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Neuroscience

Messung der kontralateralen Stille, die durch transkranielle Magnetstimulation mit einem Puls induziert wird, um die kortikospinale M1-Hemmung zu untersuchen

Published: August 23, 2022 doi: 10.3791/64231
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3,4, 1
1Neuromodulation Center and Center for Clinical Research Learning, Spaulding Rehabilitation Hospital and Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 2Universidad de Investigación para la Generación y Síntesis de Evidencia en Salud, Universidad San Ignacio de Loyola, 3Research and Development, Soterix Medical, 4City College of New York

Summary

Die Beurteilung der kontralateralen Stillphase (cSP) ist ein vielversprechender Biomarker für die Indizierung der kortikalen Erregbarkeit und des Ansprechens auf die Behandlung. Wir demonstrieren ein Protokoll zur Beurteilung von cSP, das zur Untersuchung der kortikospinalen M1-Hemmung der oberen und unteren Extremitäten vorgesehen ist.

Abstract

Die kontralaterale Ruhephase (cSP) ist eine Periode der Unterdrückung der elektrischen Muskelaktivität im Hintergrund, die durch Elektromyographie (EMG) nach einem motorisch evozierten Potential (MEP) erfasst wird. Um dies zu erreichen, wird ein MEP durch einen überschwelligen transkraniellen Magnetstimulationsimpuls (TMS) ausgelöst, der an den primären motorischen Kortex (M1) des ausgewählten Zielmuskels abgegeben wird, während der Teilnehmer eine standardisierte willkürliche Zielmuskelkontraktion durchführt. Der cSP ist das Ergebnis von Hemmmechanismen, die nach dem MEP auftreten; Es bietet eine breite zeitliche Bewertung der spinalen Hemmung in den anfänglichen ~50 ms und der kortikalen Hemmung danach. Forscher haben versucht, den neurobiologischen Mechanismus hinter dem cSP besser zu verstehen, um ihn als potenziellen diagnostischen, Surrogat und prädiktiven Biomarker für verschiedene neuropsychiatrische Erkrankungen zu validieren. Daher beschreibt dieser Artikel eine Methode zur Messung des M1-cSP der unteren und oberen Extremitäten, einschließlich einer Auswahl des Zielmuskels, der Elektrodenplatzierung, der Spulenpositionierung, der Methode zur Messung der willkürlichen Kontraktionsstimulation, der Intensitätseinstellung und der Datenanalyse, um ein repräsentatives Ergebnis zu erhalten. Es hat das pädagogische Ziel, einen visuellen Leitfaden für die Durchführung eines praktikablen, zuverlässigen und reproduzierbaren cSP-Protokolls für die unteren und oberen Gliedmaßen zu geben und praktische Herausforderungen dieser Technik zu diskutieren.

Introduction

Die Ruhephase (SP) ist eine Periode der elektromyographischen (EMG) Stille, die auf ein motorisch evoziertes Potential (MEP) folgt, das durch transkranielle Magnetstimulation (TMS) induziert wird, die während einer anhaltenden Muskelkontraktion angewendet wird. Der überschwellige TMS-Puls kann entweder auf den kontralateralen oder den ipsilateralen primären motorischen Kortex (M1) des Zielmuskels angewendet werden, von dem aus die EMG-Aktivität aufgezeichnet wird, was zu zwei Phänomenen führt: kontralaterale Stillzeit (cSP) und ipsilaterale Stillzeit (iSP).

Auch wenn iSP und cSP ähnliche Funktionen aufweisen, können sie leicht unterschiedliche Komponenten widerspiegeln. Es wird angenommen, dass die erste eine transkallosale Hemmung widerspiegelt und somit vollständig kortikalen Ursprungs ist 1,2. Umgekehrt wird cSP als mögliches Surrogat der kortikospinalen Inhibition untersucht, die höchstwahrscheinlich durch gamma-Aminobuttersäure (GABA) B-Rezeptoren in M1 3,4,5 vermittelt wird.

Frühere Arbeiten untermauern die Rolle von cSP in GABA-vermittelten Signalwegen und haben eine Zunahme der cSP-Dauer nach oraler Verabreichung von GABA-verstärkenden Komponenten festgestellt 5,6,7,8. Dennoch sind auch die Prozesse der Wirbelsäule an der Veränderung der Dauer beteiligt. Die frühere Phase (<50 ms) des cSP ist mit verminderten H-Reflexwerten3-a Reflex assoziiert, der ein Produkt peripherer Neuroschaltkreise ist und die Erregbarkeit von spinalen Neuronen quantifiziert9. Es wird angenommen, dass die spinale Verarbeitung durch die Aktivierung von Renshaw-Zellen, Motoneuronen nach Hyperpolarisation und postsynaptische Hemmung durch spinale Interneuronen vermitteltwird 10,11,12,13,14.

Trotz des Beitrags der Wirbelsäule resultiert cSP hauptsächlich aus der Aktivierung kortikaler inhibitorischer Neuronen, die für die Bildung des späteren Teils des cSP (50-200 ms) verantwortlich sind3,10,13,15,16. In dieser Hinsicht wurde der frühe Teil der cSP-Dauer mit spinalen Inhibitionsmechanismen in Verbindung gebracht, während lange cSPs größere kortikale Hemmmechanismen erfordern 3,13,17,18.

