Nicht-invasive Beurteilung von Veränderungen der kortikomotoneuronalen Übertragung bei Menschen

Summary

Ziel der vorliegenden Studie war es, Veränderungen der Transmission bei den kortikomotoneuronalen Synapsen beim Menschen nach repetitiver transkranieller Magnetstimulation zu beurteilen. Zu diesem Zweck wird eine elektrophysiologische Methode eingeführt, die eine Beurteilung der pfadspezifischen kortikospinalen Transmission ermöglicht, dh die Differenzierung von schnellen, direkten kortikospinalen Wegen aus polysynaptischen Verbindungen.

Abstract

Der kortikospinale Weg ist der Hauptweg, der das Gehirn mit den Muskeln verbindet und daher für die Bewegungssteuerung und das motorische Lernen sehr wichtig ist. Es gibt eine Reihe von nichtinvasiven elektrophysiologischen Methoden, die die Erregbarkeit und Plastizität dieses Weges untersuchen. Allerdings basieren die meisten Methoden auf der Quantifizierung von Compoundpotentialen und vernachlässigen, dass der kortikospinale Weg aus vielen verschiedenen Verbindungen besteht, die mehr oder weniger direkt sind. Hier stellen wir eine Methode vor, die die Erregung der verschiedenen Fraktionen der kortikospinalen Übertragung ermöglicht. Diese sogenannte H-Reflex-Konditionierungstechnik ermöglicht es, die Erregbarkeit der schnellsten (monosynaptischen) und auch polysynaptischen Kortikospinalwege zu beurteilen. Darüber hinaus ermöglicht es durch die Verwendung von zwei verschiedenen Stimulationsstellen, der motorischen Kortex und der zervikomedullären Kreuzung, nicht nur die Differenzierung zwischen kortikalen und spinalen Effekten, sondern auch die Bewertung der Transmission am CorticomOtoneurale synapse In diesem Manuskript beschreiben wir, wie diese Methode zur Bewertung der kortikomotonischen Transmission nach einer niederfrequenten repetitiven transkraniellen magnetischen Stimulation verwendet werden kann, ein Verfahren, das bisher gezeigt wurde, um die Erregbarkeit von kortikalen Zellen zu reduzieren. Hier zeigen wir, dass nicht nur kortikale Zellen von dieser repetitiven Stimulation betroffen sind, sondern auch die Übertragung an der kortikomotoneuronalen Synapse auf der Wirbelsäule. Diese Erkenntnis ist wichtig für das Verständnis der grundlegenden Mechanismen und Standorte der Neuroplastizität. Neben der Untersuchung von Grundmechanismen kann die H-Reflex-Konditionierungstechnik angewendet werden, um Veränderungen der kortikospinalen Transmission nach Verhaltensweisen ( zB Training) oder therapeutischen Interventionen, Pathologie oder Alterung zu untersuchen und ermöglicht so ein besseres Verständnis von neuronalen Prozessen, die Bewegungssteuerung und Motor zugrunde liegen Lernen.

Introduction

Bei den Primaten bildet der Kortikospinaltrakt den Hauptabsenkungsweg, der freiwillige Handlungen kontrolliert ¹ . Der kortikospinale Weg verbindet motorische kortikale Bereiche mit spinalen α-Motoneuronen über direkte monosynaptische kortikomotoneuronale Verbindungen und über indirekte oligo- und polysynaptische Verbindungen ^{2 , 3} . Obwohl die motorische Kortikalis durch die transkranielle magnetische Stimulation (TMS) leicht nicht invasiv erregt werden kann, ist die evozierte elektromyographische Antwort auf diese Stimulation oft schwer zu interpretieren. Der Grund dafür ist, dass die Verbindung Motor Evoked Potential (MEP) durch Veränderungen in der Erregbarkeit von intrakortikalen und kortikospinalen Neuronen, Wirbelsäulen-Interneuronen und Wirbelsäule α-Motoneuronen ^{4 , 5 , 6 , 7} beeinflusst werden ^kann . Mehrere nichtinvasive elektrophysiologiCal-Techniken und Stimulationsprotokolle zielen darauf ab, festzustellen, ob Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit und Transmission durch Veränderungen am kortikalen oder spinalen Niveau verursacht werden. Häufig werden Veränderungen in der Amplitude des elektrisch evozierten H-Reflexes als "Indikativ" von Veränderungen der Erregbarkeit am Motoneuron-Pool verwendet. Es wurde jedoch bereits gezeigt, dass der H-Reflex nicht nur von der Erregbarkeit des Motoneuron-Pools abhängt, sondern auch durch andere Faktoren wie die präsynaptische Inhibition ^{8 , 9} oder die homosynaptische Nachaktivierungsdepression ^{5 , 10} moduliert ^wird . Eine weitere Einschränkung beim Vergleich von Abgeordneten und H-Reflexen ist die Behinderung, um Erregbarkeitsänderungen auf der interneuronalen Ebene ^{11 , 12} zu erkennen. Zusätzlich zu diesen Nachteilen können die Motoneurone durch periphere Nervenstimulation anders als wi aktiviert werdenTh TMS, so dass Änderungen in der motoneuronalen Erregbarkeit diese Reaktionen in einer anderen Art von Weise beeinflussen würden, verglichen mit Antworten, die über den kortikospinalen Weg ^{13 , 14 , 15} vermittelt ^wurden .

