Summary

Cicli di recupero della velocità muscolare per esaminare le proprietà della membrana muscolare

Published: February 19, 2020
doi:

Summary

Presentato qui è un protocollo per la registrazione dei cicli di recupero della velocità muscolare (MVRC), un nuovo metodo di esame delle proprietà della membrana muscolare. Gli MVRC consentono la valutazione in vivo del potenziale della membrana muscolare e alterazioni della funzione del canale ionico muscolare in relazione alla patologia e consentono la dimostrazione della depolarizzazione muscolare nei muscoli neurogenici.

Abstract

Anche se gli studi convenzionali di conduzione nervosa (NCS) e l’elettromiografia (EMG) sono adatti per la diagnosi di disturbi neuromuscolari, forniscono informazioni limitate sulle proprietà della membrana della fibra muscolare e sui meccanismi della malattia sottostante. I cicli di recupero della velocità muscolare (MVRC) illustrano come la velocità di un potenziale di azione muscolare dipenda dal tempo dopo un potenziale di azione precedente. Gli MVRC sono strettamente correlati ai cambiamenti nel potenziale della membrana che seguono un potenziale d’azione, fornendo così informazioni sulle proprietà della membrana della fibra muscolare. Gli MVRC possono essere registrati in modo rapido e semplice mediante stimolazione diretta e registrazione da fasci multifibra in vivo. Gli MVRC sono stati utili nella comprensione dei meccanismi della malattia in diversi disturbi neuromuscolari. Studi condotti su pazienti con channelopatie hanno dimostrato i diversi effetti di specifiche mutazioni del canale ionico sull’eccitabilità muscolare. MVRC sono stati precedentemente testati in pazienti con muscoli neurogenici. In questo studio precedente, il periodo di rifrazione relativa muscolare (MRRP) è stato prolungato, e la supernormalità precoce (ESN) e la tardiva supernormalità (LSN) sono state ridotte nei pazienti rispetto ai controlli sani. In questo modo, gli MVRC possono fornire prove in vivo della depolarizzazione della membrana in fibre muscolari umane intatte che sono alla base della loro ridotta eccitabilità. Il protocollo qui presentato descrive come registrare mVRC e analizzare le registrazioni. Gli MVRC possono fungere da metodo veloce, semplice e utile per rivelare i meccanismi della malattia in un’ampia gamma di disturbi neuromuscolari.

Introduction

Gli studi di conduzione nervosa (NCS) e l’elettromiografia (EMG) sono i metodi elettrofisiologici convenzionali utilizzati per la diagnosi di disturbi neuromuscolari. NCS consente di rilevare la perdita assonale e la demielinazione nei nervi1, mentre EMG può distinguere se la miopatia o i cambiamenti neurogenici sono presenti nel muscolo a causa di danni ai nervi. Tuttavia, NCS o EMG forniscono informazioni limitate sulle proprietà della membrana della fibra muscolare e sui meccanismi della malattia sottostanti. Queste informazioni possono essere ottenute utilizzando elettrodi intracellulari in muscoli isolati dalle biopsiemuscolari 2,3,4. Tuttavia, è di importanza clinica utilizzare metodologie utilizzando registrazioni da muscoli intatti nei pazienti.

La velocità di un secondo potenziale di azione fibra muscolare cambia in funzione del ritardo dopo il primo5, e questa funzione di recupero della velocità (o ciclo di recupero) ha dimostrato di cambiare nei muscoli distrofici o denervati. La resa di tali registrazioni da fibre muscolari singole era, tuttavia, troppo bassa per essere utile come strumento clinico6. Tuttavia, in seguito, la commissione per la protezione dell’ambiente e la protezione dell’ambiente, non è stata in grado di ottenere tali registrazioni in vivo7. In questometodoviene utilizzata una sequenza di stimoli elettrici a impulsi accoppiati con intervalli interstimoli variabili (ISI).

I parametri MVRC valutati includono i seguenti: 1) periodo refrattario relativo muscolare (MRRP), che è la durata dopo un potenziale di azione muscolare fino a quando il prossimo potenziale di azione può essere suscitato; 2) supernormalità precoce (ESN); e 3) supernormalità tardiva (LSN). ESN e LSN sono i periodi dopo il periodo refrattario in cui i potenziali di azione vengono condotti lungo la membrana muscolare più velocemente del normale. L’accumulo depolarizzante postpotenziale e di potassio nei tubuli t del muscolo rispettivamente, sono ipotizzati come le principali cause per i due periodi di supernormalità.

