İnsanlarda Corticomotoneuronal İletimde Değişikliklerin İnvaziv Olmayan Değerlendirilmesi
Summary
Bu çalışmanın amacı, tekrarlayan transkraniyal manyetik stimülasyon sonrasında insanlardaki kortikomotonöronal sinapslardaki bulaşmadaki değişimleri değerlendirmektir. Bu amaçla, yola spesifik kortikospinal transmisyonun, yani hızlı, direkt kortikospinal yolaklarının polisinaptik bağlantılardan ayrımının yapılmasına izin veren bir elektrofizyolojik yöntem getirildi.
Abstract
Kortikospinal yol, beyni kaslarla bağlayan ana patikasyondur ve bu nedenle hareket kontrolü ve motor öğrenimi için oldukça önemlidir. Bu yolağın eksitabilitesi ve plastisitesini araştıran bir dizi invaziv olmayan elektrofizyolojik yöntem mevcuttur. Bununla birlikte, çoğu yöntem bileşik potansiyellerin nicelendirilmesine dayanır ve kortikospinal yolun, doğrudan doğruya olan birçok farklı bağlantıdan oluştuğunu ihmal eder. Burada, kortikospinal transmisyonun farklı fraksiyonlarının heyecan verici olmasının test edilmesini sağlayan bir yöntem sunuyoruz. Bu H-refleksi düzenleme tekniği, en hızlı (monosynaptik) ve ayrıca polisinaptik kortikospinal yolaklarının eksitabilitelerini değerlendirmemize izin verir. Ayrıca, motor korteks ve servikomedüller bileşke olmak üzere iki farklı uyarılma alanı kullanarak, kortikal ve omurga etkileri arasında sadece farklılaşmayı değil, aynı zamanda kortikomdaki bulaşmanın değerlendirilmesini sağlarOtoneoral sinaps. Bu yazıda, düşük frekanslı tekrarlayan transkraniyal manyetik stimülasyondan sonra kortikomotoneüral bulguyu değerlendirmek için bu yöntemin nasıl kullanılabileceğini açıklıyoruz. Bu yöntem daha önce kortikal hücrelerin eksitabilitesini azalttığı gösterildi. Burada yalnızca tekrarlayan uyarıma bağlı kortikal hücrelerin değil aynı zamanda omurilik seviyesindeki kortikomotonöronal sinaps şikayetinin de etkilenmekte olduğunu göstermektedir. Bu bulgu, nöroplastisitenin temel mekanizmalarını ve yerlerini anlamak için önemlidir. Temel mekanizmaların incelenmesinin yanı sıra, H-refleks klima tekniği, davranışsal ( örn. , Eğitim) veya terapötik müdahaleleri, patolojiyi veya yaşlanmayı takiben kortikospinal transmisyondaki değişiklikleri test etmek için uygulanabilir ve bu nedenle, hareket kontrolü ve motorun altında yatan sinirsel süreçlerin daha iyi anlaşılmasına olanak tanır öğrenme.
Introduction
Primatlarda, kortikospinal yol, gönüllü eylemleri kontrol eden başlıca inen patikayı oluşturur 1 . Kortikospinal yol, direkt monosinaptik kortikomotonöronal bağlantılar yoluyla dolaylı oligo- ve polisinaptik bağlantılar 2 , 3 aracılığıyla motor kortikal alanları spinal α-motoneuronlara bağlar. Motor korteks, Transkraniyal Manyetik Uyarım (TMS) ile invazif olmayan bir şekilde uyarılan olmasına rağmen, bu uyarıya uyarılmış elektromiyografik yanıtın yorumlanması genellikle zordur. Bunun nedeni motor uyarılmış potansiyelin (MEP) intrakortikal ve kortikospinal nöronların, omurilik interneuronlarının ve spinal α-motoneuronların eksitabilitesindeki değişikliklerden etkilenebilmesidir4 , 5 , 6 , 7 . Birkaç noninvazif elektrofizyolojiCal teknikleri ve stimülasyon protokolleri, kortikospinal eksitabilitede ve transmisyonda meydana gelen değişikliklerin kortikal veya spinal seviyedeki değişikliklerden kaynaklanıp kaynaklanmadığını belirlemeyi amaçlamaktadır. Genellikle, elektrikle uyarılmış H refleks amplitüdünde meydana gelen değişiklikler motoneuron havuzunda eksitabilite değişikliklerinin "göstergesi" olarak kullanılır. Bununla birlikte, H-refleksinin sadece motoneuron havuzunun heyecanlanmasına değil, aynı zamanda presinaptik inhibisyon 8 , 9 veya homosinaptik aktivasyon sonrası depresyon 5 , 10 gibi diğer faktörler tarafından modüle edildiği daha önce gösterilmiştir. MEP'leri ve H refleksleri karşılaştırırken karşılaşılan bir diğer kısıtlama da interneuron seviyesi 11 , 12'de eksitabilite değişiklikleri tespit etme yeteneğidir. Bu dezavantajlara ek olarak motoneuronlar, periferik sinir stimülasyonu ile wi'den farklı şekilde aktive olabilirBöylece, motonöronal eksitabilitede meydana gelen değişiklikler, bu yanıtları, kortikospinal yol 13 , 14 , 15 yoluyla aracılık edilen yanıtlara kıyasla farklı bir şekilde etkiler.