Eine andere Methode, die verwendet wird, um die Wirbelsäule von kortikalen Effekten zu trennen, repräsentiert die transkranielle elektrische Stimulation (TES) des motorischen Kortex ¹⁶ . Bei niedrigen Stimulationsintensitäten angewandt, wurde TES von Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit nicht beeinflusst. Da sowohl TES als auch TMS die α-Motoneurone über den kortikospinalen Weg aktivieren, bietet der Vergleich von magnetisch und elektrisch evozierten Abgeordneten ein attraktiveres Verfahren, um Rückschlüsse auf die kortikale Natur von Veränderungen in der Größe der Abgeordneten zu ziehen als der Vergleich zwischen H-Reflexen Und Abgeordneten. Wenn jedoch die Stimulationsintensität erhöht wird, werden auch die TES-evozierten Abgeordneten durch Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit beeinflusstSup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Dieses Problem kann umgangen werden, wenn eine elektrische Stimulation nicht auf den motorischen Kortex angewendet wird, sondern an der zervikomedullären Kreuzung. Allerdings, obwohl elektrische Stimulation kann zervikomedulläre motorischen evozierten Potenziale (cMEPs) in der oberen Extremität und unteren Extremitäten Muskeln hervorrufen, die meisten Themen nehmen elektrische Stimulation am Hirnstamm (und Kortex) als äußerst unangenehm und schmerzhaft. Eine weniger schmerzhafte Alternative besteht darin, den kortikospinalen Weg an der Zervikämund-Kreuzung durch Verwendung der magnetischen Stimulation an der Inion ^{19 zu} aktivieren. Es ist allgemein anerkannt, dass Cervicomedullary Magnetic Stimulation (CMS) viele der gleichen absteigenden Fasern als motorische kortikale TMS aktiviert und dass Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit durch Vergleich von Abgeordneten mit cMEPs ¹⁹ nachgewiesen werden können. Erhöhungen der Erregbarkeit von intrakortikalen Zellen und kortikomotoneuronalen Zellen sollen die Kortikale erleichternEvozierte MdEP ohne gleichzeitige Veränderung des zervikomedullären evozierten MdEP.

Bei den meisten Probanden ist es jedoch unmöglich, in der unteren Extremität in Ruhe ^{20 , 21} magnetisch evozierte cMEPs zu erhalten. Ein Ansatz zur Überwindung dieses Problems besteht darin, die Erregbarkeit der Wirbelsäulen-Motoneuronen durch freiwillige Vorbeugung des Zielmuskels zu erhöhen. Es ist jedoch bekannt, dass geringfügige Änderungen der Kontraktionsstärke die Größe des cMEP beeinflussen. So ist es schwierig, verschiedene Aufgaben zu vergleichen. Darüber hinaus werden Veränderungen in der motoneuronalen Erregbarkeit aufgrund der Vorkontraktion die Abgeordneten und cMEPs beeinflussen, aber nicht notwendigerweise in gleichem Maße. Schließlich geht es beim Vergleich von zusammengesetzten MdEPs mit zusammengesetzten cMEPs um einige Informationen, die in den absteigenden Volleys enthalten sind, verloren. Dies wurde durch Studien mit der Konditionierung des H-Reflexes von soleus, tibialis anterior und carpi radialis Muskeln durch magnetische motorische kortikale stimulaten aufgedecktAuf ^{12 , 22} . Durch die Kombination von peripherer Nervenstimulation und TMS über die motorische Kortikalis mit spezifischen Interstimulusintervallen (ISI) ist es möglich, erleichternde und hemmende Effekte der verschiedenen absteigenden Volleys auf dem H-Reflex zu untersuchen. Diese Technik ist sehr inspiriert durch die räumliche Erleichterungstechnik, die verwendet wird, um die Übertragung in neuronalen Bahnen in Tierversuchen zu bestimmen, und kann als eine nicht-invasive, indirekte Version dieser Technik angesehen werden ²³ . Während der H-Reflex nicht nur wichtig ist, zwischen verschiedenen Fraktionen des kortikospinalen Weges zu unterscheiden (schnelle versus langsamere kortikospinale Projektionen), ist es auch notwendig, die Wirbelsäulenerregbarkeit kontrolliert und vergleichbar zu heben. So ermöglicht diese Kombination von Stimulationstechniken in Ruhe und während der Aktivität die Bewertung von Veränderungen in verschiedenen Fraktionen des kortikospinalen Weges mit einer hohen zeitlichen Auflösung, dh in tDie schnellsten, vermutlich monosynaptischen kortikomotoneuronalen Verbindungen und in langsameren oligo- und polysynaptischen Bahnen ^{12 , 22 , 24 , 25} . In jüngster Zeit wurde diese Technik nicht nur durch die Konditionierung des H-Reflexes mit TMS über den motorischen Kortex (M1-Konditionierung) erweitert, sondern auch durch zusätzliche Konditionierungsstimulation an der Zervikämund-Kreuzung (CMS-Konditionierung) ²⁶ . Durch den Vergleich von Effekten zwischen M1- und CMS-Konditionierung ermöglicht diese Technik eine pfadspezifische Differenzierung mit einer hohen zeitlichen Auflösung und ermöglicht Interpretationen auf kortikalen und spinalen Mechanismen. Darüber hinaus und vor allem in Bezug auf die aktuelle Studie, diese Technik ermöglicht die Beurteilung der Übertragung an der kortikomotoneuralen Synapse bei der Betrachtung der frühen Erleichterung. Die frühzeitige Erleichterung des H-Reflexes ist aller Wahrscheinlichkeit nach durch Aktivierung bedingtVon direkten, monosynaptischen kortikomotonischen Projektionen an die Wirbelsäule Motoneurone ^{12 , 26} . Um die schnellsten kortikospinalen Wege zu testen und damit die frühe Erleichterung, muss der H-Reflex 2 bis 4 ms vor dem TMS hervorgerufen werden. Der Grund hierfür ist die etwas kürzere Latenz des MEP (ca. 32 ms, siehe ²⁷ ) im Vergleich zum H-Reflex (ca. 34 ms, siehe ²⁵ ). Der H-Reflex kurz vor der Anwendung von TMS zu lösen, führt zur Konvergenz der aufsteigenden und schnellsten absteigenden Erregungen auf der Ebene der Wirbelsäulen-Motoneurone. Wenn TMS über die Cervicomedullary-Kreuzung angewendet wird, wird die absteigende Volley etwa 3 - 4 ms früher am spinalen Motoneuron-Pool ankommen als nach Stimulation über M1. Für die CMS-Konditionierung sollte daher die periphere Nervenstimulation 6 - 8 ms vor dem magnetischen Puls hervorgerufen werden. Eine Veränderung der frühen Erleichterung nach CMS-Konditionierung zeigt differential trVorahnung an der Synapse zwischen dem Kortikospinaltrakt und dem α-Motoneuron ²⁸ . In der aktuellen Studie wurde diese neu entwickelte Technik verwendet, um die Wirbelsäule von kortikalen Effekten nach niederfrequenten repetitiven TMS (rTMS) zu differenzieren. Genauer gesagt haben wir vermutet, dass, wenn die frühe Erleichterung mit M1-Konditionierung nach der rTMS-Intervention reduziert wird, aber die frühe Erleichterung nach CMS-Konditionierung nicht ist, sollte die Wirkung rein kortikaler Herkunft sein. Im Gegensatz dazu, wenn sich die frühe Erleichterung mit CMS-Konditionierung auch ändert, sollte diese Veränderung mit Mechanismen in Verbindung stehen, die auf der Wirbelsäule stattfinden. Genauer gesagt, da die frühe Erleichterung des H-Reflexes durch die Aktivierung von direkten, corticomotoneuronalen Projektionen auf die Wirbelsäule Motoneurone ^{12 , 29} , eine Veränderung des CMS- und M1-konditionierten H-Reflexes zum Zeitpunkt des Frühe Erleichterung sollte angebenE eine veränderte corticomotoneuronale Übertragung dh synaptische Wirksamkeit ²⁸ .

