我们提出了一套标准化的单脉冲和成对脉冲经颅磁刺激(TMS)记录方案,并提供常规幅度测量和阈值跟踪选项。该程序可以控制三种不同类型的磁刺激器,旨在使所有测试都由单个操作员方便地执行。
大多数单脉冲经颅磁刺激 (TMS) 参数(例如,运动阈值、刺激反应功能、皮质静音期)用于检查皮质脊柱兴奋性。成对脉冲 TMS 范例(例如,短间隔和长间隔皮质内抑制 (SICI/LICI)、短间隔皮质内促进 (SICF) 以及短潜伏期和长潜伏期传入抑制 (SAI/LAI))提供有关皮质内抑制和促进网络的信息。长期以来,这一直是通过传统的TMS方法完成的,该方法测量运动诱发电位(MEPs)的大小变化,以响应恒定强度的刺激。最近引入了另一种阈值跟踪方法,通过这种方法可以跟踪目标振幅的刺激强度。阈值跟踪SICI在肌萎缩性侧索硬化症(ALS)中的诊断效用已在先前的研究中得到证实。然而,阈值跟踪TMS仅在少数几个中心使用,部分原因是缺乏现成的软件,但也可能是由于它与传统的单脉冲和成对TMS测量的关系存在不确定性。
已经开发了一套菜单驱动的半自动程序,以促进阈值跟踪TMS技术的更广泛使用,并能够与传统的幅度测量进行直接比较。这些设计用于控制三种类型的磁刺激器,并允许由单个操作员记录常见的单脉冲和成对脉冲TMS协议。
本文展示了如何在健康受试者上记录许多单脉冲和成对脉冲TMS方案并分析记录。这些TMS方案快速且易于执行,可以在不同的神经系统疾病中提供有用的生物标志物,特别是ALS等神经退行性疾病。
运动皮层的经颅磁刺激(TMS)是一种非侵入性方法,用于检查皮质生理学和许多神经系统疾病(包括神经退行性疾病)的病理生理学1。使用超阈值TMS脉冲刺激初级运动皮层,以在目标肌肉中产生运动反应。这种反应称为运动诱发电位(MEP)。TMS 是询问皮质和潜在皮质下运动网络的有用工具2。单脉冲 TMS 可评估皮质反应性、静息运动阈值 (RMT)、MEP 振幅和皮质静默期 (CSP)2。可以使用配对脉冲TMS以2-3 ms(SICI)或~100 ms(LICI)的间刺激间隔(ISI)探测皮质抑制3,4,5。
SICI由γ-氨基丁酸(GABA)A介导,LICI由GABAB受体介导,如其药理学所示4,5。SICF的电路部分由谷氨酸能N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体介导6,7。如果TMS之前对周围感觉神经进行电刺激,则MEP振幅减小。这种效应称为传入抑制,当ISI约为20-25 ms时称为SAI,并且在周围神经的电刺激和TMS8,9,10的单脉冲之间的200-1000 ms的较长ISI时LAI。SAI由胆碱能活性调节11;然而,LAI的研究明显不足,并且这种现象背后的神经回路尚不清楚10。
MEP幅度是可变的,传统TMS(cTMS)方法中的终点估计通常使用10至20个响应的算术平均值,这些响应以固定的刺激强度引起。另一种方法是阈值跟踪TMS,在20多年前首次描述12,13。在这种情况下,连续刺激的强度变化以达到固定的目标振幅响应。传统和阈值跟踪技术都可以与不同的ISI一起使用。在应用于SICI的这种方法的第一个版本中,即”串行”阈值跟踪(T-SICIs),使用了与神经兴奋性测试中使用的跟踪方法类似的跟踪方法:”阈值”首先在一个互刺激间隔(ISI)上估计,然后在连续的ISI上连续跟踪。该方法已被一个小组广泛使用,并因其高诊断效用而被提倡为ALS的潜在生物标志物14,15,16,17。然而,他们的发现尚未得到任何其他研究小组的证实14,15,16,17。
当参考阈值稳定时,连续方法有效,例如在周围神经中。然而,当阈值波动很大时,如皮质脊柱兴奋性的情况,已经发现串行跟踪具有严重扭曲SICI18的ISI依赖性的缺点。因此,另一种”并行”阈值跟踪范式可能更适合SICI(T-SICIp)18,19 和其他配对脉冲协议,其中阈值是独立并行估计的,用于不同的ISI。
尽管它们有希望,但现有的TMS方法尚未在临床试验中被接受为可靠的诊断测试或生物标志物。这可能是由于现有TMS方法的几个限制,例如时间消耗,手动操作的需求和较差的再现性。为了帮助克服这些限制,本文介绍了一套最近开发的自动化、快速、单脉冲和成对脉冲TMS协议,这些协议专为单手操作而设计,并能够比较传统、串行和并行阈值跟踪方法。
这里使用的设备包括TMS机器,隔离式线性双极恒流刺激器,用于消除50-60 Hz电干扰的噪声消除器,肌电图放大器和数据采集系统。该软件用途广泛,可与其他放大器、刺激器和录制条件配合使用。
TMS测量在记录软件中编程,是一个高度自动化的过程。但是,需要特别注意获得可靠的结果。在记录阶段,重要的是要确保热点上具有一致的MEP响应,然后在整个记录过程中将线圈保持在相对于被摄体头骨的相同位置。由于警惕性对皮质兴奋性有显著影响20,因此需要特别注意保持受试者放松但警觉。