Spinali kortikal etkilerden ayırmak için kullanılan bir başka yöntem, motor korteksin Transkraniyal Elektriksel Uyarımını (TES) 16 göstermektedir. Düşük uyarılma yoğunluklarında uygulanan TES, kortikal eksitabilitede meydana gelen değişikliklerden etkilenmediği savunuldu. Hem TES hem de TMS, α-motoneuronları kortikospinal yolak yoluyla aktive ederken, manyetik ve elektriksel olarak uyandırılmış MEP'lerin karşılaştırılması, HEP refleksleri arasındaki karşılaştırmadan MEP'lerin boyutlarındaki değişikliklerin kortikal doğasında sonuçlar çıkarmak için daha cazip bir yöntem sağlar Ve MEP'ler. Bununla birlikte, stimülasyon yoğunluğu arttıkça, TES uyarılmış MEP'ler, kortikal eksitabilite değişiklikleri de etkilenir <Sup class = "xref"> 17 , 18 . Elektriksel uyarı motor kortekse değil de servikomedüller kavsağına uygulandığında, bu problem kaçınılabilir. Bununla birlikte, elektriksel uyarılar, üst ekstremitede ve alt ekstremite kaslarında servikomedüller motor uyarılmış potansiyelleri (cMEPler) uyandırsa da, çoğu kişi beyin sapında (ve korteks) elektrik stimülasyonunu son derece hoş olmayan ve acı verici olarak algılar. Daha az acı veren bir alternatif, servikomedüller bileşke noktasındaki kortikospinal yolağı, inion 19'da manyetik stimülasyon kullanarak aktive etmektir. Genellikle Servikomedüller Manyetik Uyarımın (CMS) motor kortikal TMS ile aynı inen liflerin çoğunu aktive ettiği ve korteksin eksitabilitesindeki değişiklikler, MEP'leri cMEP'ler ile karşılaştırarak tespit edilebilir 19 kabul edilir . İntracortikal hücrelerin ve kortikomotoneuronal hücrelerin eksitabilitesindeki artışların kortikal kolaylaştırdığı düşünülmektedirServikomedüller uyarılmış MEP'de eşzamanlı bir değişiklik yapılmaksızın MEP'yi uyandırdı.
