Ikke-invasiv vurdering av endringer i kortikomotonuronal overføring hos mennesker

Summary

Målet med den foreliggende studien var å vurdere endringer i overføring ved kortikomotoneuronale synaps i mennesker etter gjentakende transcranial magnetisk stimulering. For dette formål er det innført en elektrofysiologisk metode som muliggjør vurdering av bane-spesifikk corticospinal overføring, dvs. differensiering av raske, direkte corticospinale veier fra polysynaptiske forbindelser.

Abstract

Kortikospinalveien er hovedveien som forbinder hjernen med musklene og er derfor svært relevant for bevegelseskontroll og motorlæring. Det finnes en rekke ikke-invasive elektrofysiologiske metoder som undersøker excitabiliteten og plastisiteten til denne banen. Imidlertid er de fleste metoder basert på kvantifisering av sammensatte potensialer og forsømmelse at kortikospinalveien består av mange forskjellige forbindelser som er mer eller mindre direkte. Her presenterer vi en metode som muliggjør testing av spenning av forskjellige fraksjoner av kortikospinaltransmisjonen. Denne såkalte H-refleks-kondisjoneringsteknikken gjør at man kan vurdere spenning av de raskeste (monosynaptiske) og også polysynaptiske kortikospinale veier. Videre tillater det ved bruk av to forskjellige stimuleringssteder, motorcortex og cervicomedullary-krysset, ikke bare differensiering mellom kortikale og spinalvirkninger, men også vurdering av overføring ved kortikomenOtoneural synapse. I dette manuskriptet beskriver vi hvordan denne metoden kan brukes til å vurdere kortikomotoneural overføring etter lavfrekvent gjentakende transcranial magnetisk stimulering, en metode som tidligere ble vist å redusere excitabiliteten til kortikale celler. Her viser vi at ikke bare kortikale celler påvirkes av denne repeterende stimuleringen, men også overføring ved kortikomotoneuron synaps på spinalnivå. Dette funnet er viktig for forståelsen av grunnleggende mekanismer og steder for neuroplasticitet. I tillegg til undersøkelse av grunnleggende mekanismer, kan H-refleks-kondisjoneringsteknikken brukes til å teste endringer i kortikospinal overføring etter atferdsmessig ( f.eks . Trening) eller terapeutisk inngrep, patologi eller aldring, og gir dermed en bedre forståelse av nevrale prosesser som ligger til grunn for bevegelseskontroll og motor lærer.

Introduction

I primater utgjør corticospinalkanalen den store nedstigningsbanen som styrer frivillige tiltak ¹ . Kortikospinalveien forbinder motoriske kortikale områder med spinal α-motoneuroner via direkte monosynaptiske kortikomotoneuronale forbindelser og via indirekte oligo- og polysynaptiske forbindelser ^{2 , 3} . Selv om motorbarken lett kan bli opphisset ikke-invasivt ved transcranial magnetisk stimulering (TMS), er det ofte vanskelig å tolke den fremkallte elektromyografiske responsen på denne stimuleringen. Årsaken til dette er at den sammensatte Motor Evoked Potential (MEP) kan påvirkes av endringer i excitabiliteten til intrakortiske og kortikospinale nevroner, spinal interneuroner og spinal α-motoneurons ^{4 , 5 , 6 , 7} . Flere ikke-invasive elektrofysiologiCal teknikker og stimuleringsprotokoller tar sikte på å bestemme om endringer i corticospinal excitability og overføring skyldes endringer på kortisk eller spinal nivå. Vanligvis brukes endringer i amplituden til den elektrisk fremkalte H-refleksen som "indikativ" for endringer av spenning ved motoneuron-bassenget. Imidlertid ble det tidligere vist at H-reflekset ikke bare avhenger av spenningen i motoneuronpuljen, men moduleres også av andre faktorer som presynaptisk inhibering ^{8 , 9} eller homosynaptisk post-aktiveringsdepresjon ^{5 , 10} . En annen begrensning når man sammenligner MEPs og H-reflekser er funksjonshemmingen for å oppdage spenningsendringer på internasjonalt nivå ^{11 , 12} . I tillegg til disse ulempene kan motoneuronene aktiveres annerledes ved perifer nervestimulering enn wiTMS, slik at endringer i motoneuronal spenning ville påvirke disse responsene på en annen måte i forhold til responsene mediert via kortikospinalveien ^{13 , 14 , 15} .

