Icke-invasiv bedömning av förändringar i kortikomotonuronal överföring hos människor

Summary

Syftet med föreliggande studie var att bedöma förändringar i överföring vid kortikomotoneuronala synapser hos människor efter repetitiv transkranial magnetisk stimulering. För detta ändamål införs en elektrofysiologisk metod som möjliggör bedömning av vägarespecifik corticospinal överföring, dvs differentiering av snabba, direkta kortikospinala vägar från polysynaptiska förbindelser.

Abstract

Kortikospinalvägen är den huvudsakliga vägen som förbinder hjärnan med musklerna och är därför mycket relevant för rörelsekontroll och motorinlärning. Det finns ett antal icke-invasiva elektrofysiologiska metoder som undersöker excitabiliteten och plasticiteten hos denna väg. De flesta metoder är emellertid baserade på kvantifiering av sammansatta potentialer och försummelse att kortikospinalvägen består av många olika kopplingar som är mer eller mindre direkta. Här presenterar vi en metod som möjliggör testning av excitabilitet hos olika fraktioner av kortikospinalöverföringen. Denna så kallade H-reflexkonditioneringsteknik gör att man kan bedöma excitabilitet hos de snabbaste (monosynaptiska) och även polysynaptiska kortikospinala vägarna. Vidare tillåter man, genom att använda två olika stimuleringsställen, motorcortexen och cervicomedullary junctionen, inte bara differentiering mellan kortikala och spinal effekter utan även bedömning av överföring vid kortikomenOtonisk synaps. I det här manuskriptet beskriver vi hur denna metod kan användas för att bedöma kortikomotoneurala överföringar efter lågfrekvent repetitiv transcranial magnetisk stimulering, en metod som tidigare visats reducera excitabiliteten hos kortikala celler. Här visar vi att inte bara kortikala celler påverkas av denna repetitiva stimulering utan även överföring vid kortikomotoneuron synaps vid ryggradsnivån. Detta resultat är viktigt för förståelsen av grundläggande mekanismer och platser för neuroplasticitet. Förutom undersökning av grundläggande mekanismer kan H-reflexkonditioneringstekniken appliceras för att prova förändringar i kortikospinal överföring efter beteende ( t.ex. träning) eller terapeutisk intervention, patologi eller åldrande och möjliggör därför en bättre förståelse av neurala processer som ligger till grund för rörelsekontroll och motor inlärning.

Introduction

I primater utgör kortikospinalvägen den huvudsakliga nedstigningsvägen som styr frivilliga åtgärder ¹ . Kortikospinalvägen förbinder motoriska kortikala områden med spinal a-motoneuroner via direkta monosynaptiska kortikomotonuronala anslutningar och via indirekta oligo- och polysynaptiska anslutningar ^{2 , 3} . Även om motorcortexen lätt kan exciteras icke-invasivt genom transcranial magnetisk stimulering (TMS), är det framkallade elektromyografiska svaret på denna stimulering ofta svårt att tolka. Anledningen till detta är att den sammansatta Motorn Evoked Potential (MEP) kan påverkas av förändringar i excitabiliteten hos intrakortiska och kortikospinala neuroner, spinalinteruroner och spinal α-motoneuroner ^{4 , 5 , 6 , 7} . Flera icke-invasiva elektrofysiologiCal-tekniker och stimuleringsprotokoll syftar till att bestämma huruvida förändringar i kortikospinal excitabilitet och överföring orsakas av förändringar vid kortikal eller spinal nivå. Vanligtvis används förändringar i amplituden hos den elektriskt framkallade H-reflexen som "indikativ" för förändringar av excitabilitet vid motoneuronpoolen. Det har emellertid visat sig att H-reflexen inte bara beror på motoneuronpoolens excitabilitet men också moduleras av andra faktorer såsom presynaptisk inhibering ^{8 , 9} eller homosynaptisk postaktiveringsdepression ^{5 , 10} . En annan begränsning när man jämför MEPs och H-reflexer är funktionshinder att upptäcka excitabilitetsförändringar på internuronivå ^{11 , 12} . Förutom dessa nackdelar kan motoneuronerna aktiveras annorlunda genom perifer nervstimulering än WiTMS så att förändringar i den motoneuronala excitabiliteten skulle påverka dessa svar på ett annat sätt jämfört med svar medierade via den kortikospinala vägen ^{13 , 14 , 15} .