Bununla birlikte, çoğu konuda, dinlenme sırasında alt ekstremitede manyetik uyarılmış cMEP'ler elde etmek mümkün değildir ( 20 , 21) . Bu sorunun üstesinden gelmek için bir yaklaşım, spinal motoneuronların hedef kanın önceden taşındığı gönüllü olarak heyecanını artırmaktır. Bununla birlikte, büzülme mukavemetindeki ufak değişikliklerin cMEP boyutunu etkilediği iyi bilinmektedir. Bu nedenle, farklı görevleri karşılaştırmak zordur. Buna ek olarak, pre-kontraksiyona bağlı motonöronal uyarılabilirlik değişiklikleri MEP'leri ve cMEP'leri etkileyecektir, ancak mutlaka aynı ölçüde olmayacaktır. Son olarak, bileşik MEP'leri bileşik cMEP'lerle karşılaştırarak, inen voleybollarda bulunan bazı bilgiler kaybolur. Bu, soleus, tibialis anterior ve carpi radialis kaslarının H refleksinin manyetik motor kortikal uyaranlara göre düzenlenmesini içeren çalışmalarla ortaya çıkmıştır12 , 22'de . Belli interstimulus aralıkları (ISI) ile motor kortekste periferik sinir uyarı ve TMS'yi birleştirerek, farklı inen voleybolların H-refleksinde kolaylaştırıcı ve inhibe edici etkileri incelenmesi mümkündür. Bu teknik hayvan deneylerinde nöral yolaklardaki iletimi belirlemek için kullanılan mekansal kolaylaştırma tekniğinden büyük ölçüde esinlenmiştir ve bu tekniğin invaziv olmayan, dolaylı bir versiyonu olarak görülebilir 23 . H-refleksi sadece kortikospinal yolağın farklı kesirleri arasında ayrım yapmak için değil aynı zamanda (yavaş kortikospinal projeksiyonlara karşı) de spinal eksitabiliteyi kontrollü ve karşılaştırılabilir bir şekilde yükseltmek için de önemlidir. Böylece, istirahat sırasında ve aktivite sırasında, bu stimülasyon teknikleri kombinasyonu, yüksek zamansal çözünürlük ile, yani tortus kortikospinal yolağının farklı fraksiyonlarındaki değişikliklerin değerlendirilmesini sağlarEn hızlı, muhtemelen monosinaptik kortikomotoneuronal bağlantılar ve daha yavaş oligo- ve polisinaptik yolaklarda 12,22,24,25. Son zamanlarda bu teknik, motor korteks üzerinde TMS ile H-refleksin düzeltilmesi (M1-şartlandırma) değil, servikomedüller bileşkede (CMS-şartlandırma) 26 ilave iklimlendirme stimülasyonu ile de genişletildi. M1- ve CMS-koşullandırma arasındaki etkileri kıyaslayarak, bu teknik yüksek temporal çözünürlük ile yola spesifik farklılaşmayı sağlar ve kortikal ve omurga mekanizmaları üzerinde yorum yapılmasını sağlar. Ayrıca, ve en önemlisi, mevcut çalışmayla ilgili olarak bu teknik, erken kolaylaştırmayı düşündüğümüzde, kortikomotoneoral sinapsdaki bulaşmanın değerlendirilmesini sağlar. H refleksinin erken kolaylaştırılması muhtemelen aktivasyonun neden olduğuSpinal motoneuronlara direkt monosinaptik kortikomotoneural projeksiyonların 12 , 26 . En hızlı kortikospinal yolları test etmek ve böylece erken kolaylaştırmak için H-refleksi, TMS'den 2-4 ms önce çıkartılmalıdır. Bunun nedeni, H-refleksine kıyasla (yaklaşık 34 ms, bkz. 25 ), MEP'in biraz daha kısa gecikmesi (yaklaşık 32 ms; bkz. TMS uygulanmadan kısa süre önce H-refleks oluşturulması, spinal motonöron seviyesinde yükselen ve en hızlı inen uyarıların yakınsamasına neden olur. TMS servikomedüller bileşke üzerine uygulandığında, inen vole, spinal motoneuron havuzunda, M1 üzerindeki uyarıldıktan sonra, 3-4 ms daha önce varacaktır. CMS-koşullandırma için periferik sinir stimülasyonu, manyetik atımdan 6-8 ms önce uyandırılmalıdır. CMS koşullandırmadan sonra erken kolaylaştırmanın bir değişimi,Kortikospinal yol ve α-motoneuron arasındaki sinaps üzerine yatış 28 . Mevcut çalışmada, yakın zamanda geliştirilen bu teknik, düşük frekanslı tekrarlayıcı TMS'yi (rTMS) takiben omurgayı kortikal etkilerden ayırmak için kullanılmıştır. Daha spesifik olarak, M1-koşullandırma ile erken kolaylaştırma, rTMS müdahalesini takiben azaltılırsa da, CMS-koşullandırmayı takiben erken kolaylaştırmanın değilse, etki köken olarak tamamen kortikal olmalıdır. Aksine, CMS koşullandırma ile erken kolaylaştırma da değişirse, bu değişiklik omurilik seviyesinde gerçekleşen mekanizmalarla ilişkili olmalıdır. Daha spesifik olarak, H-refleksinin erken kolaylaştırılmasının, 12 , 29 omurilik motoneuronlarına direkt, kortikomotonöronal projeksiyonların aktivasyonundan kaynaklandığı düşünülürse, CMS ve M1 klimalı H-refleksinin Erken kolaylaştırma belirtmelidirE değiştirilmiş bir kortikomotoneuronal transmisyon yani sinaptik etkinlik 28 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada açıklanan H-refleksi koşullandırma prosedürü, kortikospinal yol 28'in tekrarlayan aktivasyonunu takiben, kortikomotonöronal sinaps üzerindeki transmisyonda akut değişimlerin değerlendirilmesi için özel olarak ele alınmıştır. Bu açıdan, H-refleksi koşullandırması, rTMS'nin korteks yapılarının eksitabilitesini etkilemekle kalmadığını, aynı zamanda kortikomotoneural sinapsda kortikomotoneürel iletim üzerinde bir etkiye sahip olduğunu vurgulamıştır. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (316030_128826) tarafından verilen bir hibe ile desteklenmiştir.