En annen metode som brukes til å separere spinal fra kortikale effekter, representerer transcranial elektrisk stimulering (TES) i motorcortexen ¹⁶ . Anvendt ved lave stimuleringsintensiteter, ble TES argumentert for å være upåvirket av endringer i kortikal eksitabilitet. Da både TES og TMS aktiverer a-motoneuronene via kortikospinalveien, gir sammenligningen av magnetisk og elektrisk fremkalt MEPe en mer attraktiv metode for å trekke konklusjoner om den kortikale naturen av endringer i størrelsen på MEPene enn sammenligningen mellom H-reflekser Og medlemmer av Europaparlamentet. Men når stimuleringsintensiteten økes, påvirkes også TES-fremkalte EP-medlemmer av endringer i kortikal eksitabilitet <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Dette problemet kan omgå når elektrisk stimulering ikke påføres mot motorbarken, men ved cervicomedullary-krysset. Imidlertid, selv om elektrisk stimulering kan fremkalle cervicomedullary motor fremkalt potensialer (cMEPs) i øvre lemmer og underarms muskler, opplever de fleste fag elektrisk stimulering i hjernestammen (og cortex) som ekstremt ubehagelig og smertefull. Et mindre smertefullt alternativ er å aktivere kortikospinalveien ved cervicomedullary-krysset ved bruk av magnetisk stimulering ved injonen ¹⁹ . Det er generelt akseptert at Cervicomedullary Magnetic Stimulation (CMS) aktiverer mange av de samme synkende fibre som motorisk kortikal TMS, og at endringer i kortikal eksitabilitet kan påvises ved å sammenligne MEPs med cMEPs ¹⁹ . Økninger i excitabiliteten til intrakortiske celler og kortikomotoneuronale celler antas å lette den kortikaleFremkalt MEP uten en samtidig endring i cervicomedullary fremkalt MEP.

Imidlertid er det i de fleste fagene umulig å oppnå magnetisk fremkalte cMEPs i nedre ekstremitet ved hvile ^{20 , 21} . Én tilnærming til å overvinne dette problemet er å øke spenningen til spinal motoneurons ved frivillig forhåndskontraktering av målmuskulaturen. Det er imidlertid velkjent at små endringer i kontraksjonsstyrken påvirker størrelsen på cMEP. Det er derfor vanskelig å sammenligne ulike oppgaver. I tillegg vil endringer i motoneuronal spenning på grunn av forkollisjon påvirke MEPs og cMEPs, men ikke nødvendigvis i samme grad. Til slutt, ved å sammenligne sammensatte MEPs med sammensatte cMEPs, mistes noe informasjon som finnes i de nedstigende volumene. Dette har blitt avslørt ved studier som involverer konditionering av H-refleksen av soleus-, tibialis-anterior- og carpi radialis-muskler ved magnetisk motorisk kortikal stimulering^{12 , 22} . Ved å kombinere perifernervenstimulering og TMS over motorbarken med spesifikke interstimulusintervaller (ISI), er det mulig å studere tilretteleggende og hemmende effekter av de forskjellige nedstigende fullysene på H-refleksen. Denne teknikken er sterkt inspirert av den romlige tilretteleggingsteknikken som brukes til å bestemme overføring i nevrale baner i dyreforsøk, og kan ses som en ikke-invasiv, indirekte versjon av den teknikken ²³ . Mens H-reflekset ikke bare er viktig å