Terminale H-Reflex-Messungen bei Mäusen
Summary
Die klinische Abklärung der Spastik auf Basis des Hoffmann-Reflexes (H-Reflex) und mittels elektrischer Stimulation peripherer Nerven ist eine etablierte Methode. In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll für eine terminale und direkte Nervenstimulation zur Quantifizierung des H-Reflexes in der Vorderpfote der Maus zur Verfügung.
Abstract
Der Hoffmann-Reflex (H-Reflex) ermöglicht als elektrisches Analogon zum Dehnungsreflex die elektrophysiologische Validierung der Integrität neuronaler Schaltkreise nach Verletzungen wie Rückenmarksschäden oder Schlaganfall. Eine Zunahme der H-Reflexantwort ist zusammen mit Symptomen wie unwillkürlichen Muskelkontraktionen, pathologisch verstärktem Dehnungsreflex und Hypertonie im entsprechenden Muskel ein Indikator für eine Spastik nach einem Schlaganfall (PSS).
Im Gegensatz zu eher nervenunspezifischen transkutanen Messungen stellen wir hier ein Protokoll zur Quantifizierung des H-Reflexes direkt am Nervus ulnaris und medianus der Vorderpfote vor, das mit geringfügigen Modifikationen auf den Nervus tibialis und ischiadica der Hinterpfote anwendbar ist. Basierend auf der direkten Stimulation und der Anpassung an verschiedene Nerven stellt die Methode ein zuverlässiges und vielseitiges Werkzeug dar, um elektrophysiologische Veränderungen in spastizitätsbedingten Krankheitsmodellen zu validieren.
Introduction
Der Hoffmann-Reflex (H-Reflex), benannt nach dem Physiologen Paul Hoffmann, kann durch elektrische Stimulation peripherer Nerven hervorgerufen werden, die Axone von sensorischen und motorischen Neuronen tragen, die von denselben Muskeln ausgehen und zu ihnen führen. Es ist das elektrisch induzierte Analogon des monosynaptischen Dehnungsreflexes und teilt sich den gleichen Weg1. Im Gegensatz zur Muskeldehnung resultiert der H-Reflex aus einer elektrischen Stimulation. Wenn periphere Nerven mit niedriger Stromintensität elektrisch stimuliert werden, werden die Ia-afferenten Fasern aufgrund ihres großen Axondurchmessers typischerweise zuerst depolarisiert2. Ihre Aktionspotentiale regen Alpha-Motoneuronen (αMNs) im Rückenmark an, die wiederum Aktionspotentiale auslösen, die über die αMN-Axone in Richtung Muskel wandern (Abbildung 1). Diese Kaskade erzeugt eine Muskelantwort mit kleiner Amplitude, die sich in der sogenannten H-Welle widerspiegelt. Durch die allmähliche Erhöhung der Reizintensität erhöht sich die Amplitude der H-Welle durch die Rekrutierung zusätzlicher motorischer Einheiten. Ab einer bestimmten Reizintensität werden in den dünneren Axonen der αMNs direkt Aktionspotentiale ausgelöst, die als M-Welle aufgezeichnet werden. Diese M-Welle tritt mit einer kürzeren Latenz auf als die H-Welle (Abbildung 2). Wird die Stimulationsintensität weiter erhöht, wird die Amplitude der M-Welle durch die Rekrutierung von mehr αMN-Axonen größer, während die H-Welle allmählich kleiner wird. Die H-Welle kann bei hohen Stimulusintensitäten durch antidrome Backpropagation von Aktionspotentialen in den αMN-Axonen unterdrückt werden. Diese ausgelösten Aktionspotentiale kollidieren mit denen der Ia-Stimulation und können sich so gegenseitig aufheben. Bei supramaximalen Reizintensitäten treten in allen MN-Axonen orthodrome (zum Muskel hin) und antidrome (zum Rückenmark hin) Aktionspotentiale auf; Ersteres führt zur maximalen M-Wellen-Amplitude (Mmax), während letzteres zur vollständigen Aufhebung des H-Reflexes3 führt.
