle H-reflex in zowel de voor- als de na-meting. Wees voorzichtig bij het bepalen van de vroege vereenvoudiging, aangezien dit van kritieke betekenis is:
      OPMERKING: Omdat er sprake is van inter-individuele variabiliteit bij het ontstaan ​​van de vroege vereenvoudiging, bepaalt u de vroege vereenvoudiging in de voormaat voor elk vak afzonderlijk.
2. Gebruik nonparametrische Wilcoxon tests om th te bepalenE eerste opkomst van het geconditioneerde H-reflex. Voor CMS-conditionering start u de tests bij ISI -9 ms, voor M1-conditionering, zoek de vroege vereenvoudiging die begint bij ISI -5 ms. Vergelijk de amplitude van deze vroege vereenvoudiging die is verkregen in de pre-meting met de amplitude van de vroege vereenvoudiging die in de postmeting is verkregen met dezelfde ISI.
3. Controleer bovendien de vroege vereenvoudiging door middel van visuele inspectie.
   OPMERKING: na de M1-conditionering is het waarschijnlijk dat de vroege faciliteering rond ISI -3 ms voorkomt. Kort na de eerste stijging van de geconditioneerde H-reflex, dwz 1 tot 2 ms later, is er een afname in het geconditioneerde H-reflex voordat het weer opkomt. Na CMS-conditionering komt waarschijnlijk de vroege vereenvoudiging rond ISI -7 ms, dus ongeveer 4 ms eerder dan na M1-conditionering.

Representative Results

Voorkomen van de vroege facilitatie na M1- en CMS-conditionering

H-reflex conditionering met TMS over M1 resulteerde in een vroege vereenvoudiging die zich voordoet rond ISI -3 en -4 ms. De vroege facilitatie na CMS-conditionering vond plaats rond 3 ms eerder (ISI -6 en -7 ms, respectievelijk). Voorbeelden van ISI-curven van een onderwerp worden weergegeven in Figuur 1 . In de huidige studie werd de vroege facilitatie beoordeeld binnen de eerste ms van zijn voorval met zowel M1- als CMS-conditionering (zie Figuur 1C , D ). Het is dus redelijk om aan te nemen dat deze vroege facilitatie de activiteit van directe, monosynaptische corticospinale wegen ^{12 , 22 , 24 , 29 ,}Lass = "xref"> 34. De volgende resultaten concentreren zich daarom op deze vroege vereenvoudiging om een ​​indicatie te geven van hoe de verwerking veranderd wordt in directe, monosynaptische corticospinale pathways na rTMS.

RTMS geïnduceerde veranderingen in de amplitude van de vroege vereenvoudiging

Na 20 minuten rTMS was er een afname in beide, de vroege vereenvoudiging met M1-conditionering en de vroege vereenvoudiging met CMS-conditionering. In contrast bleef het controle H-reflex op een constant niveau. In figuur 2 A, B, C wordt een voorbeeld van een representatief onderwerp weergegeven. In figuur 2 D, E, F wordt het gemiddelde van twee vakken verschaft. Het kan worden gezien dat hoewel de reductie niet zo prominent is na CMS-conditionering dan na M1-conditionering het toch duidelijk zichtbaar is. De dAta set van het gehele monster kan in ²⁸ worden gezien.