Protocol

Dieses Protokoll wurde vom örtlichen Ethikkomitee genehmigt und die Versuche entsprechen der Erklärung von Helsinki (1964).

1. Gegenstand Vorbereitung

HINWEIS: Betreff-Instruktionen - Bevor Sie mit dem Experiment beginnen, beauftragen Sie jedes Thema über den Zweck der Studie und mögliche Risikofaktoren. Für die transkranielle magnetische Stimulation (TMS) umfassen medizinische Risiken jede Geschichte epileptischer Anfälle, geistige Implantate in Augen und / oder Kopf, jegliche Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems und Schwangerschaft. Alle Themen, die einen dieser Risikofaktoren bestätigen, ausschließen. Darüber hinaus, in der Experiment-Tests gesunde Individuen, schließen Sie alle Themen mit neurologischen und / oder orthopädischen Krankheit.

1. Fachplatzierung
   1. Legen Sie das Motiv in einen Stuhl, der Beine, Rumpf und Kopf an Ort und Stelle hält. Stellen Sie sicher, dass die Beine ausgestreckt sind, so dass die Knie sind extEndend und der periphere Nerv ist näher an der Haut, die den Nerv leichter und zuverlässiger durch elektrische Stimulation erregbar macht.
   2. Achten Sie darauf, dass der Kopf des Motivs gebeugt wird und auf einer stabilen Stützfläche wie einem Tisch ruht und mit Kissen befestigt ist. Stellen Sie sicher, dass der Hals und das Atlanto-Okzipital gebeugt werden, um die Stimulation des kortikospinalen Weges zu ermöglichen.
   3. Positionieren Sie die Doppelkegel-Magnetspule so, dass ihr zentraler Teil auf oder in der Nähe des Inions angeordnet ist und die erste Ableitung des induzierten Stroms kranial gerichtet ist ^{19 , 26} . Verwenden Sie elastische Bänder am Kopf und am Kofferraum, um sicherzustellen, dass diese Position während des gesamten Experiments aufrechterhalten wird.
2. Mit Oberflächenelektroden messen die elektrophysiologischen Reaktionen durch periphere Nervenstimulation (PNS) und TMS.
   1. Bereiten Sie die Haut über den Muskel Bauch von soleus durch Rasieren, Desinfektion mit Propanol und Licht abrasioN.
      1. Legen Sie selbstklebende EMG-Elektroden auf die Haut über den Muskelbauch von m. Soleus Legen Sie eine Referenzelektrode auf die Haut über den Knochen, zB auf die Patella oder den medialen Malleolus.
      2. Verbinden Sie alle Elektroden mit einem EMG-Verstärker und schließlich einem Analog-Digital-Wandler. Verstärken Sie EMG-Signale (× 1000), Bandpass-Filter (10 - 1000 Hz) und Probe bei 4 kHz.
   2. PNS
      1. Für die H-Reflex-Konditionierung zeichnet man H-Reflexe im M. soleus durch Stimulierung des posterioren Tibialnervs in der Popliteal-Fossa auf. Eine stimulierende Stimulation mit Rechteckimpulsen von 1 ms. Zur Stimulation fixieren Sie eine Anode von 5 x 5 cm mit Klebeband auf dem vorderen Aspekt des Knies knapp unterhalb der Patella.
         HINWEIS: Eine stabile H-Reflex-Amplitude ist Voraussetzung für eine erfolgreiche H-Reflex-Konditionierung und die geringste Variabilität aller Muskeln findet sich bei der Aufnahme aus dem M. soleus.
      2. Bewege die Kathode in die PopliteaL Fossa bis die beste Position für Stimulation gefunden wird.
         HINWEIS: Die beste Position bezieht sich auf die Aufzeichnung von H-Reflexen im M. soleus mit minimaler Stimulationsintensität, ohne sichtbare M-Welle in den EMG-Aufnahmen bei diesen niedrigen Stimulationsintensitäten und ohne jegliche Reaktion im Antagonisten m. Tibialis