skille mellom forskjellige fraksjoner av kortikospinale bane (rask versus langsommere kortikospinalprojeksjoner), er det også viktig å heve spinal excitability på en kontrollert og sammenlignbar måte. I ro og under aktivitet gjør denne kombinasjonen av stimuleringsteknikker dermed mulighet til å vurdere endringer i forskjellige fraksjoner av kortikospinalveien med en høy temporal oppløsning, dvs. i tHan raskeste, antagelig monosynaptiske kortikomotoneuronale forbindelser og i langsommere oligo- og polysynaptiske veier ^{12 , 22 , 24 , 25} . Nylig ble denne teknikken utvidet ved ikke bare å konditionere H-refleksen med TMS over motorcortexen (M1-condition), men også ved ytterligere kondisjoneringsstimulering ved cervicomedullary junction (CMS-condition) ²⁶ . Ved å sammenligne effekter mellom M1- og CMS-kondisjonering, tillater denne teknikken veibeskrivelse med høy temporal oppløsning, og det tillater tolkninger på kortikal kontra spinalmekanismer. Videre og viktigst med hensyn til den nåværende studien, tillater denne teknikken vurdering av overføring ved corticomotoneural synaps når man vurderer tidlig tilrettelegging. Den tidlige tilrettelegging av H-reflekset er sannsynligvis forårsaket av aktiveringAv direkte monosynaptiske kortikomotoneurale fremspring til spinalmotoneurene ^{12 , 26} . For å teste de raskeste kortikospinale veiene og dermed den tidlige tilrettelegging, må H-reflekset utløses 2 til 4 ms før TMS. Årsaken til dette er den litt kortere latensen til MEP (rundt 32 ms, se ²⁷ ) sammenlignet med H-refleksen (rundt 34 ms, se ²⁵ ). Utløser H-reflekset kort før påføring av TMS, fører til konvergens av stigende og raskeste synkende eksitasjoner på nivået av spinalmotoneuronene. Når TMS påføres over cervicomedullary krysset, kommer den nedstigende volleyen å komme rundt 3 - 4 ms tidligere ved spinal motoneuron bassenget enn etter stimulering over M1. For CMS-konditionering, bør derfor perifer nervestimulering fremkalles 6 - 8 ms før den magnetiske puls. En endring av tidlig tilrettelegging etter CMS-condition indikerer differensialtrAnsmission ved synaps mellom kortikospinalkanalen og a-motoneuron ²⁸ . I den nåværende studien ble denne nylig utviklede teknikken brukt til å skille spinal fra kortikale effekter etter lavfrekvent repetitiv TMS (rTMS). Nærmere bestemt antydet vi at hvis tidlig tilrettelegging med M1-kondisjonering blir redusert etter rTMS-intervensjonen, men den tidlige tilretteleggingen etter CMS-kondisjonering ikke er, bør effekten være rent kortisk opprinnelse. I motsetning dersom den tidlige tilretteleggingen med CMS-kondisjonering også endres, bør denne endringen være relatert til mekanismer som foregår på spinalnivå. Nærmere bestemt, fordi den tidlige tilrettelegging av H-refleksen antas å være forårsaket av aktivering av direkte, kortikomotoneuronale fremspring til spinalmotoneurene ^{12 , 29} , en endring av CMS- og M1-betinget H-refleks ved tidspunktet for Tidlig tilrettelegging bør indikereE en endret kortikomotoneuronal overføring, dvs. synaptisk effekt ²⁸ .