Daher ist cSP ein vielversprechender Biomarker-Kandidat für kortikospinale Maladaptation aufgrund neurologischer Erkrankungen, während signifikantere cSP-Dauern möglicherweise eine Zunahme der kortikospinalen Hemmung widerspiegeln und umgekehrt 5,11. Dementsprechend haben frühere Arbeiten einen Zusammenhang zwischen der Dauer der cSP und Pathologien wie Dystonie, Parkinson, chronischen Schmerzen, Schlaganfall und anderen neurodegenerativen und psychiatrischen Erkrankungen festgestellt 19,20,21,22. Zur Veranschaulichung: In einer Kniearthrose-Kohorte war eine höhere intrakortikale Hemmung (wie durch cSP indiziert) mit jüngerem Alter, größerer Knorpeldegeneration und geringerer kognitiver Leistung in der Montrealer kognitiven Bewertungsskala23 assoziiert. Darüber hinaus konnten cSP-Veränderungen auch das Ansprechen auf die Behandlung und die motorische Erholung im Längsschnitt indizieren 24,25,26,27,28,29,30.

So vielversprechend die Rolle von cSP im Bereich der Neuropsychiatrie auch ist, ein schwieriger Aspekt seiner Bewertung besteht darin, dass es zu empfindlich auf Protokollvariationen reagieren kann. Zum Beispiel ist die cSP-Dauer (~100-300 ms)11 zwischen oberen und unteren Gliedmaßen zu unterscheiden. Salerno et al. fanden in einer Stichprobe von Fibromyalgie-Patienten eine durchschnittliche cSP-Dauer von 121,2 ms (± 32,5) für den ersten dorsalen interossären Muskel (FDI) und 75,5 ms (± 21) für den Musculus tibialis anterior (TA)31. Daher vermittelt die Literatur eine Vielzahl von Divergenzen in den Parametern, die zur Erhebung von cSPs verwendet werden, was wiederum die Vergleichbarkeit zwischen Studien gefährdet und die Translation in die klinische Praxis verzögert. Innerhalb einer ähnlichen Population waren die Protokolle heterogen in Bezug auf die überschwellige TMS-Pulseinstellung, die beispielsweise zur Stimulation von M1 und des Zielmuskels verwendet wurde. Hinzu kommt, dass die Forscher es versäumt haben, die in ihren Protokollen verwendeten Parameter ordnungsgemäß zu melden.

Ziel ist es daher, einen visuellen Leitfaden für die Anwendung eines praktikablen, zuverlässigen und leicht reproduzierbaren cSP-Protokolls zur Beurteilung der kortikospinalen Erregbarkeit der oberen und unteren Extremitäten von M1 bereitzustellen und die praktischen methodischen Herausforderungen dieses Verfahrens zu diskutieren. Um die Gründe für die Wahl der Parameter zu veranschaulichen, führten wir eine nicht erschöpfende Literaturrecherche zu Pubmed/MEDLINE durch, um veröffentlichte Arbeiten über cSP in chronischen Schmerz- und Rehabilitationspopulationen zu identifizieren, wobei wir den Suchbegriff Rehabilitation (Mesh) oder Rehabilitation oder chronische Schmerzen oder Schlaganfall und Begriffe wie transkranielle Magnetstimulation und Einzelpuls oder kortikale Ruheperiode verwendeten. Für die Extraktion wurden keine Einschlusskriterien definiert, und die gepoolten Ergebnisse werden in Tabelle 1 nur zur Veranschaulichung angezeigt.

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Protocol

Dieses Protokoll beinhaltet Forschung am Menschen und steht im Einklang mit den institutionellen und ethischen Richtlinien der lokalen Ethikkommissionen und der Deklaration von Helsinki. Für die Verwendung ihrer Daten in der Studie wurde eine informierte Einwilligung der Probanden eingeholt.

1. Vorexperimentelle Verfahren

  1. Screening des Subjekts. Untersuchen Sie die Person auf intrakranielle Implantate, Epilepsie, Anfälle in der Vorgeschichte und Schwangerschaft. Verwenden Sie Fragebogenrichtlinien, um die Einhaltung aktueller Sicherheitsvorkehrungen sicherzustellen32.
    1. Die Abgabe elektromagnetischer Impulse mit TMS ist für Personen mit intrakraniellen Implantaten aus ferromagnetischem Material wie Schrapnellen, Aneurysma-Clips oder Schweißfragmenten kontraindiziert. Treffen Sie Vorsichtsmaßnahmen bei Personen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit von Anfällen.
    2. Die TMS-Beurteilung stellt kein fetales Risiko für schwangere Frauen dar, denen empfohlen wird, im Umgang mit dieser Bevölkerungsgruppe eine konservative Haltung einzunehmen. Es ist sicher, TMS in pädiatrischen Populationen anzuwenden und in bestimmten Entwicklungsstadien (d. h. Verschluss der Fontanelle, Reifung der kortikalen Erregbarkeit und Wachstum des äußeren Gehörgangs) vorsichtig vorzugehen33.
  2. Vorbereitung der Materialien. Für dieses Verfahren stehen Ihnen neben den TMS- und EMG-Geräten eine Badekappe, Alkoholpads (mit der Herstellung von 70% Isopropylalkohol), leitfähiges Gel und ein Computer zur Verfügung, der mit dem EMG-Software-Setup und einem für den untersuchten Muskel geeigneten Dynamometer eingeschaltet ist (siehe Materialtabelle).
    HINWEIS: Badekappen haben den Vorteil, dass sie die billigste und zugänglichste Option sind, die dennoch zuverlässige und reproduzierbare TMS-Bewertungen ermöglicht, ohne das Unbehagen zu verursachen, den Kopf der Probanden zu markieren.