En annan metod som används för att separera spinal från kortikala effekter representerar transcranial elektrisk stimulering (TES) hos motorcortexen ¹⁶ . Tillämpad vid låg stimulansintensitet, hävdades TES att den inte påverkades av förändringar i kortikal excitabilitet. Eftersom både TES och TMS aktiverar a-motoneuronerna via kortikospinalvägen, ger jämförelsen av magnetiskt och elektriskt framkallade ledamöter en mer attraktiv metod för att dra slutsatser om den kortikala naturen av förändringar i parlamentsledamöternas storlek än jämförelsen mellan H-reflexer Och parlamentsledamöter. När stimulansintensiteten ökas, påverkas även TES-framkallade ledamöter av förändringar i kortikal excitabilitet <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Detta problem kan kringgås när elektrisk stimulering inte appliceras på motorcortex men vid cervicomedullary junction. Emellertid, även om elektrisk stimulering kan framkalla cervicomedullary motor framkallade potentialer (cMEPs) i övre extremiteter och underarms muskler uppfattar de flesta ämnen elektrisk stimulering i hjärnstammen (och cortex) som oerhört obehaglig och smärtsam. Ett mindre smärtsamt alternativ är att aktivera kortikospinalvägen vid den cervicomedullära korsningen genom användning av magnetisk stimulering vid injonen ¹⁹ . Det är allmänt accepterat att Cervicomedullary Magnetic Stimulation (CMS) aktiverar många av samma fallande fibrer som motorisk kortikalt TMS och att förändringar i kortikal excitability kan detekteras genom att jämföra MEPs med cMEPs ¹⁹ . Ökningar i excitabiliteten hos intrakortiska celler och kortikomotoneuronala celler antas underlätta corticallyFramkallad parlamentsledamot utan en samtidig förändring av den cervicomedullära framkallade parlamentsledamoten.

I de flesta ämnen är det emellertid omöjligt att få magnetiskt framkallade cMEPs i nedre extremiteten vid vilo ^{20 , 21} . Ett tillvägagångssätt för att övervinna detta problem är att höja excitabiliteten hos spinalmotoneuroner genom frivillig förhandskontroll av målmuskeln. Det är emellertid välkänt att små förändringar i kontraktionsstyrkan påverkar cMEPs storlek. Det är således svårt att jämföra olika uppgifter. Dessutom kommer förändringar i motoneuronal excitabilitet på grund av förkoncentration att påverka MEPs och cMEPs men inte nödvändigtvis i samma utsträckning. Slutligen, genom att jämföra sammansatta parlamentsledamöter med sammansatta cMEPs, förloras viss information som finns i nedstigande volymer. Detta har uppenbarats genom studier som innefattar konditionering av H-reflexen av soleus-, tibialis-anterior- och carpi radialis-musklerna genom kortisk stimulering av magnetisk motoriskKlockan ^{12 , 22} . Genom att kombinera perifer nervstimulering och TMS över motorcortex med specifika interstimulusintervaller (ISI), är det möjligt att studera facilitatoriska och hämmande effekter av de olika nedstigande fullyserna på H-reflexen. Denna teknik är starkt inspirerad av den rumsliga förenklingstekniken som används för att bestämma överföring i neurala vägar i djurförsök och kan ses som en icke-invasiv indirekt