הערכה לא פולשנית של שינויים בתמסורת קורטיקומוטונורונאלית בבני אדם

Summary

מטרת המחקר הנוכחי הייתה להעריך את השינויים בתמסורת בסינפסות הקורטיקומוטונורונאליות בבני אדם לאחר גירוי מגנטי גולגולתי חוזר ונשנה. לשם כך, שיטה אלקטרונית הוא הציג המאפשר הערכה של המסלול ספציפי העברת corticospinal, כלומר בידול של מסלולים קורטיקוספינליים מהיר, ישיר מן החיבורים polysynaptic.

Abstract

מסלול corticospinal הוא המסלול העיקרי המחבר את המוח עם השרירים ולכן הוא רלוונטי מאוד עבור בקרת התנועה והלמידה המוטורית. קיימות מספר שיטות אלקטרופיזיולוגיות בלתי פולשניות, החושפות את ההתרגשות והפלסטיות של מסלול זה. עם זאת, רוב השיטות מבוססות על כימות של הפוטנציאל המתחם והזנחה כי מסלול corticospinal מורכב קשרים רבים ושונים שהם פחות או יותר ישיר. כאן, אנו מציגים שיטה המאפשרת בדיקות רגישות של שברים שונים של השידור corticospinal. זה מה שנקרא H- רפלקס התניה טכניקה אחת מאפשרת להעריך את ההתרגשות של המהירות (monosynaptic) וגם polysynaptic מסלולים corticospinal. יתר על כן, על ידי שימוש בשני אתרי גירוי שונים, את הקורטקס המוטורי ואת צומת cervicomedullary, זה מאפשר לא רק הבחנה בין השפעות קליפת המוח ואת השדרה אלא גם הערכה של השידור בקורטיקוםסינפסה otoneural – -. בכתב יד זה, אנו מתארים כיצד ניתן להשתמש בשיטה זו להערכת שידור קורטיקומוטונורלי לאחר גירוי מגנטי גולגולתי בתדר נמוך, שיטה שהוכחה בעבר להפחתת ההתרגשות של תאים קליפתיים. כאן אנו מדגימים כי לא רק תאים קליפתיים מושפעים על ידי גירוי חוזר זה, אלא גם שידור על סינפסה corticomotoneonal ברמה השדרה. ממצא זה חשוב להבנה של מנגנונים בסיסיים ואתרים של נוירופלסטיות. בנוסף לחקירה של מנגנונים בסיסיים, טכניקת ה – H- רפלקס יכולה להיות מיושמת על מנת לבחון שינויים בשידור הקורטיקוספינלי בעקבות התנהגויות התנהגותיות ( כגון אימון) או טיפולים, פתולוגיה או הזדקנות, ולכן מאפשרת הבנה טובה יותר של תהליכים עצביים המונחים ביסוד בקרת התנועה והמוטוריקה לְמִידָה.

Introduction

ב primates, את corticospinal דרכי מהווה את הנתיב היורד העיקרי שליטה פעולות מרצון ¹ . מסלול corticospinal מתחבר אזורים קליפת המוח כדי השדרה α-motoneurons דרך חיבורים monotynaptic ישיר monosynaptic corticomotoneural ו באמצעות קשרים עקיפים oligo ו polysynaptic ^{2 , 3} . למרות הקורטקס המוטורי יכול בקלות להיות נרגש לא פולשני על ידי גירוי מגנטי Transcranial (TMS), התגובה electromyographic עורר לגירוי זה לעתים קרובות קשה לפרש. הסיבה לכך היא כי המתחם המנוע עורר פוטנציאל (MEP) יכול להיות מושפע משינויים ברגישות של נוירונים intracortical ו corticospinal, interneurons בעמוד השדרה ואת מוטורי α-motineurons ^{4 , 5 , 6 , 7} . כמה אלקטרופיזיולוגים לא פולשנייםטכניקות cal ופרוטוקולי גירוי שואפים לקבוע אם שינויים רגישות corticospinal ותמסורת נגרמות על ידי שינויים ברמה קליפת המוח או בעמוד השדרה. בדרך כלל, שינויים במשרעת של הרפלקס H עורר חשמלית משמשים "מעיד" על שינויים של רגישות בבריכה motoneuron. עם זאת, הוכח בעבר כי H- רפלקס תלוי לא רק על ההתרגשות של הבריכה motoneuron אבל גם מווסתת על ידי גורמים אחרים כגון עיכוב presynaptic ^{8 , 9} או הומוסינפטית שלאחר ההפעלה דיכאון ^{5 , 10} . מגבלה נוספת בעת השוואת MEPs ו- H רפלקסים היא נכות לזהות שינויים רגישות ברמה interneuronal ^{11 , 12} . בנוסף לחסרונות אלה, המוטונורונים עשויים להיות מופעלים באופן שונה על ידי גירוי עצבי היקפי מאשר wiThs כך שהשינויים בהתרגשות המוטונורונלית ישפיעו על תגובות אלו בצורה שונה בהשוואה לתגובות המתווכות דרך מסלול קורטיקוספינל ^{13 , 14 , 15} .