2. Angemessene Anweisungen an die Patienten

  1. Erklären Sie die grundlegenden Schritte des Verfahrens und wie viel Zeit es in Anspruch nehmen wird.
  2. Weisen Sie den Teilnehmer an, wach zu bleiben, aber keine kognitiven Aktivitäten auszuführen, die zusätzliche Aufmerksamkeit und/oder Konzentration erfordern (z. B. mathematische Berechnungen, Meditation usw.), und rechnen Sie damit, dass er Hand-/Kieferzucken oder plausible Nebenwirkungen erleben könnte. Solche Ereignisse können für einen unerfahrenen Probanden unerwartet erscheinen und somit das Verfahren gefährden.
    HINWEIS: Einzel- und Paarpuls-TMS wurden nur mit leichten, vorübergehenden unerwünschten Ereignissen in Verbindung gebracht, einschließlich Kopfschmerzen, lokalen Schmerzen, Nackenschmerzen, Zahnschmerzen und Parästhesien. Krampfanfälle sind selten, und es wurden keine anderen schwerwiegenden unerwünschten Ereignisse in Verbindung gebracht33. Für zusätzliche Sicherheit wird empfohlen, Ohrstöpsel anzubieten, da die Möglichkeit schädlicher Geräusche besteht, und Bissblöcke für eine mögliche Kaumuskelkontraktion34.