L’ampia applicabilità degli MVRC ai disturbi muscolari è stata dimostrata nel rilevamento della depolarizzazione della membrana in ischemia7,10,12 e insufficienza renale13, oltre a fornire informazioni sulle anomalie della membrana muscolare nella miopatia della malattia critica14 e miosite corporea di inclusione15. Da allora sono stati introdotti i protocolli di simulazione intermittenti da 15 e 20 Hz. Gli MVRC, insieme a questi protocolli aggiuntivi, hanno dimostrato i diversi effetti sulla eccitabilità della membrana muscolare legati alle mutazioni di perdita di funzione o guadagno di funzione in vari canali ionici muscolari nelle channelopatie degli ioni muscolari ereditari (cioè, canale di sodio miotonia, paramiotonia congenita16, distrofia miaotonica17, Sindrome di Andersen-Tawil18, e miotonia congenita19,20).

In un recente studio, l’applicabilità degli MVRC ai muscoli neurogenici è stata dimostrata per la prima volta. Il termine “muscolo neurogenico” si riferisce ai cambiamenti secondari nei muscoli scheletrici che si sviluppano come denervazione e reinnervazione dopo qualsiasi lesione alle cellule del corno anteriore o agli assoni motori. La denervazione è caratterizzata in EMG come attività spontanea (ad esempio, fibrillazioni [fibs] e onde taglienti positive [psws]), mentre grandi potenzialità di unità motorie con durata prolungata e aumento dell’ampiezza presentano reinnervation21. I cambiamenti EMG sono evidenti nei muscoli denervati, ma i cambiamenti cellulari sottostanti nei potenziali della fibra muscolare sono stati dimostrati solo in studi sperimentali sul tessuto muscolare isolato2,3,4. Gli MVRC forniscono ulteriori informazioni sulle proprietà della membrana muscolare umana in vivo per quanto riguarda il processo di denervazione.

Questo documento descrive in dettaglio la metodologia degli MVRC. Riassume anche i cambiamenti nei muscoli neurogenici in un sottogruppo di pazienti da uno studio precedentemente riportato22 e soggetti di controllo sani che consente di determinare se il metodo è appropriato per uno studio pianificato.

Le registrazioni vengono eseguite utilizzando un protocollo di registrazione che fa parte di un programma software. Altre apparecchiature utilizzate è uno stimolatore di corrente a corrente costante lineare isolato, un eliminatore di rumore di 50 Hz, un amplificatore elettromiografico isolato e un convertitore analogico-digitale.

Protocol

Tutti i soggetti devono fornire il consenso scritto prima dell’esame e il protocollo deve essere approvato dall’appropriato comitato di revisione etica locale. Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dal Comitato Etico Scientifico Regionale e dall’Agenzia danese per la protezione dei dati. 1. Preparazione del soggetto Valutare le storie mediche dei soggetti per assicurarsi che non abbiano disturbi del sistema nervoso precedenti diversi dal gruppo di malattie che verrà stud…

Representative Results

I seguenti risultati sono stati ottenuti in un sottogruppo di pazienti da un recente studio22, in cui c’erano fibs/psws in tutti i siti che mostravano una prossucusia attività di denervazione. I risultati hanno mostrato che i cambiamenti nelle fibre muscolari dopo la denervazione sono stati valutati in vivo utilizzando la tecnica MVRC descritta in questo protocollo. Gli MVRC hanno mostrato cambiamenti coerenti con la depolarizzazione del potenziale della membrana a riposo nelle fibre muscolari ne…

Discussion

Gli MVRC, come programmato nel software di registrazione, sono una procedura altamente automatizzata, ma è necessaria attenzione per ottenere risultati affidabili. Nella fase di registrazione, durante la regolazione degli aghi, è importante evitare di stimolare la zona di fascia terminale o il nervo. Questo di solito porta a grandi contrazioni di tutto il muscolo, che aumenta il rischio di spostamento della stimolazione e/ o registrazione dell’ago durante la registrazione di MVRC. Fino ad oggi, il metodo è stato appli…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo studio è stato sostenuto finanziariamente principalmente dalle due sovvenzioni della Lundbeck Foundation (numero di concessione R191-2015-931 e numero di sovvenzione R290-2018-751). Inoltre, lo studio è stato sostenuto finanziariamente dal Novo Nordisk Foundation Challenge Programme (numero di sovvenzione NNF14OC0011633) come parte del Consorzio Internazionale di Neuropatia Diabetica.

Materials

50 Hz Noise Eliminator Digitimer Ltd Humbug
Analogue-to-Digital Converter National Instruments NI-6221
Analysing software program Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) QtracP, MANAL9
Disposable concentric needle electrode, 25 mm x 30G Natus Dantec DCN
Disposable monopolar needle electrode, 25 mm x 26G Natus TECA elite
Isolated EMG amplifier Digitimer Ltd D440
Isolated linear bipolar constant-current stimulator Digitimer Ltd DS5
Software and recording protocol Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) QtracW software, M3REC3 recording protocol written by Hugh Bostock, Istitute of Neurology, London, UK)

