Nicht-invasive Beurteilung von Veränderungen der kortikomotoneuronalen Übertragung bei Menschen

Summary

Ziel der vorliegenden Studie war es, Veränderungen der Transmission bei den kortikomotoneuronalen Synapsen beim Menschen nach repetitiver transkranieller Magnetstimulation zu beurteilen. Zu diesem Zweck wird eine elektrophysiologische Methode eingeführt, die eine Beurteilung der pfadspezifischen kortikospinalen Transmission ermöglicht, dh die Differenzierung von schnellen, direkten kortikospinalen Wegen aus polysynaptischen Verbindungen.

Abstract

Der kortikospinale Weg ist der Hauptweg, der das Gehirn mit den Muskeln verbindet und daher für die Bewegungssteuerung und das motorische Lernen sehr wichtig ist. Es gibt eine Reihe von nichtinvasiven elektrophysiologischen Methoden, die die Erregbarkeit und Plastizität dieses Weges untersuchen. Allerdings basieren die meisten Methoden auf der Quantifizierung von Compoundpotentialen und vernachlässigen, dass der kortikospinale Weg aus vielen verschiedenen Verbindungen besteht, die mehr oder weniger direkt sind. Hier stellen wir eine Methode vor, die die Erregung der verschiedenen Fraktionen der kortikospinalen Übertragung ermöglicht. Diese sogenannte H-Reflex-Konditionierungstechnik ermöglicht es, die Erregbarkeit der schnellsten (monosynaptischen) und auch polysynaptischen Kortikospinalwege zu beurteilen. Darüber hinaus ermöglicht es durch die Verwendung von zwei verschiedenen Stimulationsstellen, der motorischen Kortex und der zervikomedullären Kreuzung, nicht nur die Differenzierung zwischen kortikalen und spinalen Effekten, sondern auch die Bewertung der Transmission am CorticomOtoneurale synapse In diesem Manuskript beschreiben wir, wie diese Methode zur Bewertung der kortikomotonischen Transmission nach einer niederfrequenten repetitiven transkraniellen magnetischen Stimulation verwendet werden kann, ein Verfahren, das bisher gezeigt wurde, um die Erregbarkeit von kortikalen Zellen zu reduzieren. Hier zeigen wir, dass nicht nur kortikale Zellen von dieser repetitiven Stimulation betroffen sind, sondern auch die Übertragung an der kortikomotoneuronalen Synapse auf der Wirbelsäule. Diese Erkenntnis ist wichtig für das Verständnis der grundlegenden Mechanismen und Standorte der Neuroplastizität. Neben der Untersuchung von Grundmechanismen kann die H-Reflex-Konditionierungstechnik angewendet werden, um Veränderungen der kortikospinalen Transmission nach Verhaltensweisen ( zB Training) oder therapeutischen Interventionen, Pathologie oder Alterung zu untersuchen und ermöglicht so ein besseres Verständnis von neuronalen Prozessen, die Bewegungssteuerung und Motor zugrunde liegen Lernen.

