Неинвазивная оценка изменений кортикомотонурональной передачи у людей

Summary

Целью настоящего исследования было оценить изменения в передаче в кортикомотонурональных синапсах у людей после повторной транскраниальной магнитной стимуляции. С этой целью вводится электрофизиологический метод, который позволяет оценивать специфику кортикоспинального пути в пути, т. Е. Дифференциацию быстрых, прямых кортикоспинальных путей из полисинаптических соединений.

Abstract

Кортикоспинальный путь является основным путем, связывающим мозг с мышцами, и поэтому очень важен для контроля за движением и моторного обучения. Существует ряд неинвазивных электрофизиологических методов, исследующих возбудимость и пластичность этого пути. Однако большинство методов основано на количественном определении составных потенциалов и пренебрежении тем, что кортикоспинальный путь состоит из множества различных связей, которые являются более или менее прямыми. Здесь мы представляем метод, который позволяет тестировать возбудимость различных фракций кортикоспинальной передачи. Этот так называемый метод кондиционирования H-рефлекса позволяет оценить возбудимость самых быстрых (моносинаптических), а также полисинаптических кортикоспинальных путей. Кроме того, при использовании двух различных участков стимуляции, моторной коры и цервикомедуллярного соединения, это позволяет не только дифференцировать кортикальный и спинальный эффекты, но и оценивать передачу в кортикеОтонеуральный синапс. В этой рукописи мы описываем, как этот метод может быть использован для оценки кортикомотонулярной трансмиссии после низкочастотной повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции, метод, который ранее был показан для снижения возбудимости кортикальных клеток. Здесь мы показываем, что не только кортикальные клетки поражаются этой повторяющейся стимуляцией, но и передаются в кортикомотонурональный синапс на уровне спинного мозга. Этот вывод важен для понимания основных механизмов и участков нейропластичности. Помимо исследования основных механизмов, метод условного рефлекса может применяться для проверки изменений кортикоспинальной передачи после поведенческих ( например , тренировок) или терапевтических вмешательств, патологии или старения и, следовательно, позволяет лучше понять нервные процессы, которые лежат в основе контроля за движением и двигательной активности обучение.

Introduction

В приматах кортикоспинальный тракт представляет собой основной нисходящий путь, контролирующий добровольные действия ¹ . Кортикоспинальный путь соединяет моторные области коры с спинальными α-мотонейронами через прямые моносинаптические кортикомотонурональные соединения и через косвенные олиго- и полисинаптические соединения ^{2 , 3} . Хотя моторную кору можно легко возбудить неинвазивно с помощью Транскраниальной магнитной стимуляции (TMS), вызванный электромиографический ответ на эту стимуляцию часто трудно интерпретировать. Причиной этого является то, что на составной моторно-индуцированный потенциал (MEP) могут влиять изменения возбудимости внутрикоровых и кортикоспинальных нейронов, спинальных интернейронов и спинальных α-мотонейронов ^{4 , 5 , 6 , 7} . Несколько неинвазивных электрофизиологовИ методы стимуляции направлены на определение того, вызваны ли изменения кортикоспинальной возбудимости и передачи изменениями на кортикальном или спинном уровне. Обычно изменения амплитуды электрически вызванного Н-рефлекса используются как «индикативные» изменения возбудимости в пуле мотонейронов. Однако ранее было показано, что Н-рефлекс зависит не только от возбудимости пула мотонейронов, но также модулируется другими факторами, такими как пресинаптическое торможение ^{8 , 9} или гомосинаптическая постактивационная депрессия ^{5 , 10} . Другим ограничением при сравнении МЕР и Н-рефлексов является неспособность выявлять изменения возбудимости на межэпиональном уровне ^{11 , 12} . В дополнение к этим недостаткам мотонейроны могут быть по-разному активированы стимуляцией периферических нервов, чем wiЙ TMS, так что изменения в мотонейрональной возбудимости повлияли бы на эти ответы по-разному, по сравнению с ответами, опосредованными через кортикоспинальный путь ^{13 , 14 , 15} .

Другой метод, используемый для отделения спинного мозга от кортикальных эффектов, представляет Транскраниальная электрическая стимуляция (TES) моторной коры ¹⁶ . При применении при низких интенсивностях стимуляции, по мнению TES, не изменялись изменения в кортикальной возбудимости. Поскольку TES и TMS активируют α-мотонейроны через кортикоспинальный путь, сравнение магнитных и электрически вызванных MEPs дает более привлекательный метод для того, чтобы делать выводы о корковой природе изменений в размерах MEP, чем сравнение между H-рефлексами И депутаты Европарламента. Однако, когда интенсивность стимуляции увеличивается, TES-вызванные MEP также находятся под влиянием изменений в кортикальной возбудимости <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Эту проблему можно обойти, когда электростимуляция не применяется к моторной коре, а в цервикомедуллярном соединении. Однако, хотя электрическая стимуляция может вызывать вызванные шейки матки двигательные вызванные потенциалы (cMEP) в мышцах верхней конечности и нижних конечностей, большинство субъектов воспринимают электростимуляцию в стволе мозга (и коре) как крайне неприятные и болезненные. Менее болезненная альтернатива – активировать кортикоспинальный путь в цервикомедуллярном соединении с помощью магнитной стимуляции на входе ¹⁹ . Общепризнано, что Cervicomedullary Magnetic Stimulation (CMS) активирует многие из тех нисходящих волокон, что и моторная кортикальная TMS, и что изменения в кортикальной возбудимости могут быть обнаружены путем сравнения MEP с cMEP ¹⁹ . Считается, что повышение возбудимости внутрикортикальных клеток и кортикомотонурональных клеток способствует кортикальномуВызвали MEP без одновременного изменения в вызванном цервикомедулларием MEP.