      3. Vermeiden Sie Antworten in m. Tibialis-Muskel, da diese die Ergebnisse durch gegenseitige Hemmung von Ia-Afferenzen von n beeinflussen können. Peroneus communis zu spinalen Motoneuronen des M. soleus Nachdem Sie die optimale Position gefunden haben, legen Sie eine selbstklebende Elektrode auf die Haut und fixieren Sie die Elektrode mit Klebeband, um gleichbleibende Stimulationsbedingungen zu gewährleisten.
   3. TMS
      1. Stimulieren Sie den motorischen kortikalen Bereich der kontralateralen Hemisphäre mit TMS mit einer Figur acht Spule, um motorisch evozierte Potentiale (MEPs) in den elektromyographischen Aufnahmen des M. soleus zu entlocken.
      2. Um den optimalen Stimulationsort zu finden,Ce die Spule zuerst über den Scheitel und 1 cm frontal. Der Griff der Spule sollte nach hinten zeigen und einen hinteren bis anterioren Fluß des induzierten Stroms in der Mitte der Spule hervorrufen
      3. Starten Sie die Stimulation mit niedrigen Intensitäten von etwa 20 - 30% des maximalen Stimulatorausgangs, so dass sich die Subjekte an den magnetischen Stimulus gewöhnt haben. Wähle die Pause zwischen aufeinanderfolgenden Reizen, um 4 s zu sein.
      4. Nach einigen Versuchen erhöhen Sie die Stimulationsintensität auf ca. 40 - 60% des maximalen Stimulatorausgangs und bewegen die Spule in frontal-rostraler und medio-lateraler Richtung, um den Hotspot von m zu finden. Soleus Der Hotspot ist definiert als die Position, wo die Abgeordneten im m. Soleus kann mit minimaler Stimulationsintensität hervorgerufen werden.
      5. Nach der Suche nach dem soleus-Hotspot bestimmen Sie die Ruhemotorschwelle (1,0 MT) als die minimale Intensität, die erforderlich ist, um MEP-Peak-to-Peak-Amplituden im EMG größer als 50 μV in sechs von zehn aufeinanderfolgenden Versuchen ^{30 zu} evozieren. Bei Probanden, bei denen der Hintergrund EMG bereits ca. 50 μV beträgt, verwenden Sie 100 μV als Schwelle.
   4. Fixierung der Spule
      1. Legen Sie den Kopf des Patienten auf einen Tisch (siehe "Fachplatzierung") und verwenden Sie Hartschaum, um Kopfbewegungen in alle Richtungen zu verhindern. Fixiere die Spule auf einen Ständer und den Kopf des Subjekts auf den Stuhl.
      2. Fixieren Sie die Spule mit Klettband an den Kopf und verwenden Sie ein bildgeleitetes TMS-Navigationssystem zur Überwachung der Spule und der Kopfposition während des gesamten Experiments. Vermeiden Sie sogar kleine Bewegungen der Spule relativ zum Kopf des Subjekts, da dies die Rekrutierung von Neuronen durch TMS ändert.
   5. Magnetische Stimulation an der Cervicomedullary Junction
      1. Benutze eine Doppelkegel-Magnetspule, die an der Zervikämund-Kreuzung angeordnet ist, um Axone des Kortikospinaltraktes zu erregen.
      2. Positionieren Sie die Spule so, dass die erste Ableitung des induzierten Stroms iS kranial gerichtet und dass sein zentraler Teil auf oder in der Nähe der Inion ist. Stimulation mit maximaler Stimulatorleistung anwenden (100%).
         HINWEIS: Auch bei dieser hohen Stimulationsintensität ist der Stimulus zu schwach, um die Wirbelsäulen-Motoneurone ausreichend zu rekrutieren und die Muskeln des Unterschenkels ( dh M. und Tibialis anterior) in den meisten Probanden zu aktivieren. So gibt es bei der zervikomedullären Stimulation kein Compound-Potential in der Oberfläche EMG der unteren Beinmuskulatur. Verbinden Sie daher die zervikomedulläre Simulation mit dem H-Reflex (siehe "3.1), um die Erregbarkeit der Wirbelsäulen-Motoneurone zu erhöhen.

