Summary
Klinisk evaluering av spastisitet basert på Hoffmann-refleksen (H-refleksen) og elektrostimulering av perifere nerver er en etablert metode. Her gir vi en protokoll for en terminal og direkte nervestimulering for H-reflekskvantifisering i museforpoten.
Abstract
Hoffmann-refleksen (H-refleksen), som en elektrisk analog til strekkrefleksen, tillater elektrofysiologisk validering av integriteten til nevrale kretser etter skader som ryggmargsskade eller slag. En økning av H-refleksresponsen, sammen med symptomer som ikke-frivillige muskelkontraksjoner, patologisk forstørret strekkrefleks og hypertoni i den tilsvarende muskelen, er en indikator på spastisitet etter hjerneslag (PSS).
I motsetning til ganske nerve-uspesifikke transkutane målinger, presenterer vi her en protokoll for å kvantifisere H-refleksen direkte på forpotens ulnar- og mediannerver, som med mindre modifikasjoner gjelder for bakpotens tibial- og isjiasnerve. Basert på direkte stimulering og tilpasning til ulike nerver representerer metoden et pålitelig og allsidig verktøy for å validere elektrofysiologiske endringer i spastisitetsrelaterte sykdomsmodeller.
Introduction
Hoffmann-refleksen (H-refleksen), oppkalt etter fysiologen Paul Hoffmann, kan fremkalles ved elektrisk stimulering av perifere nerver, som bærer aksoner av sensoriske og motoriske nevroner som oppstår fra og fører til de samme musklene. Det er den elektrisk induserte analogen til den monosynaptiske strekkrefleksen, og deler samme vei1. I motsetning til muskelstrekk, er H-refleksen et resultat av elektrisk stimulering. Når perifere nerver stimuleres elektrisk ved lav strømintensitet, blir Ia-afferente fibre vanligvis depolarisert først på grunn av deres store aksondiameter2. Deres aksjonspotensialer eksiterer alfa-motorneuroner (αMN) i ryggmargen, som igjen fremkaller aksjonspotensialer som beveger seg nedover αMN-aksonene mot muskelen (figur 1). Denne kaskaden genererer en muskulær respons med liten amplitude, reflektert i den såkalte H-bølgen. Ved gradvis å øke stimulusintensiteten øker amplituden til H-bølgen på grunn av rekruttering av flere motorenheter. Fra en viss stimulusintensitet fremkalles aksjonspotensialer i de tynnere aksonene til αMNene direkte, som registreres som M-bølgen. Denne M-bølgen vises med kortere ventetid enn H-bølgen (figur 2). Hvis stimuleringsintensiteten økes ytterligere, blir amplituden til M-bølgen større på grunn av rekrutteringen av flere αMN-aksoner, mens H-bølgen gradvis blir mindre. H-bølgen kan undertrykkes ved høy stimulusintensitet på grunn av antidromisk tilbakeutbredelse av aksjonspotensialer i αMN-aksonene. Disse utløste aksjonspotensialene kolliderer med de fra Ia-stimuleringen og kan dermed avbryte hverandre. Ved supramaksimal stimulusintensitet forekommer ortodokromiske (mot muskelen) og antidromiske (mot ryggmargen) aksjonspotensialer i alle MN-aksoner; førstnevnte gir opphav til maksimal M-bølgeamplitude (Mmax), mens sistnevnte resulterer i fullstendig avskaffelse av H-refleksen3.
For evaluering av post-stroke spastisitet (PSS) eller ryggmargsskade (SCI) har H-refleksen blitt brukt til å vurdere det nevrale grunnlaget for bevegelse og spastisitet hos mennesker1. En forbedret kvantifisering av endringen i H-refleksen mellom målinger og mellom forsøkspersoner oppnås ved å bruke forholdet mellom H- og M-bølgen (H/M-forhold). Alternativt måles hastighetsavhengig depresjon (RDD) ved hjelp av et sett med stigende frekvenser (f.eks. 0,1, 0,5, 1,0, 2,0 og 5,0 Hz). RDD gjenspeiler integriteten til hemmende kretser som kan forstyrres av slag eller SCI. Når alle nevrale kretser er intakte, er det en jevn, frekvensuavhengig undertrykkelse av H-refleksen. Imidlertid, hvis det er redusert nevral inhibering som følge av slag eller SCI, reduseres undertrykkelsen av H-refleksen med økende stimuleringsfrekvens4.
Korrekt elektrofysiologisk registrering ved hjelp av overflateelektroder kan være utfordrende og kan påvirkes av motoriske oppgaver, hemmende mekanismer og αMN-eksitabilitet5. I det transkutane opptaket hos gnagere plasseres en stimuluselektrode nær tibialnerven, og en opptakselektrode plasseres nær de relaterte musklene i forpoten. Ifølge vår erfaring er imidlertid riktig plassering av de transkutane elektrodene (figur 1A) enda mer kompleks og variabel hos gnagere enn overflateelektrodeplassering hos mennesker. Dette kan føre til forskjeller i lengde, frekvens og stimuleringsintensitet som er nødvendig for å fremkalle H-refleksen. Disse metodiske utfordringene kan forklare hvorfor det bare er et svært begrenset antall H-refleksmålingsstudier (f.eks. i eksperimentelle slagmodeller 3,4 og andre spastisitetsmodeller6. En presis (langvarig) stimulering og registrering av H-refleksen på individuelle nerver kan i prinsippet oppnås ved bruk av implanterbare elektroder rundt målnerven 7,8. På grunn av den utfordrende operasjonen med potensielle bivirkninger for dyret og potensiell ustabilitet av sonden, har denne tilnærmingen ikke blitt en standard i feltet. Metoden som presenteres her krever også noe kirurgisk kompetanse. Det tillater imidlertid en ny, presis stimulering og registrering av isolerte nerver in vivo ved bruk av lave stimuleringsintensiteter, noe som unngår samtidig stimulering av nabonerver.
Protocol
Representative Results
Discussion
I motsetning til tidligere beskrevne transkutane H-refleksmålinger i mus6, gir vi en mer direkte og nervespesifikk måling. Denne nye tilnærmingen kan brukes på nerver i for- og bakbenet (f.eks. median-, ulnar- og radialnervene, og henholdsvis tibial- og isjiasnervene), noe som gjør denne metoden tilpasningsdyktig som et diagnostisk verktøy for mange sykdomsmodeller (f.eks. Hjerneslag, multippel sklerose, amyotrofisk lateralsklerose, traumatisk hjerneskade og ryggmargsskade). Avhengig av valg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takknemlig støtte fra T. Akay, Dalhousie University, under et besøk av MG til laboratoriet hans. Dette arbeidet ble støttet av finansiering fra Friebe Foundation (T0498/28960/16) og Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – 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
- 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).
- Henneman, E., Somjen, G., Carpenter, D. O. Excitability and inhibitibility of motoneurons of different sizes. Journal of Neurophysiology. 28 (3), 599-620 (1965).
- 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).
- 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).
- Knikou, M. The H-reflex as a probe: Pathways and pitfalls. Journal of Neuroscience Methods. 171 (1), 1-12 (2008).
- Wieters, F., et al. Introduction to spasticity and related mouse models. Experimental Neurology. 335, 113491 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nolan, J. P. Section 4: Nervous system (Br. J. Pharmacol). Clinical pharmacology. , 295-310 (2012).
- 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).
- 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).