שיטה נוספת המשמשת להפריד בין עמוד השדרה לבין תופעות קליפת המוח מייצג Transcranial חשמל גירוי (TES) של קורטקס המנוע ¹⁶ . מיושם בעוצמות גירוי נמוך, TES היה טען להיות מושפע משינויים רגישות קליפת המוח. כמו גם TES ו- TMS להפעיל את motoneurons α דרך מסלול corticospinal, ההשוואה של MEPs מעוררים מגנטית ו electricically מספק שיטה יותר אטרקטיבי להסיק מסקנות על אופי קליפת המוח של שינויים בגודל של MEPs מאשר ההשוואה בין רפלקסים H ו MEPs. עם זאת, כאשר עוצמת גירוי הוא גדל, MESs עורר TES מושפעים גם על ידי שינויים רגישות קליפת המוח <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . בעיה זו ניתן לעקוף כאשר גירוי חשמלי אינו מוחל על הקורטקס המוטורי אלא בצומת cervicomedullary. עם זאת, למרות גירוי חשמלי יכול לעורר cervicomedullary המנוע עורר הפוטנציאלים (cMEPs) באיבר העליון ואת שרירי הגפיים התחתונות, רוב הנושאים תופסים גירוי חשמלי על גזע המוח (וקליפת המוח) כמו מאוד לא נעים וכואב. אלטרנטיבה פחות כואבת היא להפעיל את מסלול corticospinal בצומת cervicomedullary על ידי שימוש בגירוי מגנטי ב ¹⁹ אינץ '. מקובל כי Cervicomedullary מגנטי גירוי (CMS) מפעילה רבים של סיבים יורד אותו כמו TMS קליפת המוח ואת השינויים רגישות קליפת המוח ניתן לזהות על ידי השוואת MEPs עם cMEPs ¹⁹ . הגדלת ההתרגשות של תאים intracortical ותאי corticomotoneuronal נחשבים להקל על קליפת המוחעורר MEP ללא שינוי בו זמנית cervicomedullary עורר MEP.