Introduction

Bei den Primaten bildet der Kortikospinaltrakt den Hauptabsenkungsweg, der freiwillige Handlungen kontrolliert ¹ . Der kortikospinale Weg verbindet motorische kortikale Bereiche mit spinalen α-Motoneuronen über direkte monosynaptische kortikomotoneuronale Verbindungen und über indirekte oligo- und polysynaptische Verbindungen ^{2 , 3} . Obwohl die motorische Kortikalis durch die transkranielle magnetische Stimulation (TMS) leicht nicht invasiv erregt werden kann, ist die evozierte elektromyographische Antwort auf diese Stimulation oft schwer zu interpretieren. Der Grund dafür ist, dass die Verbindung Motor Evoked Potential (MEP) durch Veränderungen in der Erregbarkeit von intrakortikalen und kortikospinalen Neuronen, Wirbelsäulen-Interneuronen und Wirbelsäule α-Motoneuronen ^{4 , 5 , 6 , 7} beeinflusst werden ^kann . Mehrere nichtinvasive elektrophysiologiCal-Techniken und Stimulationsprotokolle zielen darauf ab, festzustellen, ob Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit und Transmission durch Veränderungen am kortikalen oder spinalen Niveau verursacht werden. Häufig werden Veränderungen in der Amplitude des elektrisch evozierten H-Reflexes als "Indikativ" von Veränderungen der Erregbarkeit am Motoneuron-Pool verwendet. Es wurde jedoch bereits gezeigt, dass der H-Reflex nicht nur von der Erregbarkeit des Motoneuron-Pools abhängt, sondern auch durch andere Faktoren wie die präsynaptische Inhibition ^{8 , 9} oder die homosynaptische Nachaktivierungsdepression ^{5 , 10} moduliert ^wird . Eine weitere Einschränkung beim Vergleich von Abgeordneten und H-Reflexen ist die Behinderung, um Erregbarkeitsänderungen auf der interneuronalen Ebene ^{11 , 12} zu erkennen. Zusätzlich zu diesen Nachteilen können die Motoneurone durch periphere Nervenstimulation anders als wi aktiviert werdenTh TMS, so dass Änderungen in der motoneuronalen Erregbarkeit diese Reaktionen in einer anderen Art von Weise beeinflussen würden, verglichen mit Antworten, die über den kortikospinalen Weg ^{13 , 14 , 15} vermittelt ^wurden .

Eine andere Methode, die verwendet wird, um die Wirbelsäule von kortikalen Effekten zu trennen, repräsentiert die transkranielle elektrische Stimulation (TES) des motorischen Kortex ¹⁶ . Bei niedrigen Stimulationsintensitäten angewandt, wurde TES von Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit nicht beeinflusst. Da sowohl TES als auch TMS die α-Motoneurone über den kortikospinalen Weg aktivieren, bietet der Vergleich von magnetisch und elektrisch evozierten Abgeordneten ein attraktiveres Verfahren, um Rückschlüsse auf die kortikale Natur von Veränderungen in der Größe der Abgeordneten zu ziehen als der Vergleich zwischen H-Reflexen Und Abgeordneten. Wenn jedoch die Stimulationsintensität erhöht wird, werden auch die TES-evozierten Abgeordneten durch Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit beeinflusstSup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Dieses Problem kann umgangen werden, wenn eine elektrische Stimulation nicht auf den motorischen Kortex angewendet wird, sondern an der zervikomedullären Kreuzung. Allerdings, obwohl elektrische Stimulation kann zervikomedulläre motorischen evozierten Potenziale (cMEPs) in der oberen Extremität und unteren Extremitäten Muskeln hervorrufen, die meisten Themen nehmen elektrische Stimulation am Hirnstamm (und Kortex) als äußerst unangenehm und schmerzhaft. Eine weniger schmerzhafte Alternative besteht darin, den kortikospinalen Weg an der Zervikämund-Kreuzung durch Verwendung der magnetischen Stimulation an der Inion ^{19 zu} aktivieren. Es ist allgemein anerkannt, dass Cervicomedullary Magnetic Stimulation (CMS) viele der gleichen absteigenden Fasern als motorische kortikale TMS aktiviert und dass Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit durch Vergleich von Abgeordneten mit cMEPs ¹⁹ nachgewiesen werden können. Erhöhungen der Erregbarkeit von intrakortikalen Zellen und kortikomotoneuronalen Zellen sollen die Kortikale erleichternEvozierte MdEP ohne gleichzeitige Veränderung des zervikomedullären evozierten MdEP.