Figuur 1 : Werkwijze van M1- en CMS-conditionering.
Dit gewijzigde figuur uit een van onze eerdere publicaties ²⁸ toont een schematische tekening van de M1- en CMS-conditioneringsprocedure. (A) Het kan worden gezien dat er één spoel over de primaire motorcortex staat (aangeduid als M1) en de andere over de cervicomedullaire kruising (aangeduid als CMS). ( B) omdat de dalende geluiden na magnetische stimulatie van de primaire motorcortex (M1-cond) en de cervicomedullaire kruising (CMS-cond) voor sommige ms worden verspreid, maar perifere zenuwstimulatie (H-reflex) slechts een kort effect veroorzaakt, H-reflex kan naar voren worden geschoven in relatie tot de dalende volleY zodat het botst met de snelle (est) fractie (s) van de dalende corticospinale volley (vroege vereenvoudiging) of het kan achteruit geschoven worden, zodat langzamere corticospinale wegen kunnen worden getest (late facilitatie). In C wordt een H-reflex conditionercurve weergegeven na M1-conditionering. In D is de H-reflex conditionercurve na CMS-conditioning geïllustreerd. (Figuur gewijzigd van ²⁸ met toestemming van Oxford University Press). Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2 : Effecten van lage frequentie rTMS op de vroege facilitatie na M1- en CMS-conditionering.
In A, B, & C Ong> data (gemiddelden van 10 sporen) van een representatief onderwerp voor en na de interactie van rTMS worden weergegeven. Het kan worden gezien dat de geconditioneerde H-reflexen die de vroege vereenvoudigingen vertegenwoordigen, na zowel M1- (A) als CMS-conditionering (B) verminderd worden, terwijl de H-reflexen van de controle ongewijzigd blijven (C). In D, E, & F wordt het gemiddelde van twee onderwerpen weergegeven die hetzelfde patroon weergeven: reductie in zowel M1- als CMS-geconditioneerde H-reflexen zonder enige verandering in de H-reflex van de controle. De reductie na CMS-conditionering wijst op gewijzigde transmissie bij de corticomotoneuronale synaptes. Het kan echter worden gezien dat de onderdrukking na rTMS groter is na M1-conditionering. Zo kunnen ook grote veranderingen op het motorische corticale niveau worden aangenomen. P-waarden in de eerste rij verwijzen naar de gegevens van het enkelvak. (Figuur gewijzigd van ²⁸ met toestemming van Oxford University Press).Pload / 52663 / 52663fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

De hier beschreven H-reflexconditioneringsprocedure is specifiek gericht om acute veranderingen in transmissie te beoordelen over de corticomotoneuronale synaps na herhaalde activering van de corticospinale weg ²⁸ . In dit opzicht heeft H-reflex conditioning gemerkt dat rTMS niet alleen de excitabiliteit van corticale structuren beïnvloedt, maar ook een effect heeft op de corticomotoneurale transmissie bij de corticomotonale synaps. Deze methode kan echter wel bredere toepassing hebben, aangezien veranderingen in corticospinale overdracht optreden tijdens motorische ontwikkeling en veroudering, motor leren, oefening en training, vermoeidheid, onactiviteit, herstel van letsel, neurofysiologische en therapeutische interventies, pathologie, enzovoort. Toegepast in onbeweeflijke personen of bij patiënten zolang de veiligheidsmaatregelen van TMS worden gevolgd.

De geïntroduceerde methode kan worden toegepast om in-sessie te studeren efFects zoals in de huidige context of longitudinale effecten over een langere periode. De M1-conditioneringstechniek is eerder aangetoond om een ​​betrouwbare beoordeling van effecten mogelijk te maken, bijvoorbeeld bij 8 weken immobilisatie ³⁵ , 4 weken evenwichtstraining ^{36 , 37} en vier weken ballistische krachttraining ³⁶ . In al deze studies werden geen veranderingen in de geconditioneerde H-reflexen waargenomen in de controlegroepen, die niet onderworpen waren aan een gedragsinterventie. Gezien de CMS-conditioneringstechniek naar ons weten is er nog geen studie over langetermijneffecten gepubliceerd.

Een conditioneringsprotocol met ongeveer 12-14 ISI's duurt ongeveer 15 minuten. Dit betekent dat dit stimulatieprotocol niet geschikt is voor het beoordelen van kortere duurzame neurale plasticiteit. Het is echter vaak mogelijk om de procedure na de interventie te beperkenDure om bijvoorbeeld specifiek te richten op de vroege vereenvoudiging die in de voor-meting is beoordeeld en daarmee de duur van de procedure aanzienlijk kort tot een paar minuten verkorten. In dit geval is het belangrijk om de vroege vereenvoudiging voor elk vak individueel vast te stellen. Dit werd gemaakt in de basislijnmeting en later in vergelijking met de vroege vereenvoudiging die in de na-meting werd verkregen met dezelfde ISI (s).