version av den tekniken ²³ . Medan H-reflexen inte bara är viktig för att skilja mellan olika fraktioner av kortikospinalvägen (snabbt mot långsammare kortikospinalprojektioner) är det också viktigt att höja spinal excitabilitet på ett kontrollerat och jämförbart sätt. I vila och under aktivitet tillåter denna kombination av stimuleringstekniker bedömning av förändringar i olika fraktioner av kortikospinalvägen med en hög temporal upplösning, dvs i tHan snabbast, antagligen monosynaptiska kortikomotoneuronala anslutningar och i långsammare oligo- och polysynaptiska vägar ^{12 , 22 , 24 , 25} . Nyligen har denna teknik förlängts genom att inte bara konditionera H-reflexen med TMS över motorcortexen (M1-konditionering) utan även genom ytterligare konditioneringsstimulering vid cervicomedullary junction (CMS-konditionering) ²⁶ . Genom att jämföra effekter mellan M1- och CMS-konditionering tillåter denna teknik vägspecifik differentiering med en hög temporal upplösning och det möjliggör tolkningar på kortikala kontra ryggmekanismer. Vidare och viktigast med avseende på den aktuella studien möjliggör denna teknik bedömning av överföring vid kortikomotonalt synaps när man överväger den tidiga lättheten. Den tidiga lättheten av H-reflexen är sannolikt orsakad av aktiveringAv direkta monosynaptiska kortikomotoneurala utsprång till de ryggradsmotonuronerna ^{12 , 26} . För att testa de snabbaste kortikospinala vägarna och därigenom den tidiga tillförseln måste H-reflexen framkallas 2 till 4 ms före TMS. Anledningen till detta är MEPs något kortare latens (cirka 32 ms, se ²⁷ ) jämfört med H-reflexen (omkring 34 ms, se ²⁵ ). Utlämning av H-reflexen kort före applicering av TMS leder till konvergens av de stigande och snabbaste nedåtgående excitationerna vid nivån av ryggradsmotonuronerna. När TMS appliceras över cervicomedullary junction kommer den nedstigande volleyen att ankomma runt 3 - 4 ms tidigare vid spinal motoneuron poolen än efter stimulering över M1. För CMS-konditionering bör därför stimulering av perifer nerv stimuleras 6-8 ms före magnetpuls. En förändring av den tidiga förenkling efter CMS-konditionering indikerar differential trAnsmission vid synaps mellan kortikospinalkanalen och a-motoneuronen ²⁸ . I den aktuella studien användes denna nyutvecklade teknik för att differentiera ryggrad från kortikala effekter efter lågfrekvent repetitiv TMS (rTMS). Mer specifikt antog vi att om den tidiga lättheten med M1-konditionering minskas efter rTMS-ingreppet, men den tidiga underlättningen efter CMS-konditionering inte är, bör effekten vara rent kortikalt ursprung. I motsats till detta, om den tidiga förenkling med CMS-konditionering också förändras, bör denna ändring relateras till mekanismer som äger rum på ryggradsnivå. Närmare bestämt, eftersom den tidiga lättheten av H-reflexen anses vara orsakad av aktivering av direkta, kortikomotoneuronala utsprång till spinalmotoneuronerna ^{12 , 29} , en förändring av den CMS- och Ml-konditionerade H-reflexen vid tiden för Tidig förenkling bör indikeraE en förändrad kortikomotoneuronal överföring, dvs synaptisk effekt ²⁸ .