3. Experimentelle Verfahren (Abbildung 1)

  1. Wählen Sie den Muskel für die Positionierung der Elektroden aus.
    1. Bitten Sie die Versuchsperson, ihre Hand in Bauchlage über den Tisch zu legen. Wählen Sie den FDI-Muskel aus, der zwischen dem ersten und zweiten Mittelhandknochen lokalisiert ist. Um die ausländischen Direktinvestitionen zu identifizieren, bitten Sie die Versuchsperson, ihren Zeigefinger gegen Widerstand zu entführen, den Rest der Hand ruhig zu halten und sich auf den Tisch zu legen, während Sie den Bereich abtasten.
    2. Machen Sie den ausgewählten Bereich verfügbar. Verwenden Sie bei Bedarf einen Einwegrasierer, um den Bereich zu rasieren, um den Kontakt der Elektrode mit der Haut zu verbessern, und reinigen Sie den Bereich mit Alkoholpads, um Hautfette und andere Faktoren zu entfernen, die die Impedanz erhöhen könnten. Bestätigen Sie, dass freie Haut vorhanden ist, um den Kontakt mit der Elektrode zu gewährleisten.
      Anmerkungen: Wenn Sie die Aktivität der unteren Gliedmaßen beurteilen, verwenden Sie den TA-Muskel für die Elektrodenplatzierung. Es ist auf der lateralen Seite der Tibia lokalisiert und liegt in der Nähe der Oberflächlichkeiten der Haut. Er ist an der Dorsalflexion des Sprunggelenks zu erkennen.
  2. Platzieren Sie die Oberflächen-EMG-Elektroden
    1. Wenn der Bereich freigelegt und gereinigt ist, tragen Sie das leitfähige Gel auf jede Elektrode des Kanals auf, um eine gute Impedanz zu gewährleisten.
    2. Platzieren Sie die negative Elektrode auf dem Bauch des FDI-Muskels (der Mitte oder der prominentesten Ausbuchtung des Muskelbauchs) und die positive Elektrode auf dem distalen Interphalangealgelenk mit einem Elektrodenabstand von mindestens 1,5 cm. Platzieren Sie die Referenzelektrode (neutral) am Handgelenk über dem Processus styloideus ulnaris.
      HINWEIS: Das Vorhandensein von motorischen Endpunkten, Muskelsehnen oder anderen aktiven Muskeln kann die Stabilität der Aufnahmen beeinträchtigen, daher ist es wichtig, diese Stellen zu vermeiden35. Für den TA-Muskel sollten die Elektroden zu einem Drittel auf der Linie platziert werden, die die Spitze des Wadenbeins und die Spitze des Innenknöchels verbindet. Sorgen Sie für einen Abstand von 20 mm zwischen den Polen jeder Elektrode und platzieren Sie die Referenzelektrode im Knöchel.
  3. Bestimmen Sie die erforderliche Muskelkontraktionskraft
    1. Verwenden Sie ein digitales Pinch-Dynamometer und eine viereckige Pyramidenstütze, um mechanische Verzerrungen zu minimieren und die Empfindlichkeit für minimale Kontraktionen zu erhöhen.
    2. Platzieren Sie das Dynamometer mit Hilfe der Pyramidenstütze zwischen dem ersten und zweiten Finger. Achten Sie darauf, dass der dritte, vierte und fünfte Finger ruhig auf dem Tisch liegen, während der 1. und 2. die Kräfte der Quetschbewegung erzeugen.
    3. Bitten Sie den Teilnehmer in der festen Position, mit dem ersten Finger auf den Dynamometer und mit dem Zeigefinger auf die Seite der Pyramide zu drücken, um das Dynamometer-Pyramidensystem mit maximaler Kraft zusammenzudrücken und eine starke Kontraktion des FDI-Muskels zu erzeugen.
    4. Bestimmen Sie anhand dieses Werts die 20 % der maximalen Kraft. Der Teilnehmer muss üben, das Ziel bei 20 % der anhaltenden Kontraktion zu halten. Berücksichtigen Sie Abweichungen von 15 % bis 25 % der MVC.
      HINWEIS: Wenn kein Dynamometer verfügbar ist, das die isolierte Muskelaktivität erfassen kann, verwenden Sie alternativ EMG-Feedback, um die Kraft zu standardisieren. Die Aufzeichnungssoftware misst die maximale Spitze-zu-Spitze-Amplitude, die der maximalen Kraft des Probanden entspricht, und bestimmt anhand dieses Wertes als Referenz den MVC von 20 %. Die Probanden können visuelle und/oder akustische Hinweise erhalten, wann 20 % erreicht sind.
  4. Identifizierung des Ausgangsstandorts für die Hotspot-Suche
    1. Setze eine Badekappe auf den Kopf des Subjekts. Alle Referenzpunkte werden darauf markiert.
    2. Messen Sie den sagittalen Umfang des Kopfes von der Nase (dem Punkt zwischen Stirn und Nase) bis zum Inion (dem markantesten Punkt in der Hinterhauptsregion). Teilen Sie diesen Wert durch zwei und markieren Sie den mittleren Punkt auf dem Kopf.
    3. Markieren Sie die Position der Nase, des Inions, der Helix des rechten und linken Außenohrs sowie des rechten und linken supraorbitalen Kamms des Patienten. Damit wird bescheinigt, dass die Kappe während des Eingriffs nicht verrutscht ist und/oder dass sie in zukünftigen Experimenten gleichmäßig auf dem Kopf des Patienten positioniert wird.
    4. Messen Sie wie oben beschrieben den Abstand von Tragus zu Tragus und fügen Sie auf halbem Weg eine Markierung hinzu. Markieren Sie den Schnittpunkt zwischen ihnen, einen Punkt, der als Scheitelpunkt (Cz) identifiziert wird.
    5. Bewegen Sie sich vom Scheitelpunkt aus 5 cm seitlich parallel zur Mittelsagittallinie, auf der kontralateralen Seite zum ausgewählten Muskel. Diese Markierung identifiziert ungefähr das (M1) auf der gleichen koronalen Ebene wie der handmotorische Kortex. Verwenden Sie dies als ersten Punkt, um die Suche nach dem Hotspot zu starten.
    6. Der Hotspot ist der Bereich des motorischen Kortex, in dem die niedrigste motorische Schwelle erkennbar ist. Stellen Sie eine niedrige Intensität ein (z. B. 30 % der maximalen Stimulatorleistung [MSO]) und starten Sie die Suche, indem Sie mehrere Impulse an die erste Stelle senden.
    7. Verfolgen Sie mit kleinen Intensitätsschritten, bis Sie den niedrigsten Stimulus identifiziert haben, der eine EMG-indizierte Reaktion erkennt (d. h. MEP). Für die Abgabe der Reize wird die Achterspirale in einem Winkel von 45° zur Mittelsagittallinie abgewinkelt, wobei der Griff zum Seitenzahn des Patienten zeigt.
    8. Um sicherzustellen, dass die beste Stelle identifiziert wurde, bewegen Sie sich um den ersten Punkt herum und testen Sie die nachfolgenden ~3 MEPs 1 cm anterior, 1 cm lateral, 1 cm medial und 1 cm posterior. Wiederholen Sie diesen Vorgang so oft wie nötig, um eine konsistente Antwort zu erhalten. Bleiben Sie an der Stelle, die den größten Abgeordneten36 hervorruft.
    9. Sobald der Hotspot gefunden ist, markieren Sie diese Stelle im Kopf des Patienten (Badekappe). Verwenden Sie diesen Ort während dieses Experiments und der möglichen Folgebesuche. Seien Sie vorsichtig, um dem Motiv durch zusätzlichen Druck keine Beschwerden zu bereiten. Verwenden Sie beide Hände, um die Spule auf dem Kopf des Motivs zu stützen.
  5. Bestimmen Sie den Schwellenwert für den Ruhemotor (RMT)
    1. Schätzen Sie die motorische Schwelle als die minimale Intensität, die erforderlich ist, um einen MEP mit einer minimalen detektierbaren Amplitude (normalerweise mindestens 50-100 μV) zu fördern.
    2. Um die motorische Schwelle zu bestimmen, wenden Sie zehn aufeinanderfolgende Stimuli am Hotspot an und wählen Sie die niedrigste Intensität, die in 50 % der Versuche einen MEP mit einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von mindestens 50 μV auf dem Zielmuskel erzeugte.
      HINWEIS: Dieses Protokoll kann mit dem Zielmuskel in Ruhe (ruhende motorische Schwelle [RMT]) oder während der aktiven Kontraktion (aktive motorische Schwelle [AMT]) durchgeführt werden. Beide können auch als Referenz für die überschwelligen TMS-Impulse verwendet werden. Die Anschaffung des AMT ist anfälliger für Variabilität, da sie auf der Standardisierung von MVC beruht, was bei Längsschnittstudien mit mehreren Bewertungen ein Problem darstellen kann.
  6. CSP-Protokoll
    1. Geben Sie überschwellige Reize ab, um MEPs während der tonischen willkürlichen Kontraktion des Zielmuskels hervorzurufen.
    2. Geben Sie 10 Stimuli mit einer Stimulationsintensität (SI) von 120% der RMT mit einem Abstand von 10 s dazwischen ab. Bitten Sie den Patienten während der Anwendung der Reize, 20 % der maximalen motorischen Kontraktion des Zielmuskels beizubehalten, wie es mit dem Dynamometer geübt wird.
    3. Um die Erfassung des gesamten SP zu gewährleisten, müssen Sie bescheinigen, dass das EMG-Zeitfenster lang genug ist, um bis zu 400 ms EMG-Aktivität zu erfassen. Nicht selten - abhängig von der untersuchten Krankheit - benötigen die Probanden höhere SIs, um einen erfolgreichen cSP zu erhalten.