Однако у большинства пациентов невозможно получить магнитодефицитные cMEP в нижней конечности в покое ^{20 , 21} . Один из подходов к решению этой проблемы заключается в том, чтобы повысить возбудимость спинальных мотонейронов путем добровольного предварительного контакта целевой мышцы. Однако хорошо известно, что незначительные изменения прочности на сжатие влияют на размер cMEP. Таким образом, трудно сравнивать разные задачи. Кроме того, изменения в мотонейрональной возбудимости из-за предварительного сокращения будут влиять на депутаты Европарламента и cMEP, но не обязательно в одинаковой степени. Наконец, сравнивая составные MEP с соединениями cMEP, теряется некоторая информация, содержащаяся в нисходящих залпах. Это было выявлено исследованиями, включающими кондиционирование H-рефлекса подошвенной, передней большеберцовой и carpi radialis мышц магнитными двигательными кортикальными стимуляторами^{12 , 22} . Комбинируя стимуляцию периферических нервов и ТМС на моторной коре с определенными межстимульными интервалами (ISI), можно изучить облегчающее и ингибирующее влияние различных нисходящих залпов на Н-рефлекс. Этот метод во многом основан на методике пространственного упрощения, используемой для определения передачи по нервным путям в экспериментах на животных, и может рассматриваться как неинвазивный косвенный вариант этой методики ²³ . В то время как H-рефлекс не только важен для дифференциации между различными долями кортикоспинального пути (быстрыми и медленными кортико-синальными проекциями), также важно повысить управляемость и сопоставимость спинальной возбудимости. Таким образом, в состоянии покоя и во время активности это сочетание методов стимуляции позволяет оценивать изменения в различных долях кортикоспинального пути с высоким временным разрешением, т. Е. В tНаиболее быстрые, предположительно моносинаптические кортикомотонурональные связи и более медленные олиго- и полисинаптические пути ^{12 , 22 , 24 , 25} . Недавно эта методика была расширена не только обусловливанием Н-рефлекса ТМС над двигательной корой (М1-кондиционирование), но и дополнительной стимуляцией кондиционирования в цервикомедуллярном соединении (CMS-кондиционирование) ²⁶ . Сравнивая эффекты между M1- и CMS-кондиционированием, этот метод позволяет дифференцировать путь с высокой временной разрешающей способностью и позволяет интерпретироваться на кортикальном и спинальном механизмах. Кроме того, что наиболее важно, в отношении текущего исследования, этот метод позволяет оценить передачу при кортикомотонулеарном синапсе при рассмотрении раннего облегчения. Раннее облегчение H-рефлекса, по всей вероятности, вызвано активациейПрямых, моносинаптических кортикомотонулярных проекций на мотонейроны спинного мозга ^{12 , 26} . Чтобы протестировать самые быстрые кортикоспинальные пути и, таким образом, раннее облегчение, Н-рефлекс должен быть вызван за 2-4 мс до ТМС. Причиной этого является немного более короткая латентность MEP (около 32 мс, см. ²⁷ ) по сравнению с H-рефлексом (около 34 мс, см. ²⁵ ). Выявление Н-рефлекса незадолго до применения ТМС приводит к сближению восходящих и наиболее быстрых нисходящих возбуждений на уровне спинальных мотонейронов. Когда ТМС накладывается на цервикомедуллярный переход, нисходящий залп приедет примерно на 3 – 4 мсек ранее в пуле мотонейронов спинного мозга, чем после стимуляции над М1. Для CMS-кондиционирования стимуляция периферических нервов должна быть вызвана за 6-8 м до магнитного импульса. Изменение раннего облегчения после CMS-кондиционирования указывает на дифференциальную trОтправление в синапсе между кортикоспинальным трактом и α-мотонейроном ²⁸ . В текущем исследовании эта недавно разработанная методика использовалась для дифференциации спинальных клеток от кортикальных эффектов после низкочастотной повторяющейся TMS (rTMS). В частности, мы предположили, что если раннее облегчение с M1-кондиционированием уменьшается после вмешательства rTMS, но раннее облегчение после CMS-кондиционирования не является, эффект должен быть чисто коркового происхождения. Напротив, если раннее облегчение с CMS-кондиционированием также изменяется, это изменение должно быть связано с механизмами, происходящими на спинном уровне. Более конкретно, поскольку раннее облегчение Н-рефлекса, как полагают, вызвано активацией прямых, кортикомотонурональных выступов спинальных мотонейронов ^{12 , 29} , изменением CMS- и M1-обусловленного H-рефлекса во время Раннее упрощение должно указыватьE измененная кортикомотонурональная передача, т.е. синаптическая эффективность ²⁸ .

Protocol

Этот протокол был одобрен местным комитетом по этике, и эксперименты проводятся в соответствии с Хельсинкской декларацией (1964). 1. Подготовка к экзамену ПРИМЕЧАНИЕ. Тематические инструкции . Перед началом эксперимента укажите каждому предмету це?…

Representative Results

Возникновение раннего облегчения после M1- и CMS-кондиционирования H-рефлекторное кондиционирование с TMS по M1 привело к раннему облегчению, которое произошло вокруг ISI -3 & -4 мс. Раннее облегчение после CMS-кондиционирования произ…

Discussion

Процедура кондиционирования Н-рефлекса, описанная здесь, была специально адресована для оценки острых изменений передачи через кортикомотонурональный синапс после повторной активации кортикоспинального пути ²⁸ . В этом отношении H-рефлекторная обусловленность высветил?…

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).