Bei den meisten Probanden ist es jedoch unmöglich, in der unteren Extremität in Ruhe ^{20 , 21} magnetisch evozierte cMEPs zu erhalten. Ein Ansatz zur Überwindung dieses Problems besteht darin, die Erregbarkeit der Wirbelsäulen-Motoneuronen durch freiwillige Vorbeugung des Zielmuskels zu erhöhen. Es ist jedoch bekannt, dass geringfügige Änderungen der Kontraktionsstärke die Größe des cMEP beeinflussen. So ist es schwierig, verschiedene Aufgaben zu vergleichen. Darüber hinaus werden Veränderungen in der motoneuronalen Erregbarkeit aufgrund der Vorkontraktion die Abgeordneten und cMEPs beeinflussen, aber nicht notwendigerweise in gleichem Maße. Schließlich geht es beim Vergleich von zusammengesetzten MdEPs mit zusammengesetzten cMEPs um einige Informationen, die in den absteigenden Volleys enthalten sind, verloren. Dies wurde durch Studien mit der Konditionierung des H-Reflexes von soleus, tibialis anterior und carpi radialis Muskeln durch magnetische motorische kortikale stimulaten aufgedecktAuf ^{12 , 22} . Durch die Kombination von peripherer Nervenstimulation und TMS über die motorische Kortikalis mit spezifischen Interstimulusintervallen (ISI) ist es möglich, erleichternde und hemmende Effekte der verschiedenen absteigenden Volleys auf dem H-Reflex zu untersuchen. Diese Technik ist sehr inspiriert durch die räumliche Erleichterungstechnik, die verwendet wird, um die Übertragung in neuronalen Bahnen in Tierversuchen zu bestimmen, und kann als eine nicht-invasive, indirekte Version dieser Technik angesehen werden ²³ . Während der H-Reflex nicht nur wichtig ist, zwischen verschiedenen Fraktionen des kortikospinalen Weges zu unterscheiden (schnelle versus langsamere kortikospinale Projektionen), ist es auch notwendig, die Wirbelsäulenerregbarkeit kontrolliert und vergleichbar zu heben. So ermöglicht diese Kombination von Stimulationstechniken in Ruhe und während der Aktivität die Bewertung von Veränderungen in verschiedenen Fraktionen des kortikospinalen Weges mit einer hohen zeitlichen Auflösung, dh in tDie schnellsten, vermutlich monosynaptischen kortikomotoneuronalen Verbindungen und in langsameren oligo- und polysynaptischen Bahnen ^{12 , 22 , 24 , 25} . In jüngster Zeit wurde diese Technik nicht nur durch die Konditionierung des H-Reflexes mit TMS über den motorischen Kortex (M1-Konditionierung) erweitert, sondern auch durch zusätzliche Konditionierungsstimulation an der Zervikämund-Kreuzung (CMS-Konditionierung) ²⁶ . Durch den Vergleich von Effekten zwischen M1- und CMS-Konditionierung ermöglicht diese Technik eine pfadspezifische Differenzierung mit einer hohen zeitlichen Auflösung und ermöglicht Interpretationen auf kortikalen und spinalen Mechanismen. Darüber hinaus und vor allem in Bezug auf die aktuelle Studie, diese Technik ermöglicht die Beurteilung der Übertragung an der kortikomotoneuralen Synapse bei der Betrachtung der frühen Erleichterung. Die frühzeitige Erleichterung des H-Reflexes ist aller Wahrscheinlichkeit nach durch Aktivierung bedingtVon direkten, monosynaptischen kortikomotonischen Projektionen an die Wirbelsäule Motoneurone ^{12 , 26} . Um die schnellsten kortikospinalen Wege zu testen und damit die frühe Erleichterung, muss der H-Reflex 2 bis 4 ms vor dem TMS hervorgerufen werden. Der Grund hierfür ist die etwas kürzere Latenz des MEP (ca. 32 ms, siehe ²⁷ ) im Vergleich zum H-Reflex (ca. 34 ms, siehe ²⁵ ). Der H-Reflex kurz vor der Anwendung von TMS zu lösen, führt zur Konvergenz der aufsteigenden und schnellsten absteigenden Erregungen auf der Ebene der Wirbelsäulen-Motoneurone. Wenn TMS über die Cervicomedullary-Kreuzung angewendet wird, wird die absteigende Volley etwa 3 – 4 ms früher am spinalen Motoneuron-Pool ankommen als nach Stimulation über M1. Für die CMS-Konditionierung sollte daher die periphere Nervenstimulation 6 – 8 ms vor dem magnetischen Puls hervorgerufen werden. Eine Veränderung der frühen Erleichterung nach CMS-Konditionierung zeigt differential trVorahnung an der Synapse zwischen dem Kortikospinaltrakt und dem α-Motoneuron ²⁸ . In der aktuellen Studie wurde diese neu entwickelte Technik verwendet, um die Wirbelsäule von kortikalen Effekten nach niederfrequenten repetitiven TMS (rTMS) zu differenzieren. Genauer gesagt haben wir vermutet, dass, wenn die frühe Erleichterung mit M1-Konditionierung nach der rTMS-Intervention reduziert wird, aber die frühe Erleichterung nach CMS-Konditionierung nicht ist, sollte die Wirkung rein kortikaler Herkunft sein. Im Gegensatz dazu, wenn sich die frühe Erleichterung mit CMS-Konditionierung auch ändert, sollte diese Veränderung mit Mechanismen in Verbindung stehen, die auf der Wirbelsäule stattfinden. Genauer gesagt, da die frühe Erleichterung des H-Reflexes durch die Aktivierung von direkten, corticomotoneuronalen Projektionen auf die Wirbelsäule Motoneurone ^{12 , 29} , eine Veränderung des CMS- und M1-konditionierten H-Reflexes zum Zeitpunkt des Frühe Erleichterung sollte angebenE eine veränderte corticomotoneuronale Übertragung dh synaptische Wirksamkeit ²⁸ .