References

  1. Tankisi, H., et al. Pathophysiology inferred from electrodiagnostic nerve tests and classification of polyneuropathies. Suggested guidelines. Clinical Neurophysiology. 116 (7), 1571-1580 (2005).
  2. Gregorio, C. C., Hudecki, M. S., Pollina, C. M., Repasky, E. A. Effects of denervation on spectrin concentration in avian skeletal muscle. Muscle and Nerve. 11 (4), 372-379 (1988).
  3. Kotsias, B. A., Venosa, R. Role of sodium and potassium permeabilities in the depolarization of denervated rat muscle fibers. Journal of Physiology. 392, 301-313 (1987).
  4. Kirsch, G. E., Anderson, M. F. Sodium channel kinetics in normal and denervated rabbit muscle membrane. Muscle and Nerve. 9 (8), 738-747 (1986).
  5. Stalberg, E. Propagation velocity in human muscle fibers in situ. Acta Physiologica Scandinava Supplementum. 287, 1 (1966).
  6. Mihelin, M., Trontelj, J. V., Stalberg, E. Muscle fiber recovery functions studied with double pulse stimulation. Muscle and Nerve. 14 (8), 739-747 (1991).
  7. Z’Graggen, W. J., Bostock, H. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials and their sensitivity to ischemia. Muscle and Nerve. 39 (5), 616-626 (2009).
  8. Bostock, H., Tan, S. V., Boerio, D., Z’Graggen, W. J. Validity of multi-fiber muscle velocity recovery cycles recorded at a single site using submaximal stimuli. Clinical Neurophysiology. 123 (11), 2296-2305 (2012).
  9. Z’Graggen, W. J., Troller, R., Ackermann, K. A., Humm, A. M., Bostock, H. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials: repeatability and variability. Clinical Neurophysiology. 122 (11), 2294-2299 (2011).
  10. Lee, J. H. F., Boland-Freitas, R., Ng, K. Sarcolemmal excitability changes in normal human aging. Muscle and Nerve. 57 (6), 981-988 (2018).
  11. Lee, J. H. F., Boland-Freitas, R., Ng, K. Physiological differences in sarcolemmal excitability between human muscles. Muscle and Nerve. 60 (4), 433-436 (2019).
  12. Humm, A. M., Bostock, H., Troller, R., Z’Graggen, W. J. Muscle ischaemia in patients with orthostatic hypotension assessed by velocity recovery cycles. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 82 (12), 1394-1398 (2011).
  13. Z’Graggen, W. J., et al. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials in chronic renal failure. Clinical Neurophysiology. 121 (6), 874-881 (2010).
  14. Z’Graggen, W. J., et al. Muscle membrane dysfunction in critical illness myopathy assessed by velocity recovery cycles. Clinical Neurophysiology. 122 (4), 834-841 (2011).
  15. Lee, J. H., Boland-Freitas, R., Liang, C., Ng, K. Sarcolemmal depolarization in sporadic inclusion body myositis assessed with muscle velocity recovery cycles. Clinical Neurophysiology. 19 (31205-2), 1388 (2019).
  16. Tan, S. V., Z’Graggen, W. J., Hanna, M. G., Bostock, H. In vivo assessment of muscle membrane properties in the sodium channel myotonias. Muscle and Nerve. 57 (4), 586-594 (2018).
  17. Tan, S. V., et al. In vivo assessment of muscle membrane properties in myotonic dystrophy. Muscle and Nerve. 54 (2), 249-257 (2016).
  18. Tan, S. V., et al. Membrane dysfunction in Andersen-Tawil syndrome assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 46 (2), 193-203 (2012).
  19. Tan, S. V., et al. Chloride channels in myotonia congenita assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 49 (6), 845-857 (2014).
  20. Boland-Freitas, R., et al. Sarcolemmal excitability in the myotonic dystrophies. Muscle and Nerve. 57 (4), 595-602 (2018).
  21. Stalberg, E., et al. Standards for quantification of EMG and neurography. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1688-1729 (2019).
  22. Witt, A., et al. Muscle velocity recovery cycles in neurogenic muscles. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1520-1527 (2019).
  23. Kristensen, R. S., et al. MScanFit motor unit number estimation (MScan) and muscle velocity recovery cycle recordings in amyotrophic lateral sclerosis patients. Clinical Neurophysiology. 130 (8), 1280-1288 (2019).
  24. Marrero, H. G., Stalberg, E. V. Optimizing testing methods and collection of reference data for differentiating critical illness polyneuropathy from critical illness MYOPATHIES. Muscle and Nerve. 53 (4), 555-563 (2016).
  25. Allen, D. C., Arunachalam, R., Mills, K. R. Critical illness myopathy: further evidence from muscle-fiber excitability studies of an acquired channelopathy. Muscle and Nerve. 37 (1), 14-22 (2008).

Play Video

Cite This Article
Witt, A., Bostock, H., Z’Graggen, W. J., Tan, S. V., Kristensen, A. G., Kristensen, R. S., Larsen, L. H., Zeppelin, Z., Tankisi, H. Muscle Velocity Recovery Cycles to Examine Muscle Membrane Properties. J. Vis. Exp. (156), e60788, doi:10.3791/60788 (2020).

View Video