Muskelhastighet Återhämtning cykler för att undersöka muskelmembran egenskaper
Summary
Presenteras här är ett protokoll för inspelning av muskelhastighet återhämtning cykler (MVRCs), en ny metod för att undersöka muskelmembran egenskaper. MVRCs möjliggör in vivo bedömning av muskelmembran potential och förändringar i muskeljon kanal funktion i förhållande till patologi, och det möjliggör demonstration av muskeldepolarisering i neurogena muskler.
Abstract
Även konventionella nerv ledningsstudier (NCS) och elektromyografi (EMG) är lämpliga för diagnos av neuromuskulära störningar, ger de begränsad information om muskelfiber membran egenskaper och underliggande sjukdomsmekanismer. Muskelhastighet återhämtning cykler (MVRCs) illustrerar hur hastigheten på en muskelverkan potential beror på tiden efter en tidigare åtgärd potential. MVRCs är nära relaterade till förändringar i membranpotential som följer en åtgärdpotential, vilket ger information om muskelfibermembranegenskaper. MVRCs kan spelas in snabbt och enkelt genom direkt stimulering och inspelning från multifiberbuntar in vivo. MVRCs har varit till hjälp för att förstå sjukdomsmekanismer i flera neuromuskulära sjukdomar. Studier på patienter med channelopatier har visat de olika effekterna av specifika jonkanalmutationer på muskelretitabilitet. MVRCs har tidigare testats på patienter med neurogena muskler. I denna tidigare studie förlängdes muskelrelativ refraktionsperiod (MRRP) och tidig supernormalitet (ESN) och sen supernormalitet (LSN) minskade hos patienter jämfört med friska kontroller. Därmed kan MVRCs ge in vivo bevis på membran depolarisering i intakt mänskliga muskelfibrer som ligger till grund för deras minskade retbarhet. Protokollet som presenteras här beskriver hur du spelar in MVRCs och analyserar inspelningarna. MVRCs kan fungera som en snabb, enkel och användbar metod för att avslöja sjukdomsmekanismer över ett brett spektrum av neuromuskulära sjukdomar.
Introduction
Nervresistiv studier (NCS) och elektromyografi (EMG) är de konventionella elektrofysiologiska metoder som används för diagnos av neuromuskulära sjukdomar. NCS möjliggör upptäckt av axonal förlust och demyelination i nerverna1, medan EMG kan skilja om myopati eller neurogena förändringar finns i muskeln på grund av nervskador. Ncs eller EMG ger dock begränsad information om muskelfibermembranegenskaper och underliggande sjukdomsmekanismer. Denna information kan uppnås med hjälp av intracellulära elektroder i isolerade muskler från muskelbiopsier2,3,4. Emellertid, Det är av klinisk betydelse att använda metoder med hjälp av inspelningar från intakta muskler hos patienter.
Hastigheten på en andra muskelfiber verkan potentiella förändringar som en funktion av förseningen efter de första5,och denna hastighet återhämtningfunktion (eller återhämtning cykel) har visat sig förändras i dystrofa eller denerverade muskler. Avkastningen av sådana inspelningar från enstaka muskelfibrer var dock för låg för att vara till nytta som ett kliniskt verktyg6. Emellertid, Z’Gräggoch Bostock fann senare att flera fiber inspelningar, som erhållits genom direkt stimulering och inspelning från samma bunt av muskelfibrer, ger en snabb och enkel metod för att få sådana inspelningar in vivo7. En sekvens av parade puls elektriska stimuli med varierande interstimulus intervall (ISIs) används i denna metod7,8,9,10,11.
De utvärderade MVRC parametrarna inkluderar följande: 1) muskel relativ eldfasta period (MRRP), som är varaktigheten efter en muskelverkan potential tills nästa åtgärd potential kan framkallas; 2) tidig supernormalitet (ESN). och 3) sent supernormalitet (LSN). ESN och LSN är de perioder efter eldfasta perioden där åtgärdspotentialerna utförs längs muskelmembranet snabbare än normalt. Depolariserande efterpotential, och kalium ackumulering i t-tubuli av muskeln respektive, är hypotetiska som de främsta orsakerna till de två perioderna av supernormalitet.
Den breda tillämpligheten av MVRCs till muskelsjukdomar har visats i att upptäcka membrandepolarisering i ischemi7,10,12 och njursvikt13, samt ge information om muskelmembran avvikelser i kritisk sjukdom myopati14 och integration kropp myosit15. Frekvensramp och intermittenta 15 Hz- och 20 Hz-simuleringsprotokoll har sedan dess införts. MVRCs, tillsammans med dessa tilläggsprotokoll, har visat de olika effekterna på muskelmembran retbarhet i samband med förlust-of-funktion eller gain-of-function mutationer i olika muskeljonkanaler i ärvda muskeljonchannelopier (dvs natriumkanal myotonia, paramyotonia congenita16, myotonic dystrofi17, Andersen-Tawil syndrom18, och myotonicongenita19,20).
I en färsk studie, tillämpligheten av MVRCs till neurogena muskler visades för första gången. Termen “neurogena muskel” hänvisar till de sekundära förändringar i skelettmuskulaturen som utvecklas som denervation och reinnervation efter någon skada på de främre horncellerna eller motoraxoner. Denervation kännetecknas i EMG som spontan aktivitet (dvs. fibrillations [fibs] och positiva skarpa vågor [psws]), medan stora motorenhetspotentialer med långvarig varaktighet och ökad amplitud nuvarande reinnervation21. EMG förändringar är uppenbara i denerverade muskler, men de underliggande cellulära förändringar i muskelfiber membran potentialer har bara visats i experimentella studier på isolerade muskelvävnad2,3,4. MVRCs ger ytterligare insikt i in vivo mänskliga muskelmembran egenskaper när det gäller denervation processen.
I detta dokument beskrivs metoderna för mvrc-enheter i detalj. Det sammanfattar också förändringar i neurogena muskler i en undergrupp av patienter från en tidigare rapporterad studie22 och friska kontrollämnen som möjliggör bestämning av om metoden är lämplig för en planerad studie.
Inspelningarna utförs med hjälp av ett inspelningsprotokoll som ingår i ett program. Annan utrustning som används är en isolerad linjär bipolär konstant strömstimulator, 50 Hz bullereliminator, isolerad elektromyografiförstärkare och analog-till-digital omvandlare.
Protocol
Representative Results
Discussion
MVRCs, som programmeras i inspelningsprogrammet, är ett mycket automatiserat förfarande, men vård behövs för att få tillförlitliga resultat. I inspelningsskedet, samtidigt som nålarna justeras, är det viktigt att undvika att stimulera ändplattans zon eller nerv. Detta leder vanligtvis till stora ryckningar av hela muskeln, vilket ökar risken för förskjutning av stimulering och / eller inspelning nål under inspelning MVRCs. Hittills har metoden tillämpats på flera muskler som bättre har beskrivit slutplat…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie fick ekonomiskt stöd av de två bidragen från Lundbecks stiftelse (Bidragsnummer R191-2015-931 och Bidragsnummer R290-2018-751). Dessutom fick studien ekonomiskt stöd av Novo Nordisk Foundation Challenge Programme (Bidragsnummer NNF14OC0011633) som en del av International Diabetic Neuropathy Consortium.
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) |
Referências
- 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).
