Summary

Terminale H-reflexmetingen bij muizen

Published: June 16, 2022
doi:

Summary

De klinische evaluatie van spasticiteit op basis van de Hoffmann-reflex (H-reflex) en met behulp van elektrische stimulatie van perifere zenuwen is een gevestigde methode. Hier bieden we een protocol voor een terminale en directe zenuwstimulatie voor H-reflexkwantificering in de voorpoot van de muis.

Abstract

De Hoffmann-reflex (H-reflex), als een elektrisch analoog aan de rekreflex, maakt elektrofysiologische validatie van de integriteit van neurale circuits mogelijk na verwondingen zoals ruggenmergbeschadiging of beroerte. Een toename van de H-reflexrespons, samen met symptomen zoals niet-vrijwillige spiercontracties, pathologisch verhoogde rekreflex en hypertonie in de overeenkomstige spier, is een indicator van spasticiteit na een beroerte (PSS).

In tegenstelling tot eerder zenuw-niet-specifieke transcutane metingen, presenteren we hier een protocol om de H-reflex direct op de ulnaire en mediane zenuwen van de voorpoot te kwantificeren, die met kleine wijzigingen van toepassing is op de tibiale en heupzenuw van de achterpoot. Op basis van de directe stimulatie en de aanpassing aan verschillende zenuwen, vertegenwoordigt de methode een betrouwbaar en veelzijdig hulpmiddel om elektrofysiologische veranderingen in spasticiteitsgerelateerde ziektemodellen te valideren.

Introduction

De Hoffmann-reflex (H-reflex), genoemd naar de fysioloog Paul Hoffmann, kan worden opgeroepen door elektrische stimulatie van perifere zenuwen, die axonen van sensorische en motorische neuronen dragen die voortkomen uit en leiden tot dezelfde spieren. Het is het elektrisch geïnduceerde analoog van de monosynaptische rekreflex en deelt hetzelfde pad1. In tegenstelling tot de spierrek is de H-reflex het gevolg van elektrische stimulatie. Wanneer perifere zenuwen elektrisch worden gestimuleerd bij een lage stroomintensiteit, worden de Ia-afferente vezels meestal eerst gedepolariseerd vanwege hun grote axondiameter2. Hun actiepotentialen prikkelen alfamotorneuronen (αMN’s) in het ruggenmerg, die op hun beurt actiepotentialen uitlokken die langs de αMN-axonen naar de spier reizen (figuur 1). Deze cascade genereert een spierrespons met kleine amplitude, weerspiegeld in de zogenaamde H-golf. Door de stimulusintensiteit geleidelijk te verhogen, neemt de amplitude van de H-golf toe door de rekrutering van extra motoreenheden. Vanaf een bepaalde stimulusintensiteit worden actiepotentialen in de dunnere axonen van de αMN’s direct opgewekt, die wordt geregistreerd als de M-golf. Deze M-golf verschijnt met een kortere latentie dan de H-golf (figuur 2). Als de stimulatie-intensiteit verder wordt verhoogd, wordt de amplitude van de M-golf groter door de rekrutering van meer αMN-axonen, terwijl de H-golf geleidelijk kleiner wordt. De H-golf kan worden onderdrukt bij hoge stimulusintensiteiten als gevolg van antidromale backpropagatie van actiepotentialen in de αMN-axonen. Deze getriggerde actiepotentialen botsen met die van de Ia-stimulatie en kunnen elkaar dus opheffen. Bij supramaximale stimulusintensiteiten komen orthodromale (naar de spier) en antidromale (naar het ruggenmerg) actiepotentialen voor in alle MN-axonen; de eerste geeft aanleiding tot de maximale M-golfamplitude (Mmax), terwijl de laatste resulteert in volledige afschaffing van de H-reflex3.

Voor de evaluatie van post-stroke spasticiteit (PSS) of dwarslaesie (SCI) is de H-reflex gebruikt om de neurale basis van beweging en spasticiteit bij mensen te beoordelen1. Een verbeterde kwantificering van de verandering in de H-reflex tussen metingen en tussen proefpersonen wordt bereikt door gebruik te maken van de verhouding van de H- en M-golf (H/M-verhouding). Als alternatief wordt de snelheidsafhankelijke depressie (RDD) gemeten met behulp van een reeks oplopende frequenties (bijv. 0,1, 0,5, 1,0, 2,0 en 5,0 Hz). De RDD weerspiegelt de integriteit van remmende circuits die kunnen worden verstoord door een beroerte of dwarslaesie. Wanneer alle neurale circuits intact zijn, is er een uniforme, frequentie-onafhankelijke onderdrukking van de H-reflex. Als er echter sprake is van verminderde neurale remming als gevolg van een beroerte of dwarslaesie, neemt de onderdrukking van de H-reflex af met toenemende stimulatiefrequentie4.