Protocol

Detta protokoll godkändes av den lokala etiska kommittén och experimenten överensstämmer med Helsingfors deklaration (1964).

1. Ämnesberedning

OBS! Ämnesanvisningar - Innan du börjar med experimentet, instruera varje ämne om syftet med studien och potentiella riskfaktorer. För transcranial magnetisk stimulering (TMS) inkluderar medicinska risker någon historia av epileptisk anfall, mentala implantat i ögon och / eller huvud, några sjukdomar i hjärt-kärlsystemet och graviditet. Uteslut alla ämnen som bekräftar en av dessa riskfaktorer. Vidare utesluta alla försökspersoner med neurologisk och / eller ortopedisk sjukdom i försöket som testar friska individer.

1. Ämne Placering
   1. Placera motivet i en stol som stöder ben, bagage och huvud på plats. Se till att benen är utsträckta så att knäna är utsträcktaSlutade och periferinerven är närmare huden vilket gör nerven enklare och mer tillförlitligt excitabel genom elektrisk stimulering.
   2. Se till att motivets huvud är böjt och vilar på en stabil stödyta som ett bord och är fastsatt med kuddar. Se till att nacken och atlanto-occipitalen böjs för att möjliggöra stimulering av kortikospinalvägen.
   3. Placera den dubbla kegelns magnetiska spolen så att dess centrala del placeras på eller nära injonen och det första derivatet av den inducerade strömmen är kranellt riktad ^{19 , 26} . Använd elastiska remsor i huvudet och bagaget för att säkerställa att denna position upprätthålls under experimentet.
2. Använda ytelektroder mäter de elektrofysiologiska reaktionerna genom perifer nervstimulering (PNS) och TMS.
   1. Förbered huden över muskelmagen av soleus genom rakning, desinfektion med propanol och lätta abrasion.
      1. Placera självhäftande EMG-elektroder på huden över muskelmagen hos m. soleus. Placera en referenselektrod på huden över benet, t.ex. på patella eller medialmalleolus.
      2. Anslut alla elektroder till en EMG-förstärkare och slutligen en analog-digitalomvandlare. Förstärka EMG-signaler (× 1000), bandpassfilter (10-1000 Hz) och prov vid 4 kHz.
   2. PNS
      1. För H-reflex konditionering, registrera H-reflexer i soleus-muskeln genom att stimulera den bakre tibialnerven i poplitealfossen. Enbart stimulering med kvadratvågpulser som varar 1 ms. För stimulering fixera en anod med 5 x 5 cm med tejp på den främre sidan av knäet precis under patella.
         OBS! Stabil H-reflexamplitud är en förutsättning för framgångsrik H-reflexkonditionering och minst variation av alla muskler kan hittas vid inspelning från soleus-muskeln.
      2. Flytta katoden i poplitenaL fossa tills det bästa stället för stimulering finns.
         OBS! Den bästa positionen avser inspelning av H-reflexer i soleus-muskeln med minimal stimulansintensitet, utan synlig M-våg i EMG-inspelningarna vid dessa låga stimulansintensiteter och utan att ta emot något svar i antagonisten m. tibialis.
      3. Undvik svar i m. Tibialis muskel som de kan påverka resultatet genom ömsesidig hämning från Ia afferenter av n. Peroneus communis till spinal motoneurons av soleus muskeln. Efter att ha hittat den optimala platsen, placera en självhäftande elektrod på huden och fixa elektroden med tejp för att säkerställa konsekventa stimuleringsförhållanden.
   3. TMS
      1. Stimulera motortortikala området på den kontralaterala halvklotet med TMS med hjälp av en siffra åtta spole för att framkalla motordrivna potentialer (MEP) i de elektromyografiska inspelningarna av soleus-muskeln.
      2. För att hitta den optimala stimulanspunkten, plaStäng spiralen först över vertexen och 1 cm fronten. Handtaget på spolen bör peka bakåt, vilket framkallar ett bakre till främre flöde av den inducerade strömmen i spolens mitt.
      3. Börja stimulering med låga intensiteter på cirka 20-30% av den maximala stimulatorutgången så att ämnen blir vana vid magnetstimulans stimulans. Välj pausen mellan successiva stimuli för att vara 4 s.
      4. Efter några försök öka stimulansintensiteten till cirka 40-60% av den maximala stimulatorutgången och flytta spolen i frontal-rostral och medi-lateral riktning för att hitta hotspot av m. soleus. Hotspot definieras som den plats där ledamöter i m. Soleus kan framkallas med minimal stimulansintensitet.
      5. Efter att ha hittat soleus hotspot bestämmer du vilemotortröskeln (1,0 MT) som den minsta intensiteten som krävs för att framkalla MEP topp-till-topp-amplituder i EMG större än 50 μV i sex av tio på varandra följande studier ³⁰. I ämnen i vilka bakgrunden EMG redan är omkring 50 μV, använd 100 μV som tröskelvärde.
   4. Fixering av spolen
      1. Placera motivets huvud på ett bord (se "Ämnesplacering") och använd styvt skum för att förhindra huvudrörelser i alla riktningar. Fixera spolen till ett stativ och motivets huvud till stolen.
      2. Fixera spolen med kardborreband till huvudet och använd ett bildstyrt TMS-navigationssystem för övervakning av spole och huvudposition under hela experimentet. Undvik även små rörelser i spolen i förhållande till individens huvud eftersom detta ändrar rekrytering av neuroner av TMS.
   5. Magnetisk stimulering vid Cervicomedullary Junction
      1. Använd en magnetisk spiral med dubbla keglar placerade vid cervicomedullary junction för att excitera axons i kortikospinalvägen.
      2. Placera spolen så att det första derivatet av inducerad ström iS kranialt riktad och att dess centrala del är på eller nära injonen. Applicera stimulering med maximal stimulatorutgång (100%).
         OBS! Även med denna höga stimulansintensitet är stimulansen för svag för att rekrytera spinal motoneuroner tillräckligt och aktivera underbenets muskler ( dvs m. Soleus och m. Tibialis anterior) hos de flesta ämnen. Sålunda är det med cervicomedullary stimulering ingen sammansättningspotential i ytan EMG i underbenmusklerna. Därför kombinera cervicomedullary-simulering med H-reflexen (se "3.1) för att öka spinalmotonurons excitabilitet.