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Representative Results

Nach Befolgung des Schritt-für-Schritt-Verfahrens löst die Abgabe eines überschwelligen TMS-Impulses (120 % der RMT) einen beobachtbaren MEP in der EMG-Aufzeichnung des Zielmuskels und eine anschließende Periode der Hintergrundunterdrückung der EMG-Aktivität von etwa 150 ms bis 300 ms aus (Abbildung 2). Aus diesem EMG-Muster ist es möglich, die cSP-Metriken zu berechnen. Die am häufigsten berichteten Endpunkte sind die Dauer (im Bereich von ms) des relativen und absoluten SP. Der relative SP wird vom MEP-Start bis zum Wiederauftreten der EMG-Aktivität gemessen. Eine Alternative ist die Verwendung des verstärkten motorstimulierten Ausgangs (MSO = 120% der RMT, gemäß Protokoll), um den Beginn des relativen SP zu bestimmen. Da der tatsächliche Beginn auf Netzwerkebene nicht bekannt ist, wählen Sie den MEP-Beginn als Ausgangspunkt, um die experimentelle Zuverlässigkeit zu erhöhen13. Andererseits kann der absolute SP vom Ende des MEP bis zum Beginn des Wiederauftretens der freiwilligen EMG-Aktivität gemessen werden. Zum Beispiel die Verwendung einer Aufzeichnung der Ruhe-EMG-Aktivität des Probanden als Referenz für den qualitativen Vergleich. Diese zeitlichen Parameter können manuell oder unter Verwendung automatisierter Software37 identifiziert werden.

Eine grundlegende methodische Frage für eine genaue cSP-Berechnung ist die Definition des Wiederauftretens der EMG-Hintergrundaktivität. Hier können zwei Ansätze untersucht werden: Der erste ist die individuelle Versuchsrechnung. In diesem Fall basiert die Berechnung auf einer Trial-by-Trial-Maßnahme, wobei jede Aufzeichnung zur Berechnung der cSP-Dauer verwendet wird. Anschließend kann ein Mittelwert (oder Median) der einzelnen Versuche berechnet und berichtet werden. Der zweite Ansatz ist die Verwendung von entzerrten Mehrfachversuchen. Für diesen Ansatz werden alle Versuche korrigiert und müssen dann gemittelt und überlappt werden. Berechnen Sie dann anhand der entzerrten und gemittelten Kurven die cSP-Dauer anhand der durchschnittlichen zeitlichen Markierungen. Der Hauptvorteil dieser Methode ist die Präzision und die einfachere Identifizierung des Wiederauftretens der willkürlichen EMG-Aktivität im Vergleich zum tonischen Ausgangs-EMG-Wert36. Die Verwendung des entzerrten Durchschnitts ist von Vorteil, da er besser vergleichbar ist und die Variabilität zwischen den Probanden verringert.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass die cSP-Dauer als Sigmafunktion der Reizintensität38 verlängert werden kann, aber sie wird kaum durch den Grad der absichtlichen Kontraktion des Zielmuskels39 beeinflusst. Darüber hinaus nehmen die MEP-Amplituden mit zunehmender Stimulusintensität zu. Kojima et al. zeigten, dass diese Zunahme der MEP-Amplitude (sekundär zu Intensitätszunahmen) auch mit einer Zunahme der cSP-Dauer einhergeht40. Dieses Verhalten ist zu erwarten, da angenommen wird, dass die MEP- und cSP-Dauer durch gemeinsame Faktoren beeinflusst wird38. Diese gemeinsamen Faktoren scheinen im gesamten kortikalen Spinaltrakt und nicht in der motorischen Einheit vorhanden zu sein. da die Zunahme der Reizintensität beide erhöht, aber die Zunahme der Muskelkontraktion keinen Einfluss auf die cSP-Dauer hat.

