Icke-invasiv bedömning av förändringar i kortikomotonuronal överföring hos människor

Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

Protocol

Detta protokoll godkändes av den lokala etiska kommittén och experimenten överensstämmer med Helsingfors deklaration (1964). 1. Ämnesberedning OBS! Ämnesanvisningar – Innan du börjar med experimentet, instruera varje ämne om syftet med studien och potentiella riskfaktorer. För transcranial magnetisk stimulering (TMS) inkluderar medicinska risker någon historia av epileptisk anfall, mentala implantat i ögon och / eller hu…

Representative Results

Förekomst av den tidiga förenkling efter M1- och CMS-konditionering H-reflexkonditionering med TMS över M1 resulterade i en tidig förenkling som inträffade kring ISI -3 och -4 ms. Den tidiga förenkling efter CMS-konditionering inträffade cirka 3 ms tidigare (ISI -6 respektive -7 ms). Exempel på ISI-kurvor för ett ämne visas i Figur 1 . I den aktuella studien utvärderades …

Discussion

H-reflexkonditioneringsförfarandet som beskrivs här har specifikt tagits upp för att bedöma akuta förändringar i överföring över kortikomotoneuron synaps efter repetitiv aktivering av den kortikospinala vägen ²⁸ . I detta avseende har H-reflexkonditionering framhävt att rTMS inte bara påverkar excitabiliteten hos kortikala strukturer utan också har en effekt på kortikomotoneurala överföringen vid kortikomotonalt synaps. Denna metod kan dock faktiskt ha bredare tillämpning, efters…

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).