2. Förmätning

1. Justera storleken på H-reflexen (perifer nervstimulering)
   1. För H-reflexkonditionering, justera storleken på H-reflexen till 20% av den maximala M-våg (Mmax) ³¹ genom att ändra stimulansintensiteten hos den elektriska stimulatorn. För att få Mmax, spela in enH-reflex rekryteringskurva. För detta ändamål, tillämpa stimuli med varierande stimulansintensiteter. Pausen mellan successiva försök är 4 s.
   2. Beräkna H-reflexer och M-vågor som topp-till-topp-amplituder i EMG (i mV) online i inspelningsprogrammet. Se till att storleken på kontroll H-reflexen stannar konstant vid 20% av Mmax under hela experimentet och kontrollera dess storlek i varje försök. Vid detektering av en systematisk avvikelse av H-reflexstorleken (kontroll H-reflex är alltid mindre eller större som målstorlek), justera stimuleringsintensiteten strax före den på varandra följande försöket.
2. Justera stimulansintensiteten hos TMS före experimentet.
   1. För H-reflexkonditionering i vila, sätt stimulansintensiteten för TMS över motorcortexen till 90-100% av MT.Ensure att ingen ledamot ses i försök utan PNS.
      OBS: Simuleringsintensiteten bör vara nära 100% av MT för att säkerställa stora effekter på den konditionerade H-reflexen vid rEst så att den tidiga lättheten lätt kan detekteras.
   2. Justera cervicomedullary stimuleringsintensitet före experimentet. Till skillnad från kortikal stimulering, justera stimuleringsintensiteten för cervicomedullary stimulering till 100% av maximal stimulatorutgång.
3. Konditionera H-reflexen med magnetisk stimulering över motorcortexen.
   1. Applicera TMS och PNS genom att variera tidpunkten mellan de två stimuli (H-reflexkonditionering) för att möjliggöra bedömning av förändringar i kortikomotonuronal överföring. För att upptäcka den tidiga lättheten, starta konditioneringsprotokollet med ett interstimulusintervall (ISI) på -5 ms och ändra ISI i steg av millisekunder, från -5 - +1 ms ( Figur 1B ).
      OBS: Negativa ISI: er indikerar att PNS uppstår före TMS, positiva ISI: er indikerar motsatsen.
   2. Variera ISI mellan TMS och PNS slumpmässigt från stimuleringsprov till stimuleringsprov så att ingen förspänning på grund av en viss ordningAv stimuli kan uppstå.
      ANMÄRKNING: "Tidig förenkling" bör ske runt ISIs -4 ms till -2 ms när man applicerar TMS över motorcortexen. Detta innebär att de snabbaste (monosynaptiska kortikospinala vägarna) kolliderar med den afferenta volleyen vid PNS vid spinalmotonuronerna vid denna tidpunkt (se 5.2 för detektering av tidig förenkling).
   3. Ställ in pausen mellan successiva stimuleringsprover till 4 sekunder.
4. Konditionera H-reflexen med magnetisk stimulering över cervicomedullary junction.
   ANMÄRKNING: Användning av cervicomedullary stimulering för konditionering är excitering av kortikospinalvägarna rumsligt närmare mot spinalmotonuronerna än med stimulering av motorcortexen. Därför förskjuts ISI som motsvarar den tidiga lättheten med ungefär 3 - 4 ms. Som ett exempel skulle den tidiga förenkling med TMS över primära motorcortexen vid -4 ms motsvara en ISI mellan -7 - -8 ms med cervicomedullary stimulering.
5. Alternativ stimulering över motorcortex och Cervicomedullary Junction
   1. Applicera konditionering av SOL H-reflexen genom magnetisk stimulering av motorcortexen (M1-konditionering, se 2.1) och genom magnetisk cervicomedullary stimulering (CMS-konditionering, se 2.2) i slumpmässig ordning under samma försök.
      ANMÄRKNING: Det rekommenderas att växelvis applicera M1- och CMS-konditionering i en och samma försök för att hänvisa de konditionerade H-reflexerna till samma prov av H-reflex (H-reflexer)Ee Figur 1 ).

3. Intervention - Slow Repetitive TMS

1. Ställ stimulansintensiteten till 1,2 MT, vilket inducerar en långvarig ^{32 , 33-} suppression av kortikospinal excitabilitet som krävs som H-reflexkonditionering tar flera minuter att åstadkomma. Under rTMS-ingrepp, applicera TMS över primärmotorcortexen vid 1 Hz i 20 min.