Het voordeel van het conditioneren van het H-reflex door TMS toegepast over M1 of de cervicomedullaire kruising, in plaats van het monitoren van de samengestelde potenties, is tweeledig. In de eerste plaats is het mogelijk om selectief transmissie van afzonderlijke corticospinale projecties te meten, bijvoorbeeld om veranderingen te beoordelen in de vroege faciliterende reflecterende activiteit van snelle en directe corticomotoneuronale projeksies. Dit is een belangrijk voordeel in vergelijking met de analyse van samengestelde potentiële amplituuden, aangezien deze laatste reacties worden beïnvloed door een groot aantal directe en indirecte effectens. In de tweede plaats is het vaak niet mogelijk om samengestelde potenties (CMEP's) door middel van cervicomedullaire magnetische stimulatie alleen te ontwikkelen, vooral voor de onderste extremiteitsspieren en tijdens metingen in rust (Ugawa et al., 1994, Oya et al., 2008). Met behulp van H-reflex conditioning verhoogt het H-reflex de gevoeligheid van spinale motorische neuronen naar corticospinale transmissie. Het is echter belangrijk om de grootte van de SOL-controle H-reflex constant gedurende het experiment op ongeveer 20-25% van de M _max te houden, aangezien eerder werd aangetoond dat de gevoeligheid van het H-reflex naar faciliterende of inhibitieve ingangen cruciaal hangt af van Zijn maat ³¹ .

Om te beoordelen of veranderingen in corticospinale excitabiliteit of transmissie veroorzaakt zijn door veranderingen op corticaal of ruggengraatniveau, hebben een aantal studies de responsen van TMS over M1 vergeleken met reacties na TES van M1 ¹⁶ . TMS en TES verschillen met betrekking tot thE manier hoe ze afnemende corticospinale volleys opwekken. Bij TMS wordt een groot deel van de samengestelde respons veroorzaakt door transsynaptische excitatie van corticospinale cellen ^{38 , 39} . TES deponeert daarentegen op een directe manier een grotere hoeveelheid corticospinale neuronen, waarschijnlijk op een axonale plaats ver weg naar de axonheuvel, wat resulteert in een zogenaamde 'direct' of D-golf ^{38 , 39 , 40} . Veranderingen in de excitabiliteit van de motorcortex beïnvloeden daarom de responsen na TMS sterker dan die na TES - tenminste bij lage stimulatieintensiteiten ^{17 , 18} . In de huidige context is TES niet toegepast omdat: a) deze vorm van stimulatie is geassocieerd met aanzienlijke pijn en b) we wilden de uitsluiting van corticale invloeden verzekeren. Daarom vergelijken we antwoorden eliciTed met TMS over M1 met responsen uitgelegd door TMS bij de cervicomedullary junction. Om stimulatie van de corticospinale weg op het cervicomedulair niveau mogelijk te maken, is het noodzakelijk het onderwerp in een positie te plaatsen waar de nek en de atlanto-occipitale gewrichten worden gebogen om de spoel te positioneren zodat het centraal gedeelte ervan wordt geplaatst Of nabij de inleiding resulterend in een kraniaal gerichte stroom ^{19 , 26} . Veranderingen in de reacties van deze CMS-conditioneringsprocedure kunnen daarom duidelijk worden toegeschreven aan veranderingen op het ruggengraatniveau. Bovendien, aangezien de vroege vereenvoudiging van het geconditioneerde H-reflex vermoedelijk wordt veroorzaakt door activering van directe, corticomotoneuronale projeksies op de spinale motoneuronen ^{12 , 29} , wijst een verandering van het CMS-geconditioneerde H-reflex ten tijde van de vroege vereenvoudiging aan Een gewijzigde corticomotoneuronale overdracht, dwz 28 .

Hoewel het inderdaad een relevant perspectief is dat de beschreven methoden ook kunnen worden toegepast om metingen voor de bovenste ledematen te bereiken door stimulatie van perifere zenuwen in de arm en opnames van arm- of handspieren, is deze techniek beperkt tot spieren waarin het Mogelijk om een ​​stabiel H-reflex op te wekken. Bovendien, door het onaangename karakter van CMS-conditionering, kunnen vakken afwachten in afwachting van de stimulus. Zo is het belangrijk om M1- en CMS-conditionering te randomiseren om een ​​systematische vooroordeel te vermijden. Om dezelfde reden kunnen bepaalde experimenten met betrekking tot mentale simulatie of reactietijd taken zelfs niet mogelijk zijn. Zo hebben we onderwerpen gevraagd om bepaalde posturale taken voor te stellen (zie hoofdstuk ⁴¹ ), maar onderwerpen die zich niet voor de mentale simulatie zouden kunnen concentreren bij het anticiperen op CMS-conditionering. Een andere beperking is het gebruik van deze methode gedurende meerDynamische taken, aangezien het a) zeer moeilijk is om de spoel over de cervicomedullaire kruising te fixeren en b) het hoofd in een gebogen positie te houden. Tenslotte is de methode zeer tijdrovend, waardoor de toepassing ervan in ruime zin wordt beperkt.

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).