Ciclos de recuperación de velocidad muscular para examinar las propiedades de la membrana muscular
Summary
Aquí se presenta un protocolo para el registro de ciclos de recuperación de velocidad muscular (MVRC), un nuevo método de examen de las propiedades de la membrana muscular. Los MVRC permiten la evaluación in vivo del potencial de la membrana muscular y alteraciones en la función del canal de iones musculares en relación con la patología, y permite la demostración de la despolarización muscular en los músculos neurogénicos.
Abstract
Aunque los estudios de conducción nerviosa convencional (NCS) y la electromiografía (EMG) son adecuados para el diagnóstico de trastornos neuromusculares, proporcionan información limitada sobre las propiedades de la membrana de la fibra muscular y los mecanismos subyacentes de la enfermedad. Los ciclos de recuperación de velocidad muscular (MVRC) ilustran cómo la velocidad de un potencial de acción muscular depende del tiempo después de un potencial de acción anterior. Los MVRC están estrechamente relacionados con los cambios en el potencial de la membrana que siguen un potencial de acción, proporcionando así información sobre las propiedades de la membrana muscular. Los MVRC se pueden grabar rápida y fácilmente mediante estimulación directa y grabación a partir de paquetes multifibra in vivo. Los MVRC han sido útiles para entender los mecanismos de la enfermedad en varios trastornos neuromusculares. Los estudios realizados en pacientes con canalopatías han demostrado los diferentes efectos de mutaciones específicas del canal iónico en la excitabilidad muscular. Los MVRC se han probado previamente en pacientes con músculos neurogénicos. En este estudio previo, el período de refracción relativa muscular (MRRP) se prolongó, y la supernormalidad temprana (ESN) y la supernormalidad tardía (LSN) se redujeron en pacientes en comparación con controles saludables. De este modo, los MVRC pueden proporcionar evidencia in vivo de despolarización de la membrana en las fibras musculares humanas intactas que subyacen a su reducida excitabilidad. El protocolo presentado aquí describe cómo grabar MVRCs y analizar las grabaciones. Los MVRC pueden servir como un método rápido, simple y útil para revelar los mecanismos de la enfermedad en una amplia gama de trastornos neuromusculares.
Introduction
Los estudios de conducción nerviosa (NCS) y la electromiografía (EMG) son los métodos electrofisiológicos convencionales utilizados para el diagnóstico de trastornos neuromusculares. El NCS permite la detección de pérdida axonal y desmielinización en los nervios1, mientras que EMG puede diferenciar si la miopatía o los cambios neurogénicos están presentes en el músculo debido al daño nervioso. Sin embargo, NCS o EMG proporcionan información limitada sobre las propiedades de la membrana de la fibra muscular y los mecanismos subyacentes de la enfermedad. Esta información se puede lograr utilizando electrodos intracelulares en músculos aislados de biopsias musculares2,3,4. Sin embargo, es de importancia clínica utilizar metodologías utilizando grabaciones de músculos intactos en pacientes.
La velocidad de una segunda acción de fibra muscular potencial cambia en función del retraso después de los primeros5, y esta función de recuperación de velocidad (o ciclo de recuperación) se ha demostrado para cambiar en los músculos distróficos o denervados. El rendimiento de tales grabaciones de fibras musculares individuales fue, sin embargo, demasiado bajo para ser de utilidad como una herramienta clínica6. Sin embargo, Z’Graggen y Bostock más tarde encontraron que las grabaciones multifibra, obtenidas mediante estimulación directa y grabación del mismo paquete de fibras musculares, proporcionan un método rápido y sencillo para obtener dichas grabaciones in vivo7. En este método se utiliza una secuencia de estímulos eléctricos de pulso emparejados con diferentes intervalos interestímulos (ISI) en este método7,8,9,10,11.
Los parámetros MVRC evaluados incluyen lo siguiente: 1) período refractario relativo muscular (MRRP), que es la duración después de un potencial de acción muscular hasta que se puede provocar el siguiente potencial de acción; 2) supernormalidad temprana (ESN); y 3) supernormalidad tardía (LSN). ESN y LSN son los períodos posteriores al período refractario en el que los potenciales de acción se llevan a cabo a lo largo de la membrana muscular más rápido de lo normal. El postpotencial despolarizante, y la acumulación de potasio en los t-tubules del músculo respectivamente, se hipotetiza como las principales causas para los dos períodos de supernormalidad.