2. Vormessung

1. Passen Sie die Größe des H-Reflexes an (periphere Nervenstimulation)
   1. Für die H-Reflex-Konditionierung die Größe des H-Reflexes auf 20% der maximalen M-Welle (Mmax) ³¹ durch Ändern der Stimulationsintensität des elektrischen Stimulators einstellen. Um Mmax zu erhalten, notiere ichH-Reflex Rekrutierungskurve. Zu diesem Zweck Stimuli mit unterschiedlichen Stimulationsintensitäten anwenden. Die Pause zwischen aufeinanderfolgenden Versuchen ist 4 s.
   2. Berechnen Sie H-Reflexe und M-Wellen als Peak-to-Peak-Amplituden im EMG (in mV) online in der Aufnahmesoftware. Achten Sie darauf, dass die Größe des Kontroll-H-Reflexes bei 20% Mmax während des gesamten Experiments konstant bleibt und seine Größe in jedem Versuch überprüft. Bei der Erkennung einer systematischen Abweichung der H-Reflex-Größe (Kontrolle H-Reflex ist immer kleiner oder größer als Zielgröße), stellen Sie die Stimulationsintensität kurz vor dem aufeinanderfolgenden Versuch ein.
2. Passen Sie die Stimulationsintensität von TMS vor dem Experiment an.
   1. Für die H-Reflex-Konditionierung in Ruhe, setzen Sie die Stimulationsintensität für TMS über die motorische Kortex auf 90 - 100% von MT.Ensure, dass kein MEP in Versuchen ohne PNS gesehen wird.
      HINWEIS: Die Simulationsintensität sollte nahe bei 100% MT liegen, um große Effekte auf den konditionierten H-Reflex bei r zu gewährleistenSo dass die frühe Erleichterung leicht erkannt werden kann.
   2. Zervikomedulläre Stimulationsintensität vor dem Experiment anpassen. Im Gegensatz zu kortikalen Stimulation, immer anpassen Stimulationsintensität für cervicomedulläre Stimulation auf 100% der maximalen Stimulator Ausgang.
3. Bedingung des H-Reflexes mit magnetischer Stimulation über den motorischen Kortex.
   1. Wenden Sie TMS und PNS an, indem Sie den Zeitpunkt zwischen den beiden Stimuli (H-Reflex-Konditionierung) variieren, um die Bewertung der Veränderungen der kortikomotoneuronalen Übertragung zu ermöglichen. Um die frühe Erleichterung zu erkennen, starten Sie das Konditionierungsprotokoll mit einem Interstimulusintervall (ISI) von -5 ms und ändern ISIs in Schritten von Millisekunden von -5 - +1 ms (Abbildung 1B ).
      HINWEIS: Negative ISIs zeigen an, dass PNS vor TMS ausgelöst wird, positive ISIs zeigen das Gegenteil an.
   2. Variieren Sie die ISI zwischen TMS und PNS zufällig von Stimulation Studie zu Stimulation Studie, so dass keine Vorspannung aufgrund einer bestimmten ReihenfolgeVon Reizen entstehen können.
      HINWEIS: Die "frühe Erleichterung" sollte bei ISIs -4 ms bis -2 ms bei der Anwendung von TMS über den motorischen Kortex auftreten. Dies bedeutet, dass die schnellsten (monosynaptischen kortikospinalen Wege) mit der afferenten Volley von PNS an den spinalen Motoneuronen zu diesem Zeitpunkt kollidieren (siehe 5.2 für die Erkennung der frühen Erleichterung).
   3. Setzen Sie die Pause zwischen aufeinanderfolgenden Stimulationsversuchen auf 4 Sekunden.
4. Konditioniere den H-Reflex mit magnetischer Stimulation über den Zervikämundpunkt.
   HINWEIS: Bei der zervikomedullären Stimulation zur Konditionierung ist die Erregung der kortikospinalen Wege räumlich näher an den spinalen Motoneuronen als an der Stimulation der motorischen Kortex. Daher wird das ISI, das der frühen Erleichterung entspricht, um etwa 3 - 4 ms verschoben. Als Beispiel würde die frühe Erleichterung mit TMS über die primäre motorische Kortex bei -4 ms einem ISI zwischen -7 - -8 ms mit zervikomedullärer Stimulation entsprechen.
5. Abwechselnde Stimulation über den Motor Cortex und Cervicomedullary Junction
   1. Die Konditionierung des SOL H-Reflexes durch magnetische Stimulation des motorischen Kortex (M1-Konditionierung, siehe 2.1) und durch magnetische Zervikuläre Stimulation (CMS-Konditionierung, siehe 2.2) in einer zufälligen Reihenfolge während des gleichen Versuches.
      HINWEIS: Es empfiehlt sich, abwechselnd die M1- und CMS-Konditionierung in ein und demselben Versuch anzuwenden, um die konditionierten H-Reflexe auf die gleiche Probe der Kontroll-H-Reflexe (sEe Abbildung 1 ).

3. Intervention - Slow Repetitive TMS

1. Stellen Sie die Stimulationsintensität auf 1,2 MT ein, was eine langanhaltende ^{32 , 33-} Unterdrückung der kortikospinalen Erregbarkeit zur Folge hat, die erforderlich ist, da die H-Reflex-Konditionierung einige Minuten dauert. Während des rTMS-Eingriffs TMS über den primären motorischen Kortex bei 1 Hz für 20 min anwenden.