4. Postmätning

1. Direkt efter ingreppet, applicera H-reflexkonditionering med samma ISI som använts vid förmätningen.
2. Använd samma stimuleringsintensiteter för magnetisk stimulering över M1 och cervicomedullary-korsningen än i för-mätningen.
3. Kontrollera att kontrollen H-reflex har samma storlek som i för-mätningen. Om en systematisk avvikelse detekteras, justera stimuleringsintensiteten.

5. DaTa bearbetning

1. Beräkna alla fysiologiska svar, såsom H-reflexer, MEPs och konditionerade H-reflexer som topp-till-topp-amplituder av det oregerade EMG.
   1. För varje ISI, genomsnittlig tio konditionerade H-reflexer för a) kortikal och b) cervicomedullary stimulering. Dessutom genomsnittlig tio kontroll ( dvs okonditionerade) H-reflexer som tjänar som referens ( dvs 100%) för de konditionerade H-reflexerna.
   2. Följaktligen uttrycker medelamplituden för de konditionerade H-reflexerna för varje ISI som en procentandel av medelhög amplitude av kontroll-H-reflexen i både före- och eftermätningen. Var försiktig när du bestämmer tidig förenkling eftersom detta är av kritisk betydelse:
      ANMÄRKNING: Eftersom det finns inter-individuell variabilitet vid förekomsten av början av den tidiga lättheten, bestämma tidig förenkling i förutvärderingen för varje ämne separat.
2. Använd icke-parametriska Wilcoxon test för att bestämma thE första uppkomsten av den konditionerade H-reflexen. För CMS-konditionering, starta testerna vid ISI -9 ms, för M1-konditionering sök tidigt förenkling som börjar vid ISI -5 ms. Jämför amplituden för denna tidiga förenkling som erhållits i förmätningen med amplituden för den tidiga förenkling som erhållits i eftermätningen med samma ISI.
3. Dessutom verifiera tidig förenkling genom visuell inspektion.
   ANMÄRKNING: Efter M1-konditionering är det troligt att den tidiga lättheten sker runt ISI -3 ms. Kort efter den första uppgången i den konditionerade H-reflexen, dvs 1 till 2 ms senare, är det en minskning av den konditionerade H-reflexen innan den stiger igen. Efter CMS-konditionering är det troligt att den tidiga möjliggörandet sker runt ISI -7 ms, vilket är ungefär 4 ms tidigare än efter M1-konditionering.

Representative Results

Förekomst av den tidiga förenkling efter M1- och CMS-konditionering

H-reflexkonditionering med TMS över M1 resulterade i en tidig förenkling som inträffade kring ISI -3 och -4 ms. Den tidiga förenkling efter CMS-konditionering inträffade cirka 3 ms tidigare (ISI -6 respektive -7 ms). Exempel på ISI-kurvor för ett ämne visas i Figur 1 . I den aktuella studien utvärderades den tidiga lättheten inom den första ms av förekomsten med både M1- och CMS-konditionering (se Figur 1C , D ). Det är således rimligt att anta att denna tidiga förenkling speglar aktiviteten hos direkta monosynaptiska kortikospinala vägar ^{12 , 22 , 24 , 29 ,}Lass = "xref"> 34. Följande resultat koncentrerar sig därför på denna tidiga förenkling för att ge en indikation på hur behandlingen förändras i direkta monosynaptiska kortikospinala vägar efter rTMS.

RTMS-inducerad förändring i amplituden för den tidiga förenklingen

Efter 20 min rTMS fanns en minskning av både den tidiga förenkling med M1-konditionering och den tidiga förenkling med CMS-konditionering. Däremot förblev kontroll H-reflexen vid en konstant nivå. I figur 2 A, B, C visas ett exempel på ett representativt ämne. I figur 2 D, E, F tillhandahålls medelvärdet av två ämnen. Det kan ses att även om minskningen inte är lika framträdande efter CMS-konditionering än efter M1-konditionering är den ändå klart synlig. DAta uppsättning av hela provet kan ses i ²⁸ .