Für die Beurteilung von Spastizität nach Schlaganfall (PSS) oder Rückenmarksverletzung (SCI) wurde der H-Reflex verwendet, um die neuronalen Grundlagen von Bewegung und Spastik beim Menschen zu beurteilen1. Eine verbesserte Quantifizierung der Veränderung des H-Reflexes zwischen Messungen und zwischen Probanden wird durch die Verwendung des Verhältnisses von H- und M-Welle (H/M-Verhältnis) erreicht. Alternativ wird die geschwindigkeitsabhängige Depression (RDD) mit einer Reihe von aufsteigenden Frequenzen (z. B. 0,1, 0,5, 1,0, 2,0 und 5,0 Hz) gemessen. Die RDD spiegelt die Integrität von hemmenden Schaltkreisen wider, die durch Schlaganfall oder Rückenmarksverletzung gestört werden können. Wenn alle neuronalen Schaltkreise intakt sind, kommt es zu einer gleichmäßigen, frequenzunabhängigen Unterdrückung des H-Reflexes. Kommt es jedoch zu einer verminderten neuronalen Hemmung infolge eines Schlaganfalls oder einer Rückenmarksverletzung, nimmt die Unterdrückung des H-Reflexes mit zunehmender Stimulationsfrequenzab 4.
Die korrekte elektrophysiologische Ableitung mit Oberflächenelektroden kann eine Herausforderung darstellen und durch motorische Aufgaben, inhibitorische Mechanismen und die αMN-Erregbarkeit beeinflusst werden5. Bei der transkutanen Aufnahme bei Nagetieren wird eine Reizelektrode in der Nähe des Nervus tibialis und eine Aufzeichnungselektrode in der Nähe der zugehörigen Muskeln in der Vorderpfote platziert. Unserer Erfahrung nach ist die korrekte Platzierung der transkutanen Elektroden (Abbildung 1A) bei Nagetieren jedoch noch komplexer und variabler als die Platzierung der Oberflächenelektroden beim Menschen. Dies kann zu Unterschieden in Länge, Frequenz und Stimulationsintensität führen, die notwendig sind, um den H-Reflex auszulösen. Diese methodischen Herausforderungen könnten erklären, warum es nur eine sehr begrenzte Anzahl von H-Reflex-Messstudien gibt (z.B. in experimentellen Schlaganfallmodellen 3,4 und anderen Spastikmodellen6). Eine präzise (Langzeit-)Stimulation und Aufzeichnung des H-Reflexes an einzelnen Nerven könnte prinzipiell mit implantierbaren Elektroden erreicht werden, die den Zielnerv 7,8 umgeben. Aufgrund der anspruchsvollen Operation mit möglichen Nebenwirkungen für das Tier und der möglichen Instabilität der Sonde ist dieser Ansatz in der Praxis nicht zum Standard geworden. Die hier vorgestellte Methode erfordert auch einiges an chirurgischem Fachwissen. Es ermöglicht jedoch eine neuartige, präzise Stimulation und Aufzeichnung isolierter Nerven in vivo mit geringen Stimulationsintensitäten, wodurch eine gleichzeitige Stimulation benachbarter Nerven vermieden wird.
Protocol
Representative Results
Discussion
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen transkutanen H-Reflex-Messungen in der Maus6 bieten wir eine direktere und nervenspezifischere Messung an. Dieser neue Ansatz kann auf die Nerven der Vorder- und Hintergliedmaße (z. B. den Nervus medianus, ulnaris und radialis sowie den Nervus tibialis bzw. den Ischiasnerv) angewendet werden, wodurch diese Methode als diagnostisches Werkzeug an viele Krankheitsmodelle (z. B. Schlaganfall, Multiple Sklerose, Amyotrophe Lateralsklerose, Schädel-Hirn-Trauma u…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch T. Akay, Dalhousie University, während eines Besuchs von MG in seinem Labor. Diese Arbeit wurde gefördert durch die Friebe-Stiftung (T0498/28960/16) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projekt-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
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