Materials
References
- Lemon, R. N., Kirkwood, P. A., Maier, M. A., Nakajima, K., Nathan, P. Direct and indirect pathways for corticospinal control of upper limb motoneurons in the primate. Prog.Brain Res. , 263-279 (2004).
- Jankowska, E., Padel, Y., Tanaka, R. Projections of pyramidal tract cells to alpha-motoneurones innervating hind-limb muscles in the monkey. J. Physiol. 249, 637-667 (1975).
- Maertens de Noordhout, A., et al. Corticomotoneuronal synaptic connections in normal man: an electrophysiological study. Brain. 122, 1327-1340 (1999).
- Noordhout, M. D., Pepin, J. L., Gerard, P., Delwaide, P. J. Facilitation of responses to motor cortex stimulation: effects of isometric voluntary contraction. Ann.Neurol. 32, 365-370 (1992).
- Nielsen, J., Morita, H., Baumgarten, J., Petersen, N., Christensen, L. O. On the comparability of H-reflexes and MEPs. Electroencephalogr.Clin.Neurophysiol.Suppl. 51, 93-101 (1999).
- Morita, H., et al. Differential changes in corticospinal and Ia input to tibialis anterior and soleus motor neurones during voluntary contraction in man. Acta Physiologica Scandinavica. 170, 65-76 (2000).
- Ugawa, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Sakai, K., Kanazawa, I. Facilitatory effect of tonic voluntary contraction on responses to motor cortex stimulation. Electroencephalogr.Clin.Neurophysiol. 97, 451-454 (1995).
- Rudomin, P. Selectivity of the central control of sensory information in the mammalian spinal cord. Adv.Exp.Med.Biol. 508, 157-170 (2002).
- Eccles, J. C. Presynaptic inhibition in the spinal cord. Prog.Brain Res. 12, 65-91 (1964).
- Hultborn, H., et al. On the mechanism of the post-activation depression of the H-reflex in human subjects. Exp.Brain Res. 108, 450-462 (1996).
- Burke, D., Gandevia, S. C., McKeon, B. Monosynaptic and oligosynaptic contributions to human ankle jerk and H-reflex. J Neurophysiol. 52, 435-448 (1984).
- Nielsen, J., Petersen, N., Deuschl, G., Ballegaard, M. Task-related changes in the effect of magnetic brain stimulation on spinal neurones in man. J. Physiol. 471, 223-243 (1993).
- Morita, H., Baumgarten, J., Petersen, N., Christensen, L. O., Nielsen, J. Recruitment of extensor-carpi-radialis motor units by transcranial magnetic stimulation and radial-nerve stimulation in human subjects. Exp Brain Res. 128, 557-562 (1999).
- Hultborn, H., Nielsen, J. B. H-reflexes and F-responses are not equally sensitive to changes in motoneuronal excitability. Muscle Nerve. 18, 1471-1474 (1995).
- Awiszus, F., Feistner, H. Recruitment order of single motor units of the anterior tibial muscle in man. Electroencephalogr.Clin.Neurophysiol.Suppl. 51, 102-112 (1999).
- Hess, C. W., Mills, K. R., Murray, N. M. Responses in small hand muscles from magnetic stimulation of the human brain. J Physiol. 388, 397-419 (1987).
- Day, B. L., Thompson, P. D., Dick, J. P., Nakashima, K., Marsden, C. D. Different sites of action of electrical and magnetic stimulation of the human brain. Neurosci.Lett. 75, 101-106 (1987).
- Lemon, R. N., et al., Pascual-Leone, A., et al. . Handbook of Transcranial Magnetic Stimulation. , 61-77 (2002).