Aus dieser Diskussion lässt sich schließen, dass Reizintensität und Muskelkontraktion bei der Analyse und Interpretation der Befunde sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Der cSP ist durch einen linearen Anstieg aufgrund des SI gekennzeichnet, dann wird aber bei hohen Intensitäten ein Plateau erreicht; Dieses Muster ist bei den Probanden sehr variabel39, da sie einzigartige Steigungen und unterschiedliche Plateauintensitäten aufweisen können. Eine alternative Analyse könnte die Auswertung des cSP bei progressiv erhöhten Intensitäten umfassen, um eine Input-Output-Kurve (I/O) durchzuführen, und dann kann der cSP anhand der Intensität erhalten werden, bei der die I/O-Kurve das Plateauerreicht 41,42. Da cSP von jeder Aktivität oder Exposition beeinflusst wird, die kortikale Erregbarkeits- und Hemmungsänderungen hervorrufen kann, wird empfohlen, allgemeine Störfaktoren in der Analyse zu bewerten und aufzuzeichnen. Zum Beispiel die Verwendung einer Checkliste für die Berichterstellung von TMS-Experimenten43.

cSP-Interpretation
Der TMS-Test in der vorliegenden Studie wurde verwendet, um die Implementierung eines praktikablen und vielseitigen Biomarkers der M1-Hemmung zu zeigen. Im Allgemeinen wird eine höhere kortikospinale M1-Hemmung beobachtet, je länger die Dauer der SPist 44. Bei der Interpretation müssen jedoch mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Erstens wird der cSP sowohl durch spinale als auch durch kortiko-subkortikale Prozesse definiert45. Die Wirbelsäulenkomponenten machen etwa die ersten 50 ms46 aus. Die verbleibende Dauer wird stark von kortikalen Mechanismen wie der Hemmung von M1-Interneuronen und anderen hemmenden Afferenzen innerhalb von M1 (aus subkortikalen Regionen und anderen Kortexen) beeinflusst, die hauptsächlich durch GABAerge B-Neuronen nach einer wichtigen kortikalen Aktivierung, die MEPsauslöst 6, vermittelt werden. Es wurde vermutet, dass die Rolle dieser Hemmung darin besteht, unerwünschte Bewegungen zu verhindern und die motorische Kontrolle aufrechtzuerhalten47. Zweitens können verhaltensbezogene und kognitive Faktoren die Dauer des CSP beeinflussen, ebenso wie motorische und nicht-motorische neuropsychiatrische Störungen45,48. Aufgrund dieser Doppelnatur von cSP müssen seine Werte im Kontext des Experiments interpretiert werden (Zielpopulation und die Verwendung begleitender motorischer Steuerungsaufgaben).

Figure 1
Abbildung 1: Experimentelle Schritte. 1. Platzierung der Elektrode am Bauch des FDI-Muskels 2. Positionierung des Dynamometers zwischen den Fingern. 3. Freiwillige Kontraktion des Zielmuskels, um die Standardisierung von 20% MVC zu testen 4. Kopfmessungen und TMS-Impulse zur Identifizierung des Hotspots und der RMT (niedrigste Stimuli, die in fünf von zehn Versuchen einen MEP von mindestens 50 mV hervorrufen) 5. CSP-Protokoll, konsistent aus 10 Impulsen mit 120% RMT im Abstand von 10 Sekunden, während anhaltender Muskelkontraktion. In der unteren mittleren Abbildung stellt das kleine rote Rechteck einen einzelnen TMS-Impuls dar und trennt den Prä-TMS-Stimulus (anhaltende Muskelkontraktion und Hintergrund-EMG-Aktivität) und die cSP-Aufzeichnung. CSP wird vom Beginn des MEP bis zum Wiederauftreten der EMG-Basisaktivität betrachtet, die innerhalb des blauen Rechtecks dargestellt wird. Im gelben Rechteck wird die MEP-Latenz angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: MEP in der EMG-Aufzeichnung des Zielmuskels. Auf der X-Achse Millisekunden (ms) und auf der Y-Achse Millivolt (mV) des EMG-Signals. Von links nach rechts: Die rote Linie zeigt die Hintergrundaktivität der elektrischen Muskeln vor dem MEP an, danach folgt nach der Beobachtung der elektrischen Wirkung des TMS-Impulses das motorisch evozierte Potential. Nach dem MEP kommt es zu einer Unterdrückung des EMG-Signals, die als SP bezeichnet wird. Es kann relativ sein, indem das Intervall vom Beginn der MEP-Welle bis zur Rückkehr der EMG-Hintergrundaktivität gezählt wird, oder das absolute SP, wobei das Intervall vom Ende der MEP bis zur Rückkehr der Hintergrundwelle gezählt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Discussion

Das standardmäßige SI zum Auslösen von MEP und SPs kann je nach Grundgesamtheit variieren. Es hat sich gezeigt, dass Intensitäten von nur 80 % RMT bei gesunden Personen cSP hervorrufen39, dennoch haben Studien an gesunden und kranken Bevölkerungsgruppen Intensitäten von bis zu 150 % RMT verwendet 49,50,51. Obwohl diese Quelle der Heterogenität der Natur der Zielpopulation inhärent sein kann, sollte sie nicht vernachlässigt werden, da verschiedene SIs gezeigt haben, dass sie unabhängig voneinander (unabhängig von der Muskelkontraktionskraft) die Periode der stillen EMG-Aktivität nach dem MEPbestimmen 39,49,52. RMTs von 110 % bis 120 % haben SPs in einem breiten Spektrum von Populationen erfolgreich hervorgerufen, während sie für die Teilnehmer immer noch tolerierbar sind53,54. Eine RMT von 110 % könnte jedoch grenzwertig sein, da SIs unter 110 % keine SPs hervorgerufen oder SPs mit einer Dauer von weniger als 50 ms hervorgerufen haben39, die möglicherweise ausschließlich spinale und nicht kortikale oder kortikospinale Komponenten der M1-Hemmung darstellen. Darüber hinaus sind höhere SIs mit einer verminderten Stimulationsfokalität und einem erhöhten Unbehagen der Patienten assoziiert - insbesondere in erkrankten Populationen mit höheren RMTs55, in denen ein hoher Prozentsatz von überschwelligen Stimuli einer nahezu maximalen Stimulatorleistung entsprechen könnte. Dies kann die Einhaltung des verwendeten Protokolls durch die Teilnehmer gefährden56. Auch wenn die Verwendung von 120 % RMT insgesamt der sicherste und am besten geeignete SI-Aufbau zu sein scheint, sollten Forscher den SI standardisieren, indem sie frühere erfolgreiche Experimente überprüfen, die in der interessierenden Population durchgeführt wurden. Die Standardisierung über ähnliche Populationen hinweg ist wichtig, um weitere gepoolte Statistiken zu ermöglichen.

