Summary
Den kliniske evaluering af spasticitet baseret på Hoffmann-refleksen (H-refleks) og anvendelse af elektrisk stimulering af perifere nerver er en etableret metode. Her giver vi en protokol til en terminal og direkte nervestimulering til H-reflekskvantificering i musens forpote.
Abstract
Hoffmann-refleksen (H-refleks), som en elektrisk analog til strækrefleksen, tillader elektrofysiologisk validering af integriteten af neurale kredsløb efter skader som rygmarvsskader eller slagtilfælde. En stigning i H-refleksresponsen sammen med symptomer som ikke-frivillige muskelsammentrækninger, patologisk forstærket strækrefleks og hypertoni i den tilsvarende muskel er en indikator for spasticitet efter slagtilfælde (PSS).
I modsætning til temmelig nerve-uspecifikke transkutane målinger præsenterer vi her en protokol til kvantificering af H-refleksen direkte ved forpotens ulnar- og mediannerver, som med mindre modifikationer kan anvendes til bagpotens tibiale og iskiasnerve. Baseret på den direkte stimulering og tilpasningen til forskellige nerver repræsenterer metoden et pålideligt og alsidigt værktøj til at validere elektrofysiologiske ændringer i spasticitetsrelaterede sygdomsmodeller.
Introduction
Hoffmann-refleksen (H-refleks), opkaldt efter fysiologen Paul Hoffmann, kan fremkaldes ved elektrisk stimulering af perifere nerver, som bærer axoner af sensoriske og motoriske neuroner, der stammer fra og fører til de samme muskler. Det er den elektrisk inducerede analog af den monosynaptiske strækrefleks og deler den samme vej1. I modsætning til muskelstrækningen skyldes H-refleksen elektrisk stimulering. Når perifere nerver stimuleres elektrisk ved lav strømintensitet, depolariseres de Ia-afferente fibre typisk først på grund af deres store axondiameter2. Deres handlingspotentialer ophidser alfamotorneuroner (αMN’er) i rygmarven, hvilket igen fremkalder handlingspotentialer, der bevæger sig ned ad αMN-axonerne mod musklen (figur 1). Denne kaskade genererer et muskulært respons med lille amplitude, afspejlet i den såkaldte H-bølge. Ved gradvist at øge stimulusintensiteten øges amplituden af H-bølgen på grund af rekrutteringen af yderligere motoriske enheder. Fra en bestemt stimulusintensitet fremkaldes handlingspotentialer i de tyndere axoner af αMN’erne direkte, hvilket registreres som M-bølgen. Denne M-bølge vises med en kortere latenstid end H-bølgen (figur 2). Hvis stimuleringsintensiteten øges yderligere, bliver amplituden af M-bølgen større på grund af rekrutteringen af flere αMN-axoner, mens H-bølgen gradvist bliver mindre. H-bølgen kan undertrykkes ved høje stimulusintensiteter på grund af antidromisk tilbageformering af aktionspotentialer i αMN-axonerne. Disse udløste handlingspotentialer kolliderer med dem fra Ia-stimuleringen og kan således annullere hinanden. Ved supramaksimale stimulusintensiteter forekommer ortodromiske (mod musklen) og antidromiske (mod rygmarven) handlingspotentialer i alle MN-axoner; førstnævnte giver anledning til den maksimale M-bølgeamplitude (Mmax), mens sidstnævnte resulterer i fuldstændig afskaffelse af H-refleks3.
Til evaluering af post-stroke spasticitet (PSS) eller rygmarvsskade (SCI) er H-refleksen blevet brugt til at vurdere det neurale grundlag for bevægelse og spasticitet hos mennesker1. En forbedret kvantificering af ændringen i H-refleksen mellem målinger og mellem emner opnås ved at anvende forholdet mellem H- og M-bølgen (H/M-forholdet). Alternativt måles den hastighedsafhængige depression (RDD) ved hjælp af et sæt stigende frekvenser (f.eks. 0,1, 0,5, 1,0, 2,0 og 5,0 Hz). RDD afspejler integriteten af hæmmende kredsløb, der kan forstyrres af slagtilfælde eller SCI. Når alle neurale kredsløb er intakte, er der en ensartet, frekvensuafhængig undertrykkelse af H-refleksen. Men hvis der er reduceret neural hæmning som følge af slagtilfælde eller SCI, falder undertrykkelsen af H-refleksen med stigende stimuleringsfrekvens4.
Den korrekte elektrofysiologiske registrering ved hjælp af overfladeelektroder kan være udfordrende og kan påvirkes af motoriske opgaver, hæmmende mekanismer og αMN excitabilitet5. I den transkutane optagelse hos gnavere placeres en stimuluselektrode nær tibialnerven, og en optageelektrode placeres nær de relaterede muskler i forpoten. Ifølge vores erfaring er den korrekte placering af de transkutane elektroder (figur 1A) imidlertid endnu mere kompleks og variabel hos gnavere end overfladeelektrodeplacering hos mennesker. Dette kan føre til forskelle i længde, frekvens og stimuleringsintensitet, der er nødvendig for at fremkalde H-refleksen. Disse metodiske udfordringer kan forklare, hvorfor der kun er et meget begrænset antal H-refleksmålestudier (f.eks. i eksperimentelle slagmodeller 3,4 og andre spasticitetsmodeller6. En præcis (langvarig) stimulering og registrering af H-refleksen på individuelle nerver kunne i princippet opnås ved hjælp af implanterbare elektroder omkring målnerven 7,8. På grund af den udfordrende operation med potentielle bivirkninger for dyret og potentiel ustabilitet af sonden er denne tilgang ikke blevet en standard på området. Den metode, der præsenteres her, kræver også en vis kirurgisk ekspertise. Det tillader imidlertid en ny, præcis stimulering og registrering af isolerede nerver in vivo ved hjælp af lave stimuleringsintensiteter, hvilket undgår samtidig stimulering af nabonerver.
Protocol
Representative Results
Discussion
I modsætning til tidligere beskrevne transkutane H-refleksmålinger i mus6, giver vi en mere direkte og nervespecifik måling. Denne nye tilgang kan anvendes på nerverne i for- og bagbenet (fx median-, ulnar- og radiale nerver og henholdsvis tibiale og iskiasnerver), hvilket gør denne metode tilpasningsdygtig som et diagnostisk værktøj til mange sygdomsmodeller (fx slagtilfælde, multipel sklerose, amyotrofisk lateral sklerose, traumatisk hjerneskade og rygmarvsskade). Afhængigt af den valgt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender taknemmeligt støtte fra T. Akay, Dalhousie University, under et besøg af MG på hans laboratorium. Dette arbejde blev støttet af midler fra Friebe Foundation (T0498/28960/16) og Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – Project-ID 431549029 – SFB 1451.
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).