4. postmessung

1. Unmittelbar nach der Intervention, H-Reflex-Konditionierung mit den gleichen ISIs wie in der Vormessung verwendet.
2. Verwenden Sie die gleichen Stimulationsintensitäten für die magnetische Stimulation über M1 und den zervikomedullären Übergang als bei der Vormessung.
3. Stellen Sie sicher, dass der Kontroll-H-Reflex die gleiche Größe hat wie bei der Vormessung. Wenn eine systematische Abweichung erkannt wird, stellen Sie die Stimulationsintensität ein.

5. DaTa Verarbeitung

1. Berechnen Sie alle physiologischen Reaktionen wie H-Reflexe, Abgeordnete und konditionierte H-Reflexe als Peak-to-Peak-Amplituden des nicht rektifizierten EMG.
   1. Für jedes ISI, durchschnittlich zehn konditionierte H-Reflexe für a) kortikale und b) cervicomedulläre Stimulation. Zusätzlich sind die durchschnittlichen zehn kontrollierten ( dh nicht konditionierten) H-Reflexe, die als Referenz dienen ( dh 100%) für die konditionierten H-Reflexe.
   2. Folglich wird die mittlere Amplitude der konditionierten H-Reflexe für jeden ISI als Prozentsatz der mittleren Amplitude des Kontroll-H-Reflexes sowohl in der Vor- als auch nach der Messung ausgedrückt. Achten Sie darauf, die frühere Erleichterung zu bestimmen, da dies von entscheidender Bedeutung ist:
      ANMERKUNG: Da es eine interindividuelle Variabilität bei dem Auftreten des Beginns der frühen Erleichterung gibt, bestimmen Sie die frühe Erleichterung in der Vormessung für jedes Fach separat.
2. Verwenden Sie nichtparametrische Wilcoxon-Tests, um th zu bestimmenE erster Anstieg des konditionierten H-Reflexes. Für die CMS-Konditionierung starten Sie die Tests bei ISI -9 ms, für M1-Konditionierung die frühe Erleichterung beginnend bei ISI -5 ms. Vergleichen Sie die Amplitude dieser frühen Erleichterung, die bei der Vormessung erhalten wurde, mit der Amplitude der frühen Erleichterung, die bei der Nachmessung mit demselben ISI erhalten wurde.
3. Überprüfen Sie außerdem die frühe Erleichterung durch visuelle Inspektion.
   HINWEIS: Nach der M1-Konditionierung ist die frühe Erleichterung am wahrscheinlichsten um ISI -3 ms. Kurz nach dem ersten Anstieg des konditionierten H-Reflexes, dh 1 bis 2 ms später, gibt es einen Rückgang des konditionierten H-Reflexes, bevor er wieder aufsteigt. Nach der CMS-Konditionierung wird die frühe Erleichterung wahrscheinlich um ISI -7 ms auftreten, also etwa 4 ms früher als nach M1-Konditionierung.

Representative Results

Auftreten der frühen Erleichterung nach M1- und CMS-Konditionierung

H-Reflex-Konditionierung mit TMS über M1 führte zu einer frühen Erleichterung, die um ISI -3 & -4 ms auftrat. Die frühe Erleichterung nach CMS-Konditionierung erfolgte etwa 3 ms früher (ISI -6 & -7 ms). Beispielhafte ISI-Kurven eines Subjekts sind in Abbildung 1 dargestellt. In der vorliegenden Studie wurde die frühe Erleichterung innerhalb der ersten ms ihres Auftretens mit M1- und CMS-Konditionierung (siehe Abbildung 1C , D ) beurteilt. So ist es vernünftig anzunehmen, dass diese frühe Erleichterung die Aktivität der direkten, monosynaptischen kortikospinalen Wege ^{12 , 22 , 24 , 29 ,}Lass = "xref"> 34 Die nachfolgenden Ergebnisse konzentrieren sich daher auf diese frühzeitige Erleichterung, um einen Hinweis darauf zu geben, wie die Verarbeitung in direkten, monosynaptischen kortikospinalen Bahnen nach rTMS verändert wird.

RTMS-induzierte Veränderungen in der Amplitude der frühen Erleichterung

Nach 20 min von rTMS gab es einen Rückgang sowohl in der frühen Erleichterung mit M1-Konditionierung und die frühe Erleichterung mit CMS-Konditionierung. Im Gegensatz dazu blieb der Kontroll-H-Reflex auf einem konstanten Niveau. In Abbildung 2 A, B, C wird ein Beispiel eines repräsentativen Subjekts angezeigt. In Abbildung 2 D, E, F ist der Mittelwert von zwei Fächern vorgesehen. Es ist zu sehen, dass, obwohl die Reduktion nach CMS-Konditionierung nicht so prominent ist wie nach M1-Konditionierung, ist es doch deutlich sichtbar. Die dAta Satz der gesamten Probe kann in ²⁸ gesehen werden.