Protocol

Denne protokollen ble godkjent av det lokale etiske komiteen, og forsøkene er i samsvar med Helsinkierklæringen (1964).

1. Fagforberedelse

MERK: Emneinstrukser - Før du begynner med eksperimentet, instruer hvert emne om formålet med studien og mulige risikofaktorer. For transcranial magnetisk stimulering (TMS) inkluderer medisinske risikoer historien om epileptisk anfall, mentale implantater i øynene og / eller hodet, eventuelle sykdommer i kardiovaskulærsystemet og graviditet. Ekskluder alle fag som bekrefter en av disse risikofaktorene. Videre utelukke alle fag med nevrologisk og / eller ortopedisk sykdom i eksperimentet som tester friske personer.

1. Emneplassering
   1. Legg motivet i en stol som støtter ben, trunk og hode på plass. Forsikre deg om at beina er utstrakt slik at knærne er utstrekningEndte og periferien er nærmere huden, noe som gjør nerveren lettere og mer pålitelig med elektrisk stimulering.
   2. Pass på at motivets hode er bøyd, hviler på en stabil støtteflate som et bord og er festet med puter. Sørg for at nakke og atlanto-oksipitalt er bøyd for å tillate stimulering av kortikospinalveien.
   3. Plasser den dobbelte kegle magnetiske spolen slik at dens sentrale del er plassert på eller i nærheten av innløpet, og det første derivatet av den induserte strømmen er kranialt rettet ^{19 , 26} . Bruk elastiske stropper på hodet og bagasjerommet for å sikre at denne posisjonen opprettholdes gjennom hele forsøket.
2. Ved bruk av overflateelektroder måles de elektrofysiologiske responsene ved perifernervestimulering (PNS) og TMS.
   1. Klargjør huden over muskelmagen av soleus ved barbering, desinfeksjon med propanol og lys abrasion.
      1. Plasser selvklebende EMG-elektroder på huden over muskelbukken på m. soleus. Plasser en referanselektrode på huden over beinet, f.eks. På patella eller medial malleolus.
      2. Koble alle elektroder til en EMG-forsterker og til slutt en analog-digital omformer. Forsterk EMG-signaler (× 1000), bandpassfilter (10-1000 Hz) og prøve ved 4 kHz.
   2. PNS
      1. Ved H-refleksbehandling registrerer du H-reflekser i soleus-muskelen ved å stimulere den bakre tibialnerven i popliteal fossa.Apply stimulering med firkantbølgeimpulser som varer 1 ms. For stimulering, fikser en anode på 5 x 5 cm med tape på den fremre delen av kneet like under patellaen.
         MERK: Stabil H-refleksamplitude er en forutsetning for vellykket H-refleksbehandling, og minst variabilitet av alle muskler kan bli funnet ved opptak fra soleus-muskelen.
      2. Flytt katoden i popliteaL fossa til den beste posisjonen for stimulering er funnet.
         MERK: Den beste stillingen refererer til opptak av H-reflekser i soleus-muskelen med minimal stimuleringsintensitet, uten synlig M-bølge i EMG-opptakene ved disse lave stimuleringsintensiteter, og uten å motta respons i antagonisten m. tibialis.
      3. Unngå svar i m. Tibialis muskel som de kan påvirke resultatene ved gjensidig hemming fra Ia afferenter av n. Peroneus communis til spinal motoneurons av soleus muskel. Etter å ha funnet den optimale plasseringen, plasser en selvklebende elektrode på huden og fest elektroden med tape for å sikre konsistente stimuleringsforhold.
   3. TMS
      1. Stimulere det motoriske kortikale området på den kontralaterale halvkule med TMS ved hjelp av en figur åtte spole for å fremkalle motorfremkallede potensialer (MEPs) i elektromyografiske opptak av soleus-muskelen.
      2. For å finne det optimale stimuleringspunktet, plaFør spolen først over toppunktet og 1 cm foran. Spolens håndtak skal peke bakover, noe som fremkaller en bakre til den fremre fluxen av den induserte strømmen i midten av spolen.
      3. Start stimulering med lave intensiteter på rundt 20-30% av den maksimale stimulatorutgangen slik at fagene blir vant til den magnetiske stimulansen. Velg pause mellom suksessive stimuli for å være 4 s.
      4. Etter noen forsøk øker stimuleringsintensiteten til rundt 40-60% av den maksimale stimulatorutgangen og beveger spolen i frontal-rostral og medi-lateral retning for å finne hotspot av m. soleus. Hotspotet er definert som posisjonen der MEPs i m. Soleus kan fremkalles med minimal stimuleringsintensitet.
      5. Etter å ha funnet soleus-punktet, bestemme hvilemotortærsklen (1,0 MT) som den minste intensiteten som kreves for å fremkalle MEP peak-to-peak amplituder i EMG større enn 50 μV i seks av ti påfølgende trials ³⁰. I emner som bakgrunns EMG allerede er rundt 50 μV, bruk 100 μV som terskel.
   4. Feste av spolen
      1. Legg fagets hode på et bord (se "Emneplassering") og bruk stivt skum for å hindre hodebevegelser i alle retninger. Fest spolen til et stativ og motivets hode til stolen.
      2. Fest spolen med borrelås til hodet og bruk et bildestyrt TMS-navigasjonssystem for overvåkning av spole og hodeposisjon gjennom hele forsøket. Unngå selv små bevegelser av spolen i forhold til fagets hode, da dette endrer rekruttering av neuroner av TMS.
   5. Magnetisk stimulering ved Cervicomedullary Junction
      1. Bruk en magnetisk magnetkule med dobbeltkegle plassert i cervicomedullary-krysset for å opphisse axons i kortikospinalkanalen.
      2. Plasser spolen slik at det første avledet av den induserte strømmen iS kranialt rettet og at dens sentrale del er på eller i nærheten av innløpet. Påfør stimulering med maksimal stimulatorutgang (100%).
         MERK: Selv med denne høye stimuleringsintensiteten er stimulansen for svak til å rekruttere spinal motoneuroner og aktivere muskler i underbenet ( dvs. m. Soleus og m. Tibialis anterior) hos de fleste fagpersoner. Således, med cervicomedullary stimulering, er det ikke noe sammensatt potensial i overflaten EMG i underbenet muskler. Kombiner derfor cervicomedullary-simulering med H-refleksen (se "3.1) for å øke spenningen i spinal motoneurons.