Figur 1 : Förfarande för M1- och CMS-konditionering.
Denna modifierade figur från en av våra tidigare publikationer ²⁸ visar en schematisk ritning av M1- och CMS-konditioneringsförfarandet. (A) Det kan ses att en spole placeras över den primära motorcortexen (indikerad som M1) och den andra över den cervicomedullära korsningen (angiven som CMS). ( B), eftersom de nedåtgående töjningarna efter magnetisk stimulering av primärmotorisk cortex (M1-cond) och cervicomedullary junction (CMS-cond) dispergeras för vissa ms men perifera nervstimulering (H-reflex) ger endast en kort effekt, H-reflex kan flyttas framåt i förhållande till den nedåtgående volymenY så att den kolliderar med den snabba (est) fraktionen av den nedåtgående kortikospinalvolleyen (tidig förenkling) eller det kan flyttas bakåt så att långsammare kortikospinala vägar kan testas (sena förenkling). I C visas en H-reflexkonditioneringskurva efter M1-konditionering. I D , illustreras H-reflexkonditioneringskurvan efter CMS-konditionering. (Figur modifierad från ²⁸ med tillstånd från Oxford University Press). Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 2 : Effekter av lågfrekvens rTMS vid tidig förenkling efter M1- och CMS-konditionering.
I A, B, & C Ong> data (medelvärden av 10 spår) av ett representativt ämne före och efter rTMS-ingreppet visas. Det kan ses att de konditionerade H-reflexerna som representerar de tidiga förenklingarna minskas efter både M1- (A) och CMS-konditionering (B) medan kontroll H-reflexen förblir oförändrad (C). I D, E, & F visas medelvärdet av två ämnen som visar samma mönster: minskning i både M1- och CMS-konditionerade H-reflexer utan någon ändring i kontroll H-reflexen. Reduktionen efter CMS-konditionering indikerar förändrad överföring vid kortikomotoneuronala synapser. Det kan dock ses att undertryckningen efter rTMS är större efter M1-konditionering. Således kan man också förmoda att djupgående förändringar på motorisk kortikal nivå. P-värden i den första raden hänvisar till data för det enskilda ämnet. (Figur modifierad från ²⁸ med tillstånd från Oxford University Press).Pload / 52663 / 52663fig2large.jpg "target =" _ blank "> Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Discussion

H-reflexkonditioneringsförfarandet som beskrivs här har specifikt tagits upp för att bedöma akuta förändringar i överföring över kortikomotoneuron synaps efter repetitiv aktivering av den kortikospinala vägen ²⁸ . I detta avseende har H-reflexkonditionering framhävt att rTMS inte bara påverkar excitabiliteten hos kortikala strukturer utan också har en effekt på kortikomotoneurala överföringen vid kortikomotonalt synaps. Denna metod kan dock faktiskt ha bredare tillämpning, eftersom förändringar i kortikospinal överföring sker under motorutveckling och åldrande, motorinlärning, träning och träning, trötthet, inaktivitet, återhämtning från skada, neurofysiologiska och terapeutiska ingrepp, patologi etc. Vidare kan metoderna vara Appliceras hos frivilliga personer eller hos patienter så länge som säkerhetsföreskrifterna för TMS följs.

Den införda metoden kan tillämpas för att studera inom sessionen efFekter som i nuvarande sammanhang eller longitudinella effekter över en längre tidsperiod. M1-konditioneringstekniken har tidigare visats för att möjliggöra tillförlitlig bedömning av effekter som till exempel 8 veckors immobilisering ³⁵ , 4 veckors balansutbildning ^{36 , 37} och fyra veckor med ballistisk styrketräning ³⁶ . I alla dessa studier observerades inga förändringar i de konditionerade H-reflexerna i kontrollgrupperna, som inte utsattes för beteendemässig ingrepp. Med tanke på CMS-konditioneringstekniken enligt vår kunskap har ingen studie hittills publicerats om långsiktiga effekter.

Ett konditioneringsprotokoll innefattande cirka 12-14 ISI: er varar cirka 15 minuter. Detta innebär att detta stimuleringsprotokoll inte är lämpligt för att bedöma kortvarig neural plasticitet. Det är emellertid ofta möjligt att begränsa förfarandet efter ingripandeTål att rikta specifikt till exempel den tidiga förenkling som bedömts i för-mätningen och därigenom förkorta procedurens varaktighet markant till några minuter. I det här fallet är det viktigt att bestämma den tidiga lättheten för varje ämne individuellt. Detta gjordes i baslinjemätningen och senare jämfört med den tidiga förenkling som erhållits vid eftermätningen med samma ISI (er).

