Farelerde Terminal H-refleks Ölçümleri
Summary
Spastisitenin Hoffmann refleksine (H-refleksi) dayanarak ve periferik sinirlerin elektriksel stimülasyonu kullanılarak klinik olarak değerlendirilmesi kanıtlanmış bir yöntemdir. Burada, fare ön pençesinde H-refleks ölçümü için bir terminal ve doğrudan sinir stimülasyonu için bir protokol sağlıyoruz.
Abstract
Hoffmann refleksi (H-refleksi), gerilme refleksine elektriksel bir analog olarak, omurilik hasarı veya felç gibi yaralanmalardan sonra nöral devrelerin bütünlüğünün elektrofizyolojik olarak doğrulanmasını sağlar. H-refleks yanıtının artması, istemsiz kas kasılmaları, patolojik olarak artmış gerilme refleksi ve ilgili kastaki hipertoni gibi semptomlarla birlikte, inme sonrası spastisitenin (PSS) bir göstergesidir.
Oldukça sinir-spesifik olmayan transkutanöz ölçümlerin aksine, burada, H-refleksini doğrudan ön pençenin ulnar ve median sinirlerinde ölçmek için bir protokol sunuyoruz; bu, küçük değişikliklerle, arka pençenin tibial ve siyatik sinirine uygulanabilir. Doğrudan stimülasyona ve farklı sinirlere adaptasyona dayanan yöntem, spastisite ile ilişkili hastalık modellerinde elektrofizyolojik değişiklikleri doğrulamak için güvenilir ve çok yönlü bir aracı temsil eder.
Introduction
Fizyolog Paul Hoffmann’ın adını taşıyan Hoffmann refleksi (H-refleksi), aynı kaslardan kaynaklanan ve aynı kaslara yol açan duyusal ve motor nöronların aksonlarını taşıyan periferik sinirlerin elektriksel uyarımı ile uyandırılabilir. Monosinaptik gerilme refleksinin elektriksel olarak indüklenen analoğudur ve aynı yolu paylaşır1. Kas gerilmesinin aksine, H-refleksi elektriksel stimülasyondan kaynaklanır. Periferik sinirler düşük akım yoğunluğunda elektriksel olarak uyarıldığında, Ia afferent lifleri tipik olarak büyük akson çapları2 nedeniyle ilk önce depolarize edilir. Aksiyon potansiyelleri, omurilikteki alfa motornöronları (αMN’ler) heyecanlandırır ve bu da αMN aksonlarından kaslara doğru ilerleyen aksiyon potansiyellerini ortaya çıkarır (Şekil 1). Bu kaskad, sözde H-dalgasına yansıyan küçük genliğe sahip kaslı bir tepki üretir. Uyaran yoğunluğunu kademeli olarak artırarak, ek motor ünitelerin işe alınması nedeniyle H dalgasının genliği artar. Belirli bir uyaran yoğunluğundan, αMN’lerin daha ince aksonlarındaki aksiyon potansiyelleri doğrudan ortaya çıkar ve bu da M-dalgası olarak kaydedilir. Bu M-dalgası, H-dalgasından daha kısa bir gecikme süresiyle görünür (Şekil 2). Stimülasyon yoğunluğu daha da artarsa, daha fazla αMN aksonunun işe alınması nedeniyle M-dalgasının genliği büyürken, H-dalgası yavaş yavaş küçülür. H-dalgası, αMN aksonlarındaki aksiyon potansiyellerinin antidromik geri yayılımı nedeniyle yüksek uyaran yoğunluklarında bastırılabilir. Bu tetiklenen aksiyon potansiyelleri, Ia stimülasyonundan gelenlerle çarpışır ve böylece birbirlerini iptal edebilir. Supramaksimal uyaran yoğunluklarında, tüm MN aksonlarında ortodromik (kaslara doğru) ve antidromik (omuriliğe doğru) aksiyon potansiyelleri ortaya çıkar; birincisi maksimum M-dalgası genliğine (Mmax) yol açarken, ikincisi H-refleksi3’ün tamamen ortadan kaldırılmasıyla sonuçlanır.