La amplia aplicabilidad de los MVRC a los trastornos musculares se ha demostrado en la detección de la despolarización de la membrana en isquemia7,10,12 y la insuficiencia renal13, así como proporcionar información sobre las anomalías de la membrana muscular en la miopatía enfermedad crítica14 y la miositis corporal de inclusión15. Desde entonces se han introducido la rampa de frecuencia y los protocolos intermitentes de simulación de 15 Hz y 20 Hz. Los MVRC, junto con estos protocolos adicionales, han demostrado los diferentes efectos sobre la excitabilidad de la membrana muscular relacionados con mutaciones de pérdida de función o ganancia de función en varios canales de iones musculares en las canalopatías iónicos musculares heredadas (es decir, miotonía del canal de sodio, paramiotonía congenita16,distrofiamiotónica17,síndrome de Andersen-Tawil18y miotonía congenita190).
En un estudio reciente, la aplicabilidad de los MVRC a los músculos neurogénicos se demostró por primera vez. El término “músculo neurogénico” se refiere a los cambios secundarios en los músculos esqueléticos que se desarrollan como denervación y reinnervación después de cualquier lesión a las células de cuerno anteriores o axónes motores. La denervación se caracteriza en EMG como actividad espontánea (es decir, fibrilaciones [fibs] y ondas afiladas positivas [psws]), mientras que grandes potenciales de unidades motoras con duración prolongada y mayor amplitud presentan reinnervación21. Los cambios en la EMG son evidentes en los músculos denervados, pero los cambios celulares subyacentes en los potenciales de la membrana de la fibra muscular sólo se han demostrado en estudios experimentales sobre el tejido muscular aislado2,3,4. Los MVRC proporcionan más información sobre las propiedades de la membrana muscular humana in vivo con respecto al proceso de denervación.
Este documento describe en detalle la metodología de los MVRC. También resume los cambios en los músculos neurogénicos en un subgrupo de pacientes de un estudio reportado previamente22 y sujetos de control saludables que permite determinar si el método es apropiado para un estudio planificado.
Las grabaciones se están realizando utilizando un protocolo de grabación que forma parte de un programa de software. Otros equipos utilizados son un estimulador de corriente constante bipolar lineal aislado, eliminador de ruido de 50 Hz, amplificador de electromiografía aislado y convertidor analógico a digital.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los MVRC, según lo programado en el software de grabación, es un procedimiento altamente automatizado, pero se necesita cuidado para obtener resultados confiables. En la etapa de grabación, mientras se ajustan las agujas, es importante evitar estimular la zona de la placa final o el nervio. Esto generalmente conduce a grandes contracciones de todo el músculo, lo que aumenta el riesgo de desplazamiento de la estimulación y / o aguja de grabación durante la grabación de MVRCs. Hasta la fecha, el método se ha aplica…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio fue apoyado financieramente principalmente por las dos subvenciones de la Fundación Lundbeck (número de subvención R191-2015-931 y número de subvención R290-2018-751). Además, el estudio fue apoyado financieramente por el Programa de Desafío de la Fundación Novo Nordisk (número de subvención NNF14OC0011633) como parte del Consorcio Internacional de Neuropatía Diabética.
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
- Tankisi, H., et al. Pathophysiology inferred from electrodiagnostic nerve tests and classification of polyneuropathies. Suggested guidelines. Clinical Neurophysiology. 116 (7), 1571-1580 (2005).
- 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).
- 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).
- Kirsch, G. E., Anderson, M. F. Sodium channel kinetics in normal and denervated rabbit muscle membrane. Muscle and Nerve. 9 (8), 738-747 (1986).
- Stalberg, E. Propagation velocity in human muscle fibers in situ. Acta Physiologica Scandinava Supplementum. 287, 1 (1966).
- Mihelin, M., Trontelj, J. V., Stalberg, E. Muscle fiber recovery functions studied with double pulse stimulation. Muscle and Nerve. 14 (8), 739-747 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lee, J. H. F., Boland-Freitas, R., Ng, K. Sarcolemmal excitability changes in normal human aging. Muscle and Nerve. 57 (6), 981-988 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tan, S. V., et al. In vivo assessment of muscle membrane properties in myotonic dystrophy. Muscle and Nerve. 54 (2), 249-257 (2016).
- Tan, S. V., et al. Membrane dysfunction in Andersen-Tawil syndrome assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 46 (2), 193-203 (2012).
- Tan, S. V., et al. Chloride channels in myotonia congenita assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 49 (6), 845-857 (2014).
- Boland-Freitas, R., et al. Sarcolemmal excitability in the myotonic dystrophies. Muscle and Nerve. 57 (4), 595-602 (2018).
- Stalberg, E., et al. Standards for quantification of EMG and neurography. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1688-1729 (2019).
- Witt, A., et al. Muscle velocity recovery cycles in neurogenic muscles. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1520-1527 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