Protocol

Dieses Protokoll wurde vom örtlichen Ethikkomitee genehmigt und die Versuche entsprechen der Erklärung von Helsinki (1964). 1. Gegenstand Vorbereitung HINWEIS: Betreff-Instruktionen – Bevor Sie mit dem Experiment beginnen, beauftragen Sie jedes Thema über den Zweck der Studie und mögliche Risikofaktoren. Für die transkranielle magnetische Stimulation (TMS) umfassen medizinische Risiken jede Geschichte epileptischer Anfälle, geistige Implantat…

Representative Results

Auftreten der frühen Erleichterung nach M1- und CMS-Konditionierung H-Reflex-Konditionierung mit TMS über M1 führte zu einer frühen Erleichterung, die um ISI -3 & -4 ms auftrat. Die frühe Erleichterung nach CMS-Konditionierung erfolgte etwa 3 ms früher (ISI -6 & -7 ms). Beispielhafte ISI-Kurven eines Subjekts sind in Abbildung 1 dargestellt. In der vorliegenden Studie …

Discussion

Das hier beschriebene H-Reflex-Konditionierungsverfahren wurde speziell auf die akute Veränderung der Transmission über die kortikomotoneuronale Synapse nach einer wiederholten Aktivierung des kortikospinalen Wegs ^{28 hin} untersucht. In dieser Hinsicht hat die H-Reflex-Konditionierung hervorgehoben, dass rTMS nicht nur die Erregbarkeit von kortikalen Strukturen beeinflusst, sondern auch eine Wirkung auf die kortikomotoneäre Transmission an der kortikomotonischen Synapse hat. Allerdings kann die…

Materials

Self-adhesive EMG electrodes	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to record EMG signals
Electrical stimulator	Digitimer DS7A, Hertfordshire, UK		Used to elicit the soleus H-reflex
Stimulating electrode	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to elicit the soleus H-reflex
Magnetic stimulator no1	Magstim Rapid2 TMS stimulator, Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil no1: 90 mm figure-of-eight coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
			Stimulator no1 and coil no1 were used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex)
Magnetic stimulator no2	MagPro X100 with MagOption, MagVenture A/S, Farum, Denmark		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil no2: 95-mm focal “butterfly-shaped” coil (D-B80)	MagVenture A/S, Farum, Denmark
			Stimulator no2 and coil no2 were used in the video session
Magnetic stimulator no3	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Coil no3: double-cone magnetic coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Image-guided TMS navigational system no1	Brainsight 2, Rouge Research, Montreal, Canada		Used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex) to monitor coil position throughout the experiment
Image-guided TMS navigational system no2	TMS Navigator SW-Version 2.0, LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany		Used for the video session
Literature:
Taube et al. 2014	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, doi:10.1093/cercor/bht359 (2014).