2. Premeasurement

1. Juster størrelsen på H-refleksen (perifer nervestimulering)
   1. For H-refleksbehandling, juster H-refleksens størrelse til 20% av maksimal M-bølge (Mmax) ³¹ ved å endre stimuleringsintensiteten til den elektriske stimulatoren. For å oppnå Mmax, skriv inn enH-refleks rekrutteringskurve. Til dette formål, bruk stimuli med varierende stimuleringsintensiteter. Pause mellom suksessive forsøk er 4 s.
   2. Beregn H-reflekser og M-bølger som topp-til-topp-amplituder i EMG (i mV) online i opptaksprogramvaren. Pass på at størrelsen på kontroll H-refleksen forblir konstant ved 20% av Mmax gjennom hele forsøket, og kontroller størrelsen i hver prøve. Når det oppdages en systematisk avvik av H-refleksstørrelsen (kontroll H-refleks er alltid mindre eller større som målestørrelsen), juster stimuleringsintensiteten like før den påfølgende prøveperioden.
2. Juster stimuleringsintensiteten til TMS før forsøket.
   1. For H-reflekstilstand i ro, sett stimuleringsintensiteten for TMS over motorbarken til 90-100% av MT. Sikre at ingen MEP er sett i forsøk uten PNS.
      MERK: Simuleringsintensiteten skal være nær 100% av MT for å sikre store effekter på den betingede H-refleksen ved rEst, slik at tidlig tilrettelegging lett kan oppdages.
   2. Juster cervicomedullary stimuleringsintensitet før eksperimentet. I motsetning til kortikal stimulering, må du alltid justere stimuleringsintensiteten for cervicomedullary stimulering til 100% av maksimal stimulatorutgang.
3. Tilstand H-refleksen med magnetisk stimulering over motorcortexen.
   1. Påfør TMS og PNS ved å variere timingen mellom de to stimuliene (H-refleksbehandling) for å tillate vurdering av endringer i kortikomotonuronal overføring. For å oppdage tidlig tilrettelegging, start kondisjoneringsprotokollen med et interstimulusintervall (ISI) på -5 ms og endre ISI i trinn på millisekunder, fra -5 - +1 ms ( Figur 1B ).
      MERK: Negative ISIer indikerer at PNS oppstår før TMS, positive ISIer indikerer det motsatte.
   2. Varier ISI mellom TMS og PNS tilfeldig fra stimuleringsforsøk til stimuleringsforsøk, slik at ingen bias på grunn av en bestemt rekkefølgeAv stimuli kan oppstå.
      MERK: "Tidlig tilrettelegging" bør forekomme rundt ISIs -4 ms til -2 ms ved bruk av TMS over motorbarken. Dette betyr at de raskeste (monosynaptiske kortikospinale veiene) kolliderer med den avferente volleyen ved PNS hos spinalmotoneuronene på dette tidspunktet (se 5.2 for å oppdage tidlig tilrettelegging).
   3. Still inn pause mellom suksessive stimuleringsforsøk til 4 sekunder.
4. Tilstand H-refleksen med magnetisk stimulering over cervicomedullary-krysset.
   MERK: Ved hjelp av cervicomedullary stimulering for konditionering, er eksitering av kortikospinale veier romlig nærmere spinalmotonuronene enn med stimulering av motorcortexen. Derfor forskyves ISI som tilsvarer tidlig tilrettelegging med ca. 3 - 4 ms. Som et eksempel vil den tidlige tilretteleggingen med TMS over primærmotorkortexen på -4 ms svare til en ISI mellom -7 - 8 ms med cervicomedullary stimulering.
5. Alternativ stimulering over motor Cortex og Cervicomedullary Junction
   1. Påfør konditionering av SOL H-reflekset ved magnetisk stimulering av motorcortexen (M1-kondisjonering, se 2.1) og ved magnetisk cervicomedullary stimulering (CMS-kondisjonering, se 2.2) i tilfeldig rekkefølge under samme forsøk.
      MERK: Det anbefales å anvende M1- og CMS-konditionering i en og samme prøve for å referere de betingede H-refleksene til den samme prøven av kontroll H-reflekser (s).Ee Figur 1 ).

3. Intervensjon - Slow Repetitive TMS

1. Still stimuleringsintensiteten til 1,2 MT, noe som induserer en langvarig ^{32 , 33-} undertrykkelse av kortikospinal excitabilitet som kreves ettersom H-refleksbehandling tar flere minutter å utføre. Under rTMS intervensjon, bruk TMS over primærmotor cortex ved 1 Hz i 20 min.