为了保持主题的警觉性,应定期提出简短的问题。此外,检查者应密切关注肌肉收缩,以确定目标肌肉是否受到刺激。此外,检查员除了检查泳帽上的轮廓外,还应监视屏幕以观察MEP振幅或阈值变化是否表明任何线圈位移。如果线圈已移位,用户应尝试使用图纸将其更换到位。如果此操作失败,则应重新启动录制。在这些协议中,通过ISI的伪随机顺序和在每组三对刺激之后给出单独测试的刺激,线圈位移的影响最小化。使TMS线圈的位置能够实时跟踪的另一种方法是通过神经导航系统。此类系统在商业上可用且有效;但是,高昂的成本限制了它们的使用。请注意,这里没有提供ALS或其他神经退行性疾病患者的数据。这些患者可能出现其他挑战,例如外周运动神经元缺失引起的低振幅、自发活动和不可兴奋。
本研究中的所有协议(单脉冲和成对脉冲)都是使用连接到Bistim2 模块的八位数线圈(Magstim,D70远程线圈)进行的。这样做是为了保持协议之间磁场的可比强度,因为当通过Bistim模块时,刺激会衰减。系统被设置为独立Bistim触发模式,允许对两个Magstim 2002 装置进行单独的外部触发。对于单脉冲协议,其中一个单元的强度设置为0%MSO。录制是使用录制协议进行的,录制协议是软件程序的一部分。对于其他类型的磁刺激器,只需要一个单元。
TMS方法的一个局限性是可变性。先前的研究表明,同一受试者的个体间变异性高于日内或日间变异性19,21。应注意方法的标准化,并消除可能影响可靠性的技术错误。TMS不能用于某些疾病,例如起搏器或癫痫患者。应遵守国际安全规则22。此外,可能会出现轻微的不适,特别是如果使用圆形线圈23 。然而,这种不适通常是最小的,并且不需要导致检查的中断。
与现有方法相比,本手稿中描述的方法在记录和分析方面都是自动化的。这允许由单个操作员执行记录,并且操作员除了将线圈保持在同一位置外,不需要干扰任何其他操作。每个协议被设计为需要大约10分钟,这使得在一小时内运行多个协议成为可能,而使用现有的手动方法,一个协议可能需要花费的时间。在本研究中,磁刺激每4秒传递一次;然而,其他磁性设备允许更快的刺激,允许每个协议的记录持续时间减少到不到5分钟。这里描述的软件还允许选择不同的ISI,每个ISI的刺激数量以及条件刺激水平。这里描述的方法的一个主要进步是门控功能,当主体不放松时,它会自动删除痕迹。
总之,这里描述的方法可以为理解几种脑部疾病的潜在机制提供宝贵的信息,特别是神经退行性疾病,如ALS,并且可能具有诊断价值。对于不同的患者群体和更大的群体,需要进一步的研究来确定常规和阈值跟踪TMS测量的诊断价值,以及这些措施是否确实可以用作神经退行性疾病的生物标志物。记录不同肌肉以及上肢和下肢TMS的研究也是有道理的。
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了Lundbeck基金会(资助编号R290-2018-751)和丹麦独立研究基金(资助编号:9039-00272B)的两笔赠款的财政支持。
50 Hz Noise Eliminator | Digitimer Ltd | Humbug | |
Analogue-to-Digital Converter | National Instruments | NI-6221 | |
Recording program | Digitimer Ltd (copyright University College London) | QtracS.EXE | |
TMS recording protocol | Digitimer Ltd (copyright QTMS Science) | QTMSG-12 recording protocol | |
Disposable surface recording electrodes | AMBU | Ambu® BlueSensor NF | |
Figure-of-8 coil | Magstim Co. Ltd, Whiteland, Wales, UK | Magstim® D70 Remote Coil | |
Isolated EMG amplifier | Digitimer Ltd | D440 | |
Isolated linear bipolar constant-current stimulator | Digitimer Ltd | DS5 | |
TMS device | Magstim Co. Ltd, Whiteland, Wales, UK | Magstim® 2002 stimulators (2 MagStim units are required ) | |
Analysis and plotting program | Digitimer Ltd (copyright University College London) | QtracP.EXE |