עם זאת, ברוב הנושאים אי אפשר להשיג cMEPs עורר מגנטית בגפיים התחתונה בשאר ^{20 , 21} . גישה אחת כדי להתגבר על בעיה זו היא להעלות את ההתרגשות של מוטורונורונים בעמוד השדרה על ידי precontracting מרצון את שריר היעד. עם זאת, ידוע כי שינויים קלים בצמצום כוח להשפיע על גודל cMEP. לכן, קשה להשוות בין משימות שונות. בנוסף, שינויים רגישות motoneuronal עקב התכווצות מראש ישפיע MEPs ו- cMEPs אבל לא בהכרח באותה מידה. לבסוף, על ידי השוואת MEPs המתחם עם cMEPs מורכב כמה מידע הכלול בעמקים יורד יורד. זה התגלה על ידי מחקרים הקשורים התניה של רפלקס H של soleus, tibialis הקדמי, שרירים radialis carpi ידי מגנטי מנוע מגנטי גירוייםב ^{12 , 22} . על ידי שילוב של גירוי עצבי היקפי ו- TMS על הקורטקס המוטורי עם מרווחי interstimulus ספציפיים (ISI), ניתן ללמוד השפעות מעשיות ומעכבות של המטוסים היורדים השונים על רפלקס ה- H. טכניקה זו מושפעת מאוד מהטכניקה המקלה המרחבית המשמשת לקביעת שידור במסלולים עצביים בניסויים בבעלי חיים, וניתן לראותה כגרסה לא-פולשנית ועקיפה של טכניקה זו ²³ . בעוד שהרפלקס H אינו חשוב רק להבדיל בין שברים שונים של המסלול הקורטיקוספינלי (תחזיות קורטיקוספינליות מהירות לעומת איטי יותר), חיוני גם להעלות את רגישות השדרה באופן מבוקר ושווי. לכן, במנוחה ובמהלך הפעילות, שילוב זה של טכניקות גירוי מאפשר הערכה של שינויים שברים שונים של מסלול corticospinal עם רזולוציה גבוהה בזמן, כלומרהוא המהיר ביותר, כנראה monosynaptic קשרים corticomotoneuronal ובסלעים אוליגו ו polysynaptic איטי יותר ^{12 , 22 , 24 , 25} . לאחרונה, טכניקה זו הורחבה על ידי לא רק התניה של רפלקס H עם TMS על הקורטקס המוטורי (M1 מיזוג), אלא גם על ידי גירוי מיזוג נוסף בצומת cervicomedullary (CMS- מיזוג) ²⁶ . על ידי השוואת ההשפעות בין M1- לבין CMS- התניה, טכניקה זו מאפשרת הבדל ספציפי מסלול עם רזולוציה טמפורלית גבוהה וזה מאפשר פרשנויות להיעשות על מנגנוני קליפת המוח לעומת עמוד השדרה. יתר על כן, והכי חשוב לגבי המחקר הנוכחי, טכניקה זו מאפשרת הערכה של השידור על סינפסה corticomotoneural כאשר שוקלים את ההקלה המוקדמת. ההקלה המוקדמת של ה- H- רפלקס היא ככל הנראה נגרמת על ידי הפעלהשל ישיר, monosynaptic תחזיות corticomotoneural כדי motoneurons השדרה ^{12 , 26} . כדי לבדוק את המסלולים המהירים corticospinal ובכך, הקלה מוקדם, H- ​​רפלקס חייב להיות עורר 2 עד 4 MS לפני TMS. הסיבה לכך היא חביון קצר יותר של MEP (סביב 32 ms, ראה ²⁷ ) לעומת H רפלקס (כ 34 ms, ראה ²⁵ ). Eliciting את H- רפלקס זמן קצר לפני החלת TMS, מוביל התכנסות של excitations יורדים עולה המהיר ברמה של motoneurons השדרה. כאשר TMS מוחל על צומת cervicomedullary, המטוס יורד יגיע סביב 3 – 4 MS מוקדם יותר בבריכה mutoneuron השדרה מאשר לאחר גירוי מעל M1. עבור CMS- מיזוג, גירוי עצבי היקפי ולכן יש לעורר 6 – 8 אלפיות השנייה לפני הדופק המגנטי. שינוי של הקלה מוקדם לאחר CMS- מיזוג מציין דיפרנציאליAnsmission בסינפסה בין מערכת corticospinal לבין α-motoneuron ²⁸ . במחקר הנוכחי, טכניקה זו שפותחה לאחרונה שימשה כדי להבדיל בין עמוד השדרה לבין השפעות קליפת המוח בעקבות תדירות נמוכה חוזרת (TMS) (rTMS). באופן ספציפי יותר, שיערנו שאם ההקלה המוקדמת עם מיזוג M1 יורדת בעקבות התערבות ה- rTMS, אך ההקלה המוקדמת לאחר התאימות ל- CMS איננה, ההשפעה צריכה להיות קורטיקלית לחלוטין. לעומת זאת, אם שינוי מוקדם עם CMS- מיזוג גם שינויים, שינוי זה צריך להיות קשור מנגנונים המתרחשים ברמה השדרה. באופן ספציפי יותר, כמו ההקלה המוקדמת של H- רפלקס הוא חשב להיגרם על ידי הפעלת ישירה, תחליפי corticomotoneuronal כדי motoneurones השדרה ^{12 , 29} , שינוי של CMS ו- M1 מותנה H רפלקס בזמן יש להקדים את הסיוע המוקדםE שונה קורטיקומוטונורונלי הילוכים כלומר יעילות סינפטי ²⁸ .

Protocol

פרוטוקול זה אושר על ידי ועדת האתיקה המקומית והניסויים הם בהתאם להצהרת הלסינקי (1964). 1. הכנת הנושא הערה: הוראות נושא – לפני תחילת הניסוי, להנחות כל נושא על מטרת המחקר וגורמי הסיכון הפוטנצ…

Representative Results

התרחשות של הקלה מוקדם לאחר M1- ו- CMS- מיזוג H- רפלקס התניה עם TMS מעל M1 הביאה הקלה מוקדמת שהתרחשה סביב ISI -3 & -4 MS. ההקלטה המוקדמת לאחר CMS- התרחש סביב 3 MS מוקדם יותר (ISI -6 ו -7 מילי-שניות, בהתאמה). לד…

Discussion

ההליך H- רפלקס התניה המתואר כאן כבר התייחס באופן ספציפי כדי להעריך שינויים חריפים בהעברת מעל הסינפסה corticomotoneuronal בעקבות הפעלה חוזרת של מסלול corticospinal ²⁸ . בהקשר זה, H- רפלקס התניה הדגיש כי rTMS אינו משפיע רק על רגישות של מבנים קליפת המוח, אבל יש גם השפעה על השידור…

Materials

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 no1	Magstim Rapid2 TMS stimulator, Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil no1: 90 mm figure-of-eight coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
			Stimulator no1 and coil no1 were used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex)
Magnetic stimulator no2	MagPro X100 with MagOption, MagVenture A/S, Farum, Denmark		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil no2: 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 no3	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Coil no3: double-cone magnetic coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Image-guided TMS navigational system no1	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 no2	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).