4. Postmåling

1. Direkte etter intervensjonen, bruk H-reflekskondisjonering med de samme ISIene som brukt i forutvalget.
2. Bruk samme stimuleringsintensiteter for magnetisk stimulering over M1 og cervicomedullary-krysset enn i for-måling.
3. Kontroller at kontroll H-refleks har samme størrelse som i for-måling. Hvis det oppdages en systematisk avvik, juster du stimuleringsintensiteten.

5. DaTa behandling

1. Beregn alle fysiologiske responser som H-reflekser, MEP'er og konditionerte H-reflekser som topp-til-topp-amplituder av det ikke reaktiverte EMG.
   1. For hver ISI, gjennomsnittlig ti betingede H-reflekser for a) kortikal og b) cervicomedullary stimulering. I tillegg gjennomsnittlig ti kontroll ( dvs. ubetinget) H-reflekser som tjener som referanse ( dvs. 100%) for de betingede H-refleksene.
   2. Følgelig uttrykker gjennomsnittlig amplitude av de konditionerte H-refleksene for hver ISI som en prosentandel av den gjennomsnittlige amplitude av kontroll-H-reflekset i både før- og ettermålingen. Vær forsiktig når du bestemmer tidlig tilrettelegging, da dette er av kritisk betydning:
      MERK: Siden det er inter-individuell variabilitet i forekomsten av starten av den tidlige tilretteleggingen, bestemme tidlig tilrettelegging i for-måling for hvert fag separat.
2. Bruk nonparametric Wilcoxon tester for å bestemme tE første oppgang av den betingede H-refleksen. For CMS-kondisjonering, start testene ved ISI -9 ms, for M1-condition, søk etter tidlig tilrettelegging ved ISI -5 ms. Sammenlign amplituden til denne tidlige tilretteleggingen som ble oppnådd i for-måling med amplituden til den tidlige tilretteleggingen som ble oppnådd i ettermålingen ved bruk av samme ISI.
3. I tillegg bekreft tidlig tilrettelegging ved visuell inspeksjon.
   MERK: Etter M1-kondisjonering er det mest sannsynlig at tidlig tilrettelegging skjer rundt ISI -3 ms. Kort tid etter den første økningen i den betingede H-refleksen, dvs. 1 til 2 ms senere, er det en nedgang i den kondisjonerte H-refleksen før den stiger igjen. Etter CMS-kondisjonering vil den tidlige tilretteleggingen sannsynligvis forekomme rundt ISI -7 ms, og dermed ca. 4 ms tidligere enn etter M1-kondisjonering.

Representative Results

Forekomst av tidlig tilrettelegging etter M1- og CMS-kondisjonering

H-refleksbehandling med TMS over M1 resulterte i en tidlig tilrettelegging som skjedde rundt ISI -3 og -4 ms. Tidlig tilrettelegging etter CMS-kondisjonering skjedde rundt 3 ms tidligere (ISI -6 og -7 ms, henholdsvis). Eksempler på ISI-kurver på ett emne vises i figur 1 . I den foreliggende studien ble tidlig tilrettelegging vurdert innen de første ms av forekomsten med både M1- og CMS-kondisjonering (se figur 1C , D ). Det er således rimelig å anta at denne tidlige tilrettelegging gjenspeiler aktivitet av direkte, monosynaptiske kortikospinale veier ^{12 , 22 , 24 , 29 ,}Lass = "xref"> 34. De etterfølgende resultatene konsentrerer seg derfor om denne tidlig tilrettelegging for å gi en indikasjon på hvordan behandlingen endres i direkte monosynaptiske kortikospinale veier etter rTMS.

RTMS-induserte endringer i amplituden til tidlig tilrettelegging

Etter 20 minutter med rTMS, var det en nedgang i begge, tidlig tilrettelegging med M1-kondisjonering og tidlig tilrettelegging med CMS-kondisjonering. I kontrast forblir kontroll H-reflekset på et konstant nivå. I figur 2 A, B, C vises et eksempel på et representativt emne. I figur 2 D, E, F er gjennomsnittet av to fag gitt. Det kan ses at selv om reduksjonen ikke er like fremtredende etter CMS-kondisjonering enn etter M1-kondisjonering, er den likevel tydelig synlig. DAta sett av hele prøven kan ses i ²⁸ .