De juiste elektrofysiologische registratie met behulp van oppervlakte-elektroden kan een uitdaging zijn en kan worden beïnvloed door motorische taken, remmende mechanismen en αMN-prikkelbaarheid5. Bij de transcutane opname bij knaagdieren wordt een stimuluselektrode in de buurt van de tibiale zenuw geplaatst en een opname-elektrode in de buurt van de gerelateerde spieren in de voorpoot. Volgens onze ervaring is de juiste plaatsing van de transcutane elektroden (figuur 1A) echter nog complexer en variabeler bij knaagdieren dan de plaatsing van oppervlakte-elektroden bij mensen. Dit kan leiden tot verschillen in lengte, frequentie en stimulatie-intensiteit die nodig zijn om de H-reflex op te wekken. Deze methodologische uitdagingen zouden kunnen verklaren waarom er slechts een zeer beperkt aantal H-reflex meetstudies zijn (bijvoorbeeld in experimentele beroertemodellen 3,4 en andere spasticiteitsmodellen6). Een nauwkeurige (langdurige) stimulatie en registratie van de H-reflex op individuele zenuwen zou in principe kunnen worden bereikt met behulp van implanteerbare elektroden rond de doelzenuw 7,8. Vanwege de uitdagende operatie met mogelijke bijwerkingen voor het dier en mogelijke instabiliteit van de sonde, is deze aanpak geen standaard geworden in het veld. De hier gepresenteerde methode vereist ook enige chirurgische expertise. Het maakt echter een nieuwe, nauwkeurige stimulatie en registratie van geïsoleerde zenuwen in vivo mogelijk met behulp van lage stimulatie-intensiteiten, waardoor gelijktijdige stimulatie van naburige zenuwen wordt vermeden.

Protocol

Alle experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de Europese en nationale dierverzorgingswetten en institutionele richtlijnen en werden goedgekeurd door het Landesamt für Natur-, Umwelt- und Verbraucherschutz Noordrijn-Westfalen (Az: 81-02.04.2019.A309). Het protocol is geoptimaliseerd voor volwassen muizen (ca. 8-16 weken oude C57Bl/6J muizen) en de voorpoot opname. Het kan eenvoudig worden aangepast door de respectieve zenuwen van de achterpoot te stimuleren en de achterpootspieren te registreren (<strong cl…

Representative Results

Selecteer uit de n = 15 stimulatieproeven per stimulatiefrequentie en poot ten minste n = 10 succesvolle opnames voor de analyse. Proeven met meetfouten (bijv. ontbrekende M-golf) zijn uitgesloten van de analyse. Analyseer elke studie afzonderlijk en genereer later een gemiddelde voor groeps- / tijdvergelijkingen. De latentie tussen stimulatie en verschijning van de M-golf en H-golf wordt voor elke proef geregistreerd. In onze ervaring treedt de M-golf ongeveer 2 ms na stimulatie op en de H-golf na 6-8 ms, vanwege de lan…

Discussion

In tegenstelling tot eerder beschreven transcutane H-reflexmetingen bij muis6, bieden we een meer directe en zenuwspecifieke meting. Deze nieuwe benadering kan worden toegepast op de zenuwen van de voor- en achtertak (bijv. De mediane, ulnaire en radiale zenuwen, en respectievelijk de tibiale en ischiaszenuwen), waardoor deze methode aanpasbaar is als een diagnostisch hulpmiddel voor vele ziektemodellen (bijv. Beroerte, multiple sclerose, amyotrofische laterale sclerose, traumatisch hersenletsel e…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs erkennen dankbaar de steun van T. Akay, Dalhousie University, tijdens een bezoek van MG aan zijn lab. Dit werk werd ondersteund door financiering van de Friebe Foundation (T0498/28960/16) en de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – 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

  1. 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).
  2. Henneman, E., Somjen, G., Carpenter, D. O. Excitability and inhibitibility of motoneurons of different sizes. Journal of Neurophysiology. 28 (3), 599-620 (1965).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Knikou, M. The H-reflex as a probe: Pathways and pitfalls. Journal of Neuroscience Methods. 171 (1), 1-12 (2008).
  6. Wieters, F., et al. Introduction to spasticity and related mouse models. Experimental Neurology. 335, 113491 (2020).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Nolan, J. P. Section 4: Nervous system (Br. J. Pharmacol). Clinical pharmacology. , 295-310 (2012).
  12. 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).
  13. 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).
check_url/63304?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Wieters, F., Gruhn, M., Büschges, A., Fink, G. R., Aswendt, M. Terminal H-reflex Measurements in Mice. J. Vis. Exp. (184), e63304, doi:10.3791/63304 (2022).

View Video