- Taylor, J. L. Stimulation at the cervicomedullary junction in human subjects. J. Electromyogr. Kinesiol. 16, 215-223 (2006).
- Oya, T., Hoffman, B. W., Cresswell, A. G. Corticospinal-evoked responses in lower limb muscles during voluntary contractions at varying strengths. J. Appl. Physiol. 105, 1527-1532 (2008).
- Ugawa, Y., Uesaka, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Kanazawa, I. Magnetic stimulation of corticospinal pathways at the foramen magnum level in humans. Ann.Neurol. 36, 618-624 (1994).
- Nielsen, J., Petersen, N. Changes in the effect of magnetic brain stimulation accompanying voluntary dynamic contraction in man. J. Physiol. 484, 777-789 (1995).
- Baldissera, F. H. H., Illert , A. I., Brooks, V. B. . Handbook of Physiology. Section 1: The nervous system, vol II. Motor control. , 509-595 (1981).
- Petersen, N., Christensen, L. O. D., Nielsen, J. B. The effect of transcranial magnetic stimulation on the soleus H reflex during human walking. J Physiol. 513, 599-610 (1998).
- Taube, W., et al. Direct corticospinal pathways contribute to neuromuscular control of perturbed stance. J Appl Physiol. 101, 420-429 (2006).
- Taube, W., Lundbye-Jensen, J., Schubert, M., Gollhofer, A., Leukel, C. Evidence that the cortical motor command for the initiation of dynamic plantarflexion consists of excitation followed by inhibition. PLoS.One. 6, e25657 (2011).
- Petersen, N., Christensen, L. O., Morita, H., Sinkjaer, T., Nielsen, J. Evidence that a transcortical pathway contributes to stretch reflexes in the tibialis anterior muscle in man. J. Physiol. 512, 267-276 (1998).
- 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. , (2014).
- Nielsen, J., Petersen, N. Evidence favouring different descending pathways to soleus motoneurones activated by magnetic brain stimulation in man. J Physiol. 486, 779-788 (1995).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
- Crone, C., et al. Sensitivity of monosynaptic test reflexes to facilitation and inhibition as a function of the test reflex size: a study in man and the cat. Exp.Brain Res. 81, 35-45 (1990).
- Maeda, F., Keenan, J. P., Tormos, J. M., Topka, H., Pascual-Leone, A. Interindividual variability of the modulatory effects of repetitive transcranial magnetic stimulation on cortical excitability. Exp.Brain Res. 133, 425-430 (2000).
- Fitzgerald, P. B., Brown, T. L., Daskalakis, Z. J., Chen, R., Kulkarni, J. Intensity-dependent effects of 1 Hz rTMS on human corticospinal excitability. Clin.Neurophysiol. 113, 1136-1141 (2002).
- Nielsen, J., Petersen, N., Ballegaard, M. Latency of effects evoked by electrical and magnetic brain stimulation in lower limb motoneurones in man. J. Physiol. 484, 791-802 (1995).
- Leukel, C., et al. Changes in corticospinal transmission following 8weeks of ankle joint immobilization. Clin neurophysiol. , (2014).
- Schubert, M., et al. Balance training and ballistic strength training are associated with task-specific corticospinal adaptations. Eur J Neurosci. 27, 2007-2018 (2008).
- Taube, W., et al. Cortical and spinal adaptations induced by balance training: correlation between stance stability and corticospinal activation. Acta Physiol (Oxf). 189, 347-358 (2007).
- Di Lazzaro, V., et al. Effects of voluntary contraction on descending volleys evoked by transcranial stimulation in conscious humans. J. Physiol. 508, 625-633 (1998).
- Edgley, S. A., Eyre, J. A., Lemon, R. N., Miller, S. Comparison of activation of corticospinal neurons and spinal motor neurons by magnetic and electrical transcranial stimulation in the lumbosacral cord of the anaesthetized monkey. Brain. 120 (Pt 5), 839-853 (1997).
- Di Lazzaro, V., et al. Effects of voluntary contraction on descending volleys evoked by transcranial electrical stimulation over the motor cortex hand area in conscious humans. Exp.Brain Res. 124, 525-528 (1999).
- Taube, W., et al. Brain activity during observation and motor imagery of different balance tasks: An fMRI study. Cortex. 64, 102-114 (2015).