Figur 1 : Prosedyre for M1- og CMS-kondisjonering.
Denne modifiserte figuren fra en av våre tidligere publikasjoner ²⁸ viser en skjematisk tegning av M1- og CMS-kondisjoneringsprosedyren. (A) Det kan sees at en spole er plassert over primærmotorkortexen (angitt som M1) og den andre over cervicomedullary-krysset (angitt som CMS). ( B) ettersom magnetisk stimulering av primærmotorisk cortex (M1-cond) og cervicomedullary junction (CMS-cond) er dispergert for noen ms, men perifer nervestimulering (H-refleks) gir bare en kort effekt, H-refleks kan forskyves fremover i forhold til nedstigningsvolumetY slik at den kolliderer med den hurtige frasen (e) av den nedadgående kortikospinale volleyen (tidlig tilrettelegging) eller den kan forskyves bakover, slik at langsommere kortikospinale veier kan testes (sen facilitation). I C vises en H-refleks kondisjonskurve etter M1-kondisjonering. I D er H-refleks kondisjonskurven etter CMS-condition illustrert. (Figur endret fra ²⁸ med tillatelse fra Oxford University Press). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2 : Effekter av lavfrekvens rTMS på tidlig tilrettelegging etter M1- og CMS-kondisjonering.
I A, B, & C Ong> data (gjennomsnitt på 10 spor) av ett representativt emne før og etter at rTMS-intervensjonen vises. Det kan ses at de betingede H-refleksene som representerer de tidlige tilretteleggingene, reduseres etter både M1- (A) og CMS-condition (B), mens kontroll-H-refleksene forblir uendret (C). I D, E, & F vises gjennomsnittet av to fag som viser det samme mønsteret: reduksjon i både M1- og CMS-betingede H-reflekser uten endring i kontroll H-refleks. Reduksjonen etter CMS-kondisjon indikerer endret overføring ved kortikomotoneuronale synapser. Imidlertid kan det ses at undertrykkelsen etter rTMS er større etter M1-kondisjonering. Dermed kan man også anta dype endringer på det motoriske kortikale nivået. P-verdier i første rad refererer til dataene til det enkelte emne. (Figur endret fra ²⁸ med tillatelse fra Oxford University Press).Pload / 52663 / 52663fig2large.jpg "target =" _ blank "> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

H-refleksbetingelsesprosedyren beskrevet her er spesifikt adressert for å vurdere akutte endringer i overføring over kortikomotoneuron synaps etter gjentatt aktivering av kortikospinalveien ²⁸ . I dette henseende har H-refleksbehandling uthevet at rTMS ikke bare påvirker excitabiliteten til kortikale strukturer, men har også en effekt på kortikomotoneural overføring ved kortikomotonale synaps. Imidlertid kan denne metoden faktisk ha bredere anvendelse, da endringer i kortikospinal overføring skjer under motorutvikling og aldring, motorlæring, trening og trening, tretthet, inaktivitet, gjenoppretting fra skade, nevrofysiologiske og terapeutiske inngrep, patologi etc. Videre kan metodene være Brukes i faglige personer eller hos pasienter så lenge TMS-sikkerhetsforanstaltninger følges.

Den introduserte metoden kan brukes til å studere i økt efFekter som i den nåværende konteksten eller langsgående effekter over en lengre tidsperiode. M1-kondisjonsteknikken har tidligere vist seg å tillate pålitelig vurdering av effekter som følge av for eksempel 8 ukers immobilisering ³⁵ , 4 uker balanseopplæring ^{36 , 37} og fire uker med ballistisk styrketrening ³⁶ . I alle disse studiene ble det ikke observert noen endringer i de betingede H-refleksene i kontrollgruppene, som ikke ble utsatt for atferdsmessig inngrep. Tatt i betraktning CMS-kondisjonsteknikken til vår kunnskap, har ingen studier hittil blitt publisert om langsiktige effekter.

En kondisjoneringsprotokoll inkludert ca. 12-14 ISIer varer ca. 15 minutter. Dette betyr at denne stimuleringsprotokollen ikke er egnet til å vurdere kortere varighet av neural plasticitet. Det er imidlertid ofte mulig å begrense prosedyren etter inngripenTørker for å målrette spesifikt, for eksempel den tidlige tilretteleggingen som er vurdert i for-måling og dermed forkorte prosedyrens varighet merkbart til noen få minutter. I dette tilfellet er det viktig å bestemme tidlig tilrettelegging for hvert fag enkeltvis. Dette ble gjort i basislinjemåling og senere sammenlignet med tidlig tilrettelegging oppnådd i ettermålingen ved bruk av samme ISI (er).