Das Experiment wird in der Regel mit einem einzigen SI durchgeführt, aber einige Studien haben cSP-Antworten bei mehr als einem Stimulus-Setupuntersucht 53,57,58,59,60. Im Zusammenhang mit Bedingungen, bei denen es keine klare Pathophysiologie oder bisherige Literatur gibt oder bei denen das Verständnis des SP-Verhaltens das Ziel der Studie ist, wird empfohlen, cSPs gegen nachfolgende steigende Stimulusintensitäten (d. h. 10 % Erhöhung in einer sigmoidalen Reiz-Antwort-Kurve) darzustellen42. In diesem Fall sollte der Forscher in Betracht ziehen, Ruhepausen in das Protokoll aufzunehmen, um Muskelermüdung zu vermeiden. Auch wenn es immer noch widersprüchlich ist, gibt es eine beträchtliche Menge an Beweisen dafür, dass cSPs nicht durch das Ausmaß der Muskelkontraktion beeinflusst werden 39,61,62; Es wird jedoch durch Muskelermüdung beeinflusst63,64,65,66. Ein Wert von 20 % der maximalen willkürlichen Kontraktion (MVC) hat durchweg gezeigt, dass SPs erfolgreich hervorgerufen werden, wobei die Wahrscheinlichkeit, dass sie Ermüdung hervorrufen, geringer ist60,67,68,69.

Ein weiterer wichtiger Parameter, der zur Heterogenität der cSP-Ergebnisse in der Literatur beitragen kann, ist der ausgewählte Muskel zur Bewertung der cSP nach den TMS-Stimuli. Studien haben ergeben, dass verschiedene Muskeln unterschiedliche Motoneuronennetzwerke rekrutieren können, die wiederum unterschiedliche cSP-Effekte haben. Dies gilt nicht nur für die Muskulatur der oberen und unteren Extremitäten, sondern auch für die proximale und distale Muskulatur derselben Extremität. In zwei separaten Studien haben Van Kuijk und Kollegen beispielsweise eine signifikantere Sensitivität gegenüber TMS-Parametern wie cSP in distalen Muskeln der oberen Extremitäten im Vergleich zu proximalen Muskeln festgestellt70,71. Und obwohl dieser Unterschied nicht immer statistisch signifikant war71, ist er dennoch bemerkenswert und kann zu heterogenen Ergebnissen beitragen. Darüber hinaus wurde in Studien zur Ermüdung auch ein signifikanter Unterschied in den cSP-Reaktionen in den Muskeln der oberen und unteren Gliedmaßen festgestellt, wobei die oberen Gliedmaßen 30 % längere SPs vermitteln als die unteren Gliedmaßen72. Um die Heterogenität der cSP-Ergebnisse zu reduzieren, ist es daher wichtig, den Muskel zu standardisieren, in dem die cSP-Bewertung ausgewertet wird, da einige empfindlicher auf TMS-Stimuli reagieren als andere. Daher können verschiedene Muskeln die Besonderheiten und die Interpretation des Verfahrens drastisch verändern. Zur Veranschaulichung wird cSP auch verwendet, um die kortikale Erregbarkeit in tieferen Muskeln, wie z. B. den laryngealen motorischen Einheiten, zu bewerten. Die Anwendung des cSP-Protokolls auf diese Strukturen bringt besondere Herausforderungen mit sich. Ein Beispiel ist der motorische Kortex des Kehlkopfes; Der Stimulationsort dieses Protokolls befindet sich in der Nähe der EMG-Elektrode, wodurch die Anzahl der Artefakte, die Anpassungen an dem EMG-Verstärker73 erfordern, erhöht werden kann. Außerdem werden Nadelelektroden benötigt, die in die Haut eindringen, um die EMG-Aktivität dieser Muskeln zu messen, was die Platzierung und gegebenenfalls Neuzuweisung der Elektroden erschwert und die Interpretation der Ergebnisse verändert. Daher besteht eine Einschränkung dieser methodischen Arbeit darin, dass ihr Umfang auf die Darstellung eines Protokolls für die oberen und unteren Gliedmaßen beschränkt ist, und das umfasst beispielsweise das Feld, das cSP als Marker für kortikobulbäre Hemmung oder psychiatrische Zustände untersucht.

