Summary
対側沈黙期間(cSP)評価は、皮質の興奮性と治療反応を指標とする有望なバイオマーカーです。上肢と下肢のM1皮質脊髄抑制を研究することを目的としたcSPを評価するためのプロトコルを示します。
Abstract
対側沈黙期間(cSP)は、運動誘発電位(MEP)後の筋電図(EMG)によって捕捉されたバックグラウンド電気筋活動の抑制期間です。これを得るために、MEPは、選択された標的筋肉の一次運動皮質(M1)に送達される閾値超経頭蓋磁気刺激(TMS)パルスによって誘発され、参加者は標準化された自発的な標的筋収縮を提供する。cSPは、MEPの後に発生する阻害メカニズムの結果です。これは、最初の~50ミリ秒での脊椎抑制、およびその後の皮質阻害の幅広い時間的評価を提供します。研究者は、cSPの背後にある神経生物学的メカニズムをよりよく理解して、さまざまな神経精神疾患の潜在的な診断、代理、および予測バイオマーカーとしてcSPを検証しようとしました。そこで本稿では、下肢と上肢のM1 cSPの測定方法について、対象筋肉の選択、電極の配置、コイルの位置決め、随意収縮刺激の測定方法、強度設定、代表的な結果を得るためのデータ解析などについて述べる。下肢と上肢に対して実行可能で信頼性が高く、再現可能なcSPプロトコルを実行する際の視覚的なガイドラインを提供し、この技術の実際的な課題について議論するという教育目的があります。
Introduction
沈黙期間(SP)は、持続的な筋肉収縮中に適用される経頭蓋磁気刺激(TMS)によって誘発される運動誘発電位(MEP)に続く筋電図(EMG)の沈黙期間です。閾値を超えるTMSパルスは、EMG活動が記録されている標的筋肉の対側または同側の一次運動皮質(M1)に適用することができ、対側沈黙期間(cSP)と同側沈黙期間(iSP)の2つの現象をもたらします。
iSPとcSPは同様の機能を共有していますが、わずかに異なるコンポーネントを反映している場合があります。1つ目は経脳梁阻害を反映していると考えられており、したがって完全に皮質起源であると考えられています1,2。逆に、cSPは皮質脊髄阻害の代用物として調査されており、M1 3,4,5内のγ-アミノ酪酸(GABA)B受容体によって媒介される可能性が最も高いです。
GABA媒介経路におけるcSPの役割を裏付けるように、以前の研究では、GABA増強成分の経口投与後のcSP持続時間の増加が見出されている5,6,7,8。それでも、脊髄突起もその持続時間の変化に関与しています。cSPの初期の段階(<50ミリ秒)は、H反射値の低下に関連しています3-末梢神経回路の産物であり、脊髄ニューロンの興奮性を定量化する反射9。脊髄プロセシングは、レンショー細胞の活性化、過分極後の運動ニューロン、および脊髄介在ニューロン10,11,12,13,14によるシナプス後抑制を介して媒介されると考えられている。
脊髄の寄与にもかかわらず、cSPは主に皮質抑制性ニューロンの活性化に起因し、cSPの後半部分(50-200ミリ秒)の生成に関与する3,10,13,15,16。その点で、cSP持続時間の初期の部分は脊椎抑制メカニズムと関連しているのに対し、長いcSPはより大きな皮質抑制メカニズムを要求しています3,13,17,18。
したがって、cSPは神経障害による皮質脊髄不適応の有望なバイオマーカー候補ですが、より有意なcSP持続時間は皮質脊髄抑制の増加を反映している可能性があり、逆もまた同様です5,11。したがって、以前の研究では、cSP持続時間と、ジストニア、パーキンソン病、慢性疼痛、脳卒中、およびその他の神経変性および精神医学的状態などの病状との関連が見出されています19,20,21,22。説明するために、変形性膝関節症コホートでは、モントリオール認知評価尺度23において、より高い皮質内抑制(cSPによって指標化)が若年、より大きな軟骨変性、およびより低い認知能力と関連していた。さらに、cSPの変化は、治療応答および運動回復を縦断的に指標化することもできる24、25、26、27、28、29、30。