Fordelen med å konditionere H-reflekset ved TMS påført over M1 eller cervicomedullary-krysset i stedet for å overvåke forbindelsespotensialene er todelt. For det første er det mulig å måle selektivt overføring av tydelige kortikospinale fremskrivninger, for eksempel for å vurdere endringer i den tidlige tilretteleggende reflekterende aktiviteten av raske og direkte kortikomotoneuronale projeksjoner. Dette er en stor fordel sammenlignet med analyse av sammensatte potensielle amplituder da disse sistnevnte responsene er påvirket av en rekke direkte og indirekte effekts. For det andre er det ofte ikke mulig å fremkalle sammensatte potensialer (CMEPer) ved hjelp av cervicomedullary magnetisk stimulering alene, spesielt for muskelmuskler og under målinger i hvile (Ugawa et al., 1994, Oya et al., 2008). Ved hjelp av H-refleksbehandling øker H-reflekset følsomheten til spinalmotorneuroner til corticospinal overføring. Imidlertid er det viktig å holde størrelsen på SOL-kontrollen H-refleks konstant gjennom hele eksperimentet på rundt 20-25% av Mmaxen som det tidligere ble påvist at følsomheten til H-refleksen til tilretteleggende eller hemmende innganger er avgjørende for Dens størrelse ³¹ .

For å kunne vurdere om endringer i corticospinal excitability eller overføring skyldes endringer på kortisk eller spinal nivå, har flere studier sammenlignet responsene fremkalt av TMS over M1 med respons etter TES av M1 ¹⁶ . TMS og TES er forskjellige med hensyn til thE måte hvordan de fremkaller nedadgående corticospinal volleys. Med TMS oppstår en stor andel av sammensatt respons ved transsynaptisk eksitering av kortikospinale celler ^{38 , 39} . I kontrast deponerer TES en større andel av kortikospinale nevroner på en direkte måte, sannsynligvis på et aksonalt sted fjernt til axonhøyden, noe som resulterer i en såkalt "direkte" eller D-bølge ^{38 , 39 , 40} . Endringer i spenningen i motorcortex påvirker derfor sterkere responsene etter TMS enn de etter TES - i hvert fall ved lave stimuleringsintensiteter ^{17 , 18} . I den foreliggende sammenheng ble TES ikke anvendt fordi a) denne typen stimulering er forbundet med betydelig smerte og b) vi ønsket å sikre utelukkelse av kortikale påvirkninger. Derfor sammenlignet vi svarene eliciTed med TMS over M1 med responser fremkalt av TMS ved cervicomedullary junction. For å tillate stimulering av kortikospinalveien på cervicomedullærnivå er det nødvendig å plassere motivet i en posisjon hvor nakke og atoko-oksipitalt ledd er bøyd for å tillate posisjonering av spolen slik at dens sentrale del plasseres på Eller nær innløpet som resulterer i en kranialt rettet strøm ^{19 , 26} . Endringer i svarene til denne CMS-kondisjoneringsprosedyren kan derfor tydelig tilskrives endringer på spinalnivå. Videre angis at den tidlige tilrettelegging av den betingede H-refleks skyldes aktivering av direkte, kortikomotoneuronale fremspring til spinalmotoneurene ^{12 , 29} , en endring av den CMS-kondisjonerte H-refleksen ved tidspunktet for tidlig tilrettelegging indikerer En endret kortikomotoneuronal overføring dvs. 28 .

Selv om det faktisk er et relevant perspektiv at de beskrevne metodene også kan brukes for å oppnå mål for øvre ekstremiteter gjennom stimulering av perifere nerver i armen og opptak fra arm- eller håndmusklene, er denne teknikken begrenset til muskler der den er Mulig å fremkalle en stabil H-refleks. Videre, på grunn av den ubehagelige karakteren av CMS-kondisjonering, kan fagene spente i påvente av stimulansen. Det er derfor viktig å randomisere M1- og CMS-kondisjonering for å unngå systematisk forspenning. Av samme grunn kan enkelte eksperimenter som involverer mentalsimulering eller reaksjonstidsoppgaver, til og med ikke være mulig. For eksempel spurte vi fag for å forestille seg visse postural oppgaver (s. ⁴¹ ), men fagene kunne ikke konsentrere seg om mental simulering når man forutse CMS-condition. En annen begrensning er bruken av denne metoden under merDynamiske oppgaver som det er a) veldig vanskelig å fikse spolen over cervicomedullary krysset og b) å holde hodet i en bøyet stilling. Endelig er metoden svært tidkrevende, og begrenser dess anvendelse i bred forstand.

Materials

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