Abbildung 1 : Vorgehensweise der M1- und CMS-Konditionierung.
Diese modifizierte Figur aus einer unserer früheren Publikationen ²⁸ zeigt eine schematische Darstellung des M1- und CMS-Konditionierungsverfahrens. (A) Es ist ersichtlich, dass eine Spule über dem primären motorischen Kortex (mit M1 bezeichnet) und der andere über den zervikomedullären Übergang (als CMS bezeichnet) platziert wird. ( B) als die absteigenden Volleys nach der magnetischen Stimulation des primären motorischen Kortex (M1-cond) und der zervikomedullären Kreuzung (CMS-cond) für einige ms dispergiert sind, aber die periphere Nervenstimulation (H-Reflex) erzeugt nur einen kurzen Effekt H-Reflex kann in Bezug auf die absteigende Volle nach vorne verschoben werdenY, so dass es mit der schnellen (est) Fraktion (en) der absteigenden kortikospinalen Volley (frühen Erleichterung) kollidiert, oder es kann rückwärts verschoben werden, so dass langsamere kortikospinale Wege getestet werden können (späte Erleichterung). In C wird eine H-Reflex-Konditionskurve nach M1-Konditionierung angezeigt. In D ist die H-Reflex-Konditionskurve nach CMS-Konditionierung dargestellt. (Abbildung modifiziert von ²⁸ mit Genehmigung von Oxford University Press). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2 : Effekte der niederfrequenten rTMS auf die frühe Erleichterung nach M1- und CMS-Konditionierung.
In A, B, & C Ong> Daten (Mittelwerte von 10 Spuren) eines repräsentativen Subjekts vor und nach dem RTMS Intervention werden angezeigt. Es ist ersichtlich, dass die konditionierten H-Reflexe, die die frühen Erleichterungen darstellen, nach beiden M1- (A) und CMS-Konditionierung (B) reduziert werden, während die Kontroll-H-Reflexe unverändert bleiben (C). In D, E, & F wird der Mittelwert von zwei Probanden mit dem gleichen Muster dargestellt: Verringerung sowohl der M1- als auch der CMS-konditionierten H-Reflexe ohne Veränderung des Kontroll-H-Reflexes. Die Reduktion nach CMS-Konditionierung zeigt eine veränderte Transmission an den corticomotoneuronalen Synapsen an. Es ist jedoch zu sehen, dass die Unterdrückung nach rTMS nach der M1-Konditionierung größer ist. So können auch tiefgreifende Veränderungen auf der motorischen Kortikalebene vermutet werden. P-Werte in der ersten Zeile beziehen sich auf die Daten des einzelnen Subjekts. (Abbildung modifiziert von ²⁸ mit Genehmigung von Oxford University Press).Pload / 52663 / 52663fig2large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Das hier beschriebene H-Reflex-Konditionierungsverfahren wurde speziell auf die akute Veränderung der Transmission über die kortikomotoneuronale Synapse nach einer wiederholten Aktivierung des kortikospinalen Wegs ^{28 hin} untersucht. In dieser Hinsicht hat die H-Reflex-Konditionierung hervorgehoben, dass rTMS nicht nur die Erregbarkeit von kortikalen Strukturen beeinflusst, sondern auch eine Wirkung auf die kortikomotoneäre Transmission an der kortikomotonischen Synapse hat. Allerdings kann diese Methode in der Tat breitere Anwendung haben, da Veränderungen der kortikospinalen Übertragung während der motorischen Entwicklung und Alterung, motorisches Lernen, Übung und Training, Müdigkeit, Inaktivität, Erholung von Verletzungen, neurophysiologischen und therapeutischen Interventionen, Pathologie etc. auftreten Angewendet in fähigen Körpern oder bei Patienten, solange die TMS-Sicherheitsvorkehrungen eingehalten werden.

Die eingeführte Methode kann angewendet werden, um innerhalb der Sitzung zu studierenFects wie im vorliegenden Kontext oder Längseffekte über einen längeren Zeitraum hinweg. Die M1-Konditionierungstechnik wurde bisher nachgewiesen, um eine zuverlässige Beurteilung der Wirkungen zu ermöglichen, z. B. 8 Wochen der Immobilisierung ³⁵ , 4 Wochen Balance Training ^{36 , 37} und vier Wochen ballistisches Krafttraining ³⁶ . In all diesen Studien wurden keine Veränderungen in den konditionierten H-Reflexen in den Kontrollgruppen beobachtet, die keiner Verhaltensstörung unterzogen wurden. In Anbetracht der CMS-Konditionierungstechnik nach unserem Wissen wurde bisher keine Studie über Langzeitwirkungen veröffentlicht.

Ein Konditionsprotokoll mit ca. 12 - 14 ISIs dauert ca. 15 Minuten. Dies bedeutet, dass dieses Stimulationsprotokoll nicht geeignet ist, kürzere neuronale Plastizität zu beurteilen. Es ist jedoch oft möglich, das Post-Intervention-Testverfahren zu beschränkenZielt darauf ab, z. B. die in der Vormessung beurteilte frühe Erleichterung zu zielen und dadurch die Dauer der Prozedur deutlich auf wenige Minuten zu schließen. In diesem Fall ist es wichtig, die frühe Erleichterung für jedes Fach einzeln zu bestimmen. Dies wurde in der Baseline-Messung und später im Vergleich zu der frühen Erleichterung bei der Nach-Messung mit dem gleichen ISI (s) erhalten.