İnme sonrası spastisite (PSS) veya omurilik yaralanmasının (SCI) değerlendirilmesi için, H-refleksi insanlarda hareket ve spastisitenin nöral temelini değerlendirmek için kullanılmıştır1. Ölçümler arasındaki ve denekler arasındaki H-refleksindeki değişimin iyileştirilmiş bir nicelleştirilmesi, H- ve M- dalgasının (H / M oranı) oranı kullanılarak elde edilir. Alternatif olarak, hıza bağlı depresyon (RDD), bir dizi artan frekans (örneğin, 0.1, 0.5, 1.0, 2.0 ve 5.0 Hz) kullanılarak ölçülür. RDD, inme veya SCI tarafından bozulabilecek inhibitör devrelerin bütünlüğünü yansıtır. Tüm nöral devreler sağlam olduğunda, H-refleksinin tekdüze, frekanstan bağımsız bir baskılanması vardır. Bununla birlikte, inme veya SCI sonucu azalmış nöral inhibisyon varsa, H-refleksinin baskılanması, artan stimülasyon frekansı4 ile azalır.
Yüzey elektrotları kullanılarak doğru elektrofizyolojik kayıt yapmak zor olabilir ve motor görevlerden, inhibitör mekanizmalardan ve αMN uyarılabilirliğinden etkilenebilir5. Kemirgenlerde transkutanöz kayıtta, tibial sinirin yanına bir uyaran elektrodu yerleştirilir ve ön pençedeki ilgili kasların yanına bir kayıt elektrodu yerleştirilir. Bununla birlikte, deneyimlerimize göre, transkutanöz elektrotların doğru yerleştirilmesi (Şekil 1A), kemirgenlerde insanlarda yüzey elektrodu yerleşiminden daha karmaşık ve değişkendir. Bu, H-refleksini ortaya çıkarmak için gerekli uzunluk, frekans ve stimülasyon yoğunluğunda farklılıklara yol açabilir. Bu metodolojik zorluklar, neden çok sınırlı sayıda H-refleks ölçüm çalışması olduğunu açıklayabilir (örneğin, deneysel inme modellerinde 3,4 ve diğer spastisite modellerinde6). H-refleksinin bireysel sinirler üzerinde hassas (uzun süreli) bir şekilde uyarılması ve kaydedilmesi, prensip olarak, hedef sinir 7,8’i çevreleyen implante edilebilir elektrotlar kullanılarak elde edilebilir. Hayvan için potansiyel yan etkileri olan zorlu cerrahi ve probun potansiyel dengesizliği nedeniyle, bu yaklaşım sahada bir standart haline gelmemiştir. Burada sunulan yöntem aynı zamanda bazı cerrahi uzmanlık gerektirir. Bununla birlikte, komşu sinirlerin eşzamanlı uyarılmasını önleyen düşük stimülasyon yoğunluklarını kullanarak izole sinirlerin in vivo olarak yeni, hassas bir şekilde uyarılmasına ve kaydedilmesine izin verir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fare6’da daha önce tarif edilen transkutanöz H-refleks ölçümlerinin aksine, daha doğrudan ve sinire özgü bir ölçüm sağlıyoruz. Bu yeni yaklaşım, ön ve arka ekstremite sinirlerine (örneğin, sırasıyla medyan, ulnar ve radyal sinirler ve tibial ve siyatik sinirler) uygulanabilir, bu da bu yöntemi birçok hastalık modeline (örneğin, inme, multipl skleroz, amiyotrofik lateral skleroz, travmatik beyin hasarı ve omurilik yaralanması) tanısal bir araç olarak uyarlanabilir hale …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, MG’nin laboratuvarına yaptığı bir ziyaret sırasında Dalhousie Üniversitesi’nden T. Akay’ın desteğini minnetle kabul ediyorlar. Bu çalışma Friebe Vakfı (T0498/28960/16) ve Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Alman Araştırma Vakfı) – Proje Kimliği 431549029 – SFB 1451 tarafından finanse edilmiştir.