Fördelen med att konditionera H-reflexen genom TMS applicerad över Ml eller den cervicomedullära föreningen istället för att övervaka föreningspotentialerna är dubbel. För det första är det möjligt att mäta selektiv överföring av distinkta kortikospinala utsprång, till exempel för att bedöma förändringar i den tidiga underlättande reflekterande aktiviteten av snabba och direkta kortikomotoneuronala utsprång. Detta är en stor fördel jämfört med analys av sammansatta potentiella amplituder eftersom dessa senare svar påverkas av en mängd direkt och indirekt effekts. För det andra är det ofta inte möjligt att framkalla sammansatta potentialer (CMEP) genom enbart cervicomedullär magnetisk stimulering, särskilt för musklerna i nedre extremiteterna och vid mätningar i vila (Ugawa et al., 1994, Oya et al., 2008). Med hjälp av H-reflexkonditionering ökar H-reflexet mottagligheten av ryggmotoriska neuroner till kortikospinalöverföring. Det är emellertid viktigt att hålla storleken på SOL-kontrollen H-reflex konstant under experimentet vid omkring 20-25% av Mmaxen som det tidigare visat sig att känsligheten hos H-reflexen till underlättande eller hämmande ingrepp beror väsentligt på Dess storlek ³¹ .

För att bedöma huruvida förändringar i kortikospinal excitabilitet eller överföring orsakas av förändringar på kortisk eller spinal nivå har ett antal studier jämfört svar som framkallats av TMS över M1 med svar efter TES av M1 ¹⁶ . TMS och TES skiljer sig åt med avseende på thE sätt hur de framkallar nedåtgående kortikospinala fullo. Med TMS uppstår en stor del av det sammansatta svaret genom transsynaptisk excitation av kortikospinalceller ^{38 , 39} . I motsats härtill depolariserar TES en större andel kortikospinala neuroner på ett direkt sätt, förmodligen vid en axonal plats som är avlägsen mot axonhöjden, vilket resulterar i en så kallad "direkt" eller D-våg ^{38 , 39 , 40} . Förändringar i motorcortexens excitabilitet påverkar följaktligen starkare respons efter TMS än de efter TES - åtminstone vid låg stimulansintensitet ^{17 , 18} . I det nuvarande sammanhanget användes inte TES eftersom a) denna typ av stimulans är förknippad med stor smärta och b) vi ville säkerställa uteslutning av kortikala influenser. Därför jämförde vi svaren eliciTed med TMS över M1 med svar som framkallas av TMS vid cervicomedullary junction. För att möjliggöra stimulering av kortikospinalvägen vid den cervicomedullära nivån är det nödvändigt att placera patienten i en position där nacken och den atlanto-occipitala leden böjes för att tillåta positionering av spolen så att dess centrala del placeras på Eller nära injonen, vilket resulterar i en kraniellt riktade ström ^{19 , 26} . Förändringar i svaren på detta CMS-konditioneringsförfarande kan därför klart hänföras till förändringar på ryggradsnivå. Eftersom den tidiga tillförseln av den konditionerade H-reflexen tros vara orsakad av aktivering av direkta, kortikomotoneuronala utsprång till spinalmotoneuronerna ^{12 , 29} indikerar en förändring av den CMS-konditionerade H-reflexen vid tidpunkten för den tidiga förenklingen En förändrad kortikomotoneuronal överföring dvs. 28 .

Även om det verkligen är ett relevant perspektiv att de beskrivna metoderna också kan tillämpas för att erhålla mätningar för de övre extremiteterna genom stimulering av perifera nerver i armen och inspelningar från arm- eller handmuskler, är denna teknik begränsad till muskler där den är Möjligt att framkalla en stabil H-reflex. Vidare, på grund av CMS-konditionens obehagliga karaktär kan ämnen spända i väntan på stimulansen. Det är således viktigt att randomisera M1- och CMS-konditionering för att undvika systematisk förspänning. Av samma skäl kan vissa experiment som involverar mental simulering eller reaktionstid uppgifter inte ens vara möjliga. Till exempel frågade vi ämnen att föreställa vissa posturella uppgifter (jfr. ⁴¹ ) men ämnen kunde inte koncentrera sig på mental simulering när man förutse CMS-konditionering. En annan begränsning är användningen av denna metod under merDynamiska uppgifter eftersom det är a) väldigt svårt att fixera spolen över cervicomedullary junction och b) hålla huvudet i ett böjt läge. Slutligen är metoden mycket tidskrävande och begränsar dess tillämpning i vid mening.

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).