Der Vorteil der Konditionierung des H-Reflexes durch TMS, der über M1 oder der Cervicomedullary-Junction angewendet wird, anstatt die Compound-Potentiale zu überwachen, ist zweifach. Erstens ist es möglich, die selektive Übertragung von verschiedenen kortikospinalen Projektionen zu messen, um beispielsweise Veränderungen in der frühen Erleichterung zu berücksichtigen, die die Aktivität von schnellen und direkten kortikomotoneuronalen Projektionen widerspiegelt. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber der Analyse von zusammengesetzten Potentialamplituden, da diese letztgenannten Antworten durch eine Vielzahl von direkten und indirekten Wirkungen beeinflusst werdenS. Zweitens ist es oftmals nicht möglich, zusammengesetzte Potenziale (CMEPs) durch zervikuläre magnetische Stimulation allein für die Muskeln der unteren Extremitäten und bei ruhenden Messungen (Ugawa et al., 1994, Oya et al., 2008) hervorzurufen. Mit H-Reflex-Konditionierung erhöht der H-Reflex die Anfälligkeit von Wirbelsäulen-Motoneuronen zur kortikospinalen Übertragung. Es ist jedoch wichtig, die Größe des SOL-Kontroll-H-Reflexes während des gesamten Experiments bei etwa 20-25% von M _max konstant zu halten, da zuvor gezeigt wurde, dass die Empfindlichkeit des H-Reflexes zu erleichternden oder inhibitorischen Inputs entscheidend ist Seine Größe ³¹ .

Um zu beurteilen, ob Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit oder Transmission durch Veränderungen an einer kortikalen oder spinalen Ebene verursacht werden, haben eine Reihe von Studien die von TMS über M1 hervorgerufenen Reaktionen mit Antworten nach TES von M1 ¹⁶ verglichen. TMS und TES unterscheiden sich in Bezug auf thSo wie sie absteigende kortikale Volleys hervorrufen. Bei TMS wird ein großer Teil der zusammengesetzten Reaktion durch transsynaptische Anregung der kortikospinalen Zellen ^{38 , 39} bewirkt. Im Gegensatz dazu depolarisiert TES einen größeren Anteil an kortikospinalen Neuronen in einer direkten Weise, wahrscheinlich an einer axonalen Stelle, die zum Axonhügel liegt, was zu einer sogenannten "direkten" oder D-Welle ^{38 , 39 , 40 führt} . Veränderungen der Erregbarkeit des motorischen Kortex beeinflussen daher die Reaktionen nach TMS stärker als die nach TES - zumindest bei niedrigen Stimulationsintensitäten ^{17 , 18} . Im vorliegenden Kontext wurde TES nicht angewendet, weil a) diese Art von Stimulation mit erheblichen Schmerzen verbunden ist und b) wir wollten den Ausschluss von kortikalen Einflüssen gewährleisten. Deshalb haben wir die Antworten verglichenMit TMS über M1 mit Antworten, die von TMS an der Zervikomedullary Junction hervorgerufen wurden. Um die Stimulation des kortikospinalen Weges auf der zervikulären Ebene zu ermöglichen, ist es notwendig, das Subjekt in eine Position zu bringen, wo der Hals und das atlanto-occipitale Gelenk gebeugt werden, um eine Positionierung der Spule zu ermöglichen, so daß ihr zentraler Teil aufgesetzt wird Oder in der Nähe des Inions, was zu einem kranial gerichteten Strom ^{19 , 26 führt} . Änderungen in den Antworten dieses CMS-Konditionierungsverfahrens können daher eindeutig auf Veränderungen der Wirbelsäulebene zurückgeführt werden. Da ferner die frühzeitige Erleichterung des konditionierten H-Reflexes durch die Aktivierung von direkten, kortikomotoneuronalen Projektionen auf die spinalen Motoneurone ^{12 , 29} verursacht ^wird , zeigt eine Veränderung des CMS-bedingten H-Reflexes zum Zeitpunkt der frühen Erleichterung an Eine veränderte kortikomotoneuronale Übertragung, dh 28 .

Obwohl es in der Tat eine relevante Perspektive ist, dass die beschriebenen Methoden auch angewendet werden können, um Messungen für die oberen Extremitäten durch Stimulation von peripheren Nerven im Arm und Aufnahmen von Arm- oder Handmuskeln zu erhalten, ist diese Technik auf Muskeln beschränkt, in denen sie sich befinden Möglich, einen stabilen H-Reflex hervorzurufen. Darüber hinaus können die Subjekte aufgrund des unangenehmen Charakters der CMS-Konditionierung im Vorgriff auf den Reiz angespannt werden. So ist es wichtig, die M1- und CMS-Konditionierung zu randomisieren, um eine systematische Vorspannung zu vermeiden. Aus dem gleichen Grund können auch gewisse Experimente mit mentalen Simulations- oder Reaktionszeitaufgaben nicht möglich sein. Zum Beispiel haben wir die Betroffenen aufgefordert, bestimmte posturale Aufgaben vorzustellen (siehe ⁴¹ ), aber die Subjekte konnten sich nicht auf die mentale Simulation konzentrieren, wenn sie die CMS-Konditionierung vorwegnehmen. Eine weitere Einschränkung ist die Verwendung dieser Methode während mehrDynamische Aufgaben, wie es ist) sehr schwierig, die Spule über die zervikomedulläre Kreuzung zu fixieren und b) den Kopf in einer gebeugten Position zu halten. Schließlich ist die Methode sehr zeitaufwendig und beschränkt ihre Anwendung im weitesten Sinne weiter.

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).