In dieser Hinsicht unterstützt die Literaturrecherche, dass der FDI der am häufigsten verwendete Zielmuskel für die Untersuchung der kortikospinalen M1-Hemmung der oberen Extremitäten ist. Zu den Gründen gehören unter anderem die oberflächliche und große kortikale Repräsentation im motorischen Kortex, die niedrigste motorische Schwelle für die Stimulation und die Einfachheit, ihre isolierte und anhaltende Kontraktion sowie die Positionierung der Elektroden durchzuführen73,74. Für die unteren Gliedmaßen ist der Einsatz des TA-Muskels am häufigsten, wahrscheinlich aufgrund seiner größeren kortikalen Repräsentation im Vergleich zu anderen Beinmuskeln75. Auch die Leichtigkeit, von der Aktivität großer Muskelgruppen isoliert zu werden, aus denen sich die Muskulatur der unteren Gliedmaßen zusammensetzt, spielt eine Rolle. Trotz der Bedeutung der Rehabilitation der unteren Extremitäten in diesem Bereich wird der LL-MEP aufgrund seiner besonderen Herausforderungen in weniger Studien verwendet. Die anatomische Hirnregion der LL ist medialer und tiefer in der interhemisphärischen Fissur als die oberen Extremitäten. Der Einsatz von Neuronavigation hat jedoch die Genauigkeit der Stimuli verbessert 36, während die Verwendung einer Doppelkegelspule erfolgreich auf LL-Regionen, einschließlich des TA-Muskels, abzielte, die eine niedrigere LL-MT als andere Spulentypen zeigten 76,77,78,79 und derzeit die Standardempfehlung für das Ziel von LL 36,44 darstellen. Der Einsatz moderner Navigationstechnologien sollte jedoch parallel zur Durchführbarkeit des Protokolls in Betracht gezogen werden. Jung et al. (2010) zeigten keinen signifikanten Unterschied in der MEP-Variabilität und Reproduzierbarkeit zwischen nicht-navigierter TMS und TMS-Navigation, die ein vergleichbares Leistungsniveauerreichen 80. Die Verwendung von nicht navigiertem TMS kann unter bestimmten Umständen (z. B. bei begrenzten Ressourcen) kostengünstiger sein und war daher der bevorzugte Ansatz für dieses Protokoll, das darauf abzielt, eine praktikable, einfache und reproduzierbare cSP-Bewertung zu demonstrieren.

Angesichts des vielversprechenden und vielseitigen Einsatzes von cSP als kortikospinaler Inhibitions-Biomarker bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen ist es wichtig, den Forschern ein praktikables, reproduzierbares und dennoch zuverlässiges cSP-Protokoll für die oberen und unteren Gliedmaßen zur Verfügung zu stellen. Wir weisen darauf hin, dass nur wenige Muskeln im Experiment repräsentiert werden konnten, was dazu führte, dass cSP nicht auf kortikobulbäre Hemmung untersucht wurde. Darüber hinaus sind die Ergebnisse der nicht erschöpfenden Suche in Tabelle 1 kein Versuch, die vorhandenen Daten zusammenzufassen, sondern vielmehr einen Teil der Gründe für die Auswahl der Parameter und Erkenntnisse zu veranschaulichen, die daher ohne wissenschaftliche Strenge durchgeführt wurden. Es bleibt zu hoffen, dass diese methodische Arbeit den Forschern helfen wird, die Untersuchung von cSP als Biomarker für die kortikospinale Hemmung von M1 voranzutreiben.

Tabelle 1: Verschiedene Parameter, die auf cSP-Protokollen verwendet werden. Wir extrahierten Daten von cSP-Experimenten aus 117 verschiedenen Artikeln. Ergebnisse werden berichtet, wenn das Paradigma in ≥2 Experimenten verwendet wurde, andernfalls wurden sie in anderen Experimenten gesammelt. †Enthält Artikel, in denen entweder nicht über die Standardisierungsmethode berichtet wurde oder in denen berichtet wurde, dass die Standardisierung nicht angewendet wurde. Abkürzungen: MVC = maximale willkürliche Kontraktion. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

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Disclosures

Abhishek Datta ist CEO, Mitbegründer und CTO von Soterix Medical Inc., und Kamran Nazin ist Chief Product Officer desselben Unternehmens. Soterix Medical Inc. stellte das Material zur Verfügung, das für die Erstellung dieser Videopublikation verwendet wurde. Die übrigen Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Acknowledgments

Keine Danksagungen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alcohol pads Medline Preparation with 70% isopropyl alcohol
Conductive gel Weaver and Company Used on the electrode
Echo Pinch JTECH medical 0902A302 Digital dynamometer.
Mega-EMG Soterix Medical NS006201 Digital multiple channel EMG with built in software.
MEGA-TMS coil Soterix Medical NS063201 8 shaped TMS coil
Mega-TMS stimulator Soterix Medical 6990061 Single Pulse TMS
Neuro-MEP.NET Soterix Medical EMG software used to analyse the muscles eletrical activity.
Swim cap Kiefer

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Neurowissenschaften Heft 186
Messung der kontralateralen Stille, die durch transkranielle Magnetstimulation mit einem Puls induziert wird, um die kortikospinale M1-Hemmung zu untersuchen
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Rebello-Sanchez, I., Parente, J.,… More

Rebello-Sanchez, I., Parente, J., Pacheco-Barrios, K., Marduy, A., Pimenta, D. C., Lima, D., Slawka, E., Cardenas-Rojas, A., Rosa, G. R., Nazim, K., Datta, A., Fregni, F. Measuring Contralateral Silent Period Induced by Single-Pulse Transcranial Magnetic Stimulation to Investigate M1 Corticospinal Inhibition. J. Vis. Exp. (186), e64231, doi:10.3791/64231 (2022).

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