Materials
| Absorbent underpad | VWR | 115-0684 | |
| AD converter | Cambridge Electronic Design, UK | CED 1401micro | |
| Amplifier | Workshop Zoological Institute, UoC | – | |
| Digital stimulator | Workshop Zoological Institute, UoC | MS 501 | |
| EMG electrodes | Workshop Zoological Institute, UoC | Two twisted, insulated copper wires (50 µm outer diameter) were soldered to a male plug and connected to a differential amplifier. | |
| Eye ointment | Bayer | Bepanthen | |
| Glass pipette | Workshop Zoological Institute, UoC | – | Prepare a glass pipette bent into a simple glass hook in the flame of a Bunsen burner. |
| Heating box | MediHeat | MediHeat V1200 | |
| Heating pad | WPI | 61840 Heating pad | |
| Hook electrodes | Workshop Zoological Institute, UoC | – | To produce the electrodes, bend stainless steel miniature pins into hooks at one end and insert into blunt cannulas to create direct mechanical contact. Solder the end of the cannula to copper wires (length approx. 50 cm), which are connected to either stimulation or recording device. |
| Ketamine | Pfizer | Ketavet | |
| Rectal probe | WPI | RET-3 | |
| Stimulator isolation unit | Workshop Zoological Institute, UoC | MI 401 | |
| Sterilizer | CellPoint Scientific | Germinator 500 | Routine pre- and post-operative disinfection of the surgical equipment should be done by heat sterilization. Decontaminate instruments for 15 s in the heated glass bead bath (260°C). |
| Temperature controller | WPI | ATC200 | |
| Vaseline | Bayer | – | |
| Xylazine | Bayer | Rompun |
References
- Palmieri, R. M., Ingersoll, C. D., Hoffman, M. A. The Hoffmann reflex: methodologic considerations and applications for use in sports medicine and athletic training research. Journal of Athletic Training. 39 (3), 268-277 (2004).
- Henneman, E., Somjen, G., Carpenter, D. O. Excitability and inhibitibility of motoneurons of different sizes. Journal of Neurophysiology. 28 (3), 599-620 (1965).
- Toda, T., Ishida, K., Kiyama, H., Yamashita, T., Lee, S. Down-regulation of KCC2 expression and phosphorylation in motoneurons, and increases the number of in primary afferent projections to motoneurons in mice with post-stroke spasticity. PLoS ONE. 9 (12), 114328 (2014).
- Lee, S., Toda, T., Kiyama, H., Yamashita, T. Weakened rate-dependent depression of Hoffmann’s reflex and increased motoneuron hyperactivity after motor cortical infarction in mice. Cell Death & Disease. 5 (1), 1007 (2014).
- Knikou, M. The H-reflex as a probe: Pathways and pitfalls. Journal of Neuroscience Methods. 171 (1), 1-12 (2008).
- Wieters, F., et al. Introduction to spasticity and related mouse models. Experimental Neurology. 335, 113491 (2020).
- Pearson, K. G., Acharya, H., Fouad, K. A new electrode configuration for recording electromyographic activity in behaving mice. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 36-42 (2005).
- Akay, T. Long-term measurement of muscle denervation and locomotor behavior in individual wild-type and ALS model mice. Journal of Neurophysiology. 111 (3), 694-703 (2014).
- Haghighi, S. S., Green, D. K., Oro, J. J., Drake, R. K., Kracke, G. R. Depressive effect of isoflurane anesthesia on motor evoked potentials. Neurosurgery. 26 (6), 993 (1990).
- Chang, H. -. Y., Havton, L. A. Differential effects of urethane and isoflurane on external urethral sphincter electromyography and cystometry in rats. American Journal of Physiology-Renal Physiology. 295 (4), 1248-1253 (2008).
- Nolan, J. P. Section 4: Nervous system (Br. J. Pharmacol). Clinical pharmacology. , 295-310 (2012).
- Struck, M. B., Andrutis, K. A., Ramirez, H. E., Battles, A. H. Effect of a short-term fast on ketamine-xylazine anesthesia in rats. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science: JAALAS. 50 (3), 344-348 (2011).
- Zandieh, S., Hopf, R., Redl, H., Schlag, M. G. The effect of ketamine/xylazine anesthesia on sensory and motor evoked potentials in the rat. Spinal Cord. 41 (1), 16-22 (2003).