神経精神医学分野におけるcSPの役割は有望ですが、その評価の困難な側面は、プロトコルの変動に敏感すぎる可能性があることです。たとえば、cSP持続時間(~100-300ミリ秒)11は、上肢と下肢で区別できます。Salernoらは、線維筋痛症患者のサンプルで、第1背骨間筋(FDI)で121.2ミリ秒(±32.5)、前脛骨筋(TA)で75.5ミリ秒(±21)の平均cSP持続時間を発見しました31。したがって、文献は、cSPを引き出すために使用されるパラメーターの無数の相違を伝え、その結果、研究間の比較可能性が危険にさらされ、臨床診療への翻訳が遅れます。同様の集団内では、プロトコルは、例えば、M1および標的筋肉を刺激するために使用される閾値超閾値TMSパルス設定に関して異質であった。その上、研究者はプロトコルで使用されているパラメータを適切に報告していません。
したがって、目標は、上肢と下肢のM1皮質脊髄興奮性を評価するために、実行可能で信頼性が高く、簡単に再現可能なcSPプロトコルを適用する方法に関する視覚的なガイドラインを提供し、その手順の実際的な方法論的課題について議論することです。また、パラメータの選択の理由を説明するために、Pubmed/MEDLINEに関する非網羅的な文献レビューを実施し、検索語:リハビリテーション(メッシュ)またはリハビリテーションまたは慢性疼痛または脳卒中、および経頭蓋磁気刺激、単一パルスまたは皮質沈黙期間などの用語を使用して、慢性疼痛およびリハビリテーション集団におけるcSPに関する発表論文を特定した。抽出のための包含基準は定義されておらず、プールされた結果は説明のみを目的として 表1 に表示されています。
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Protocol
この議定書は、人間を対象とする研究を含み、地元の倫理委員会の制度的および倫理的ガイドラインおよびヘルシンキ宣言と一致しています。インフォームドコンセントは、研究でデータを使用するために被験者から得られました。
1.実験前の手順
- 被験者のスクリーニング。頭蓋内インプラント、てんかん、発作の病歴、妊娠について被験者をスクリーニングします。アンケートガイドラインを使用して、最新の安全上の注意32に準拠していることを確認します。
- TMSによる電磁パルスの送達は、榴散弾、動脈瘤クリップ、または溶接からの破片などの強磁性材料の頭蓋内インプラントを有する個人には禁忌である。発作の可能性が高い個人に予防策を講じてください。
- TMS評価は、この集団に対処する際に保守的なスタンスをとるようにアドバイスされている妊婦に胎児のリスクをもたらしません。小児集団にTMSを適用し、特定の発達段階(すなわち、泉門の閉鎖、皮質興奮性の成熟、および外耳道の成長)で慎重に進行することは安全です33。
- 材料の準備。この手順では、TMSおよびEMGデバイス以外に、スイムキャップ、アルコールパッド(70%イソプロピルアルコールの調製)、導電性ゲル、およびEMGソフトウェアのセットアップと調査対象の筋肉に適したダイナモメーターをオンにしてコンピューターを自由に使用できます( 資料の表を参照)。
注:スイムキャップには、被験者の頭をマークする不快感を引き起こすことなく、信頼性が高く再現性のあるTMS評価を可能にする、最も安価で最もアクセスしやすいオプションであるという利点があります。
2.患者への適切な指示
- 手順の基本的な手順と所要時間を説明します。
- 参加者に目を覚まし、特別な注意や集中を必要とする認知活動(例:.、数学的計算、瞑想など)を実行しないように指示し、手/顎のけいれんやもっともらしい副作用を経験する可能性があることを予想します。このようなイベントは、経験の浅い被験者にとっては予想外に見えるため、手順を危険にさらす可能性があります。
注:シングルパルスおよびペアパルスTMSは、頭痛、局所痛、首の痛み、歯痛、感覚異常などの軽度の一時的な有害事象にのみ関連しています。発作はまれであり、他の重篤な有害事象は関連していません33。安全性を高めるために、有害な音の可能性があるため、耳栓と、咬筋収縮の可能性のためのバイトブロックを提供することをお勧めします34。
3. 実験手順(図1)
- 電極を配置する筋肉を選択します。
- 被験者に、腹臥位でテーブルの上に手を置くように依頼します。第1中手骨骨と第2中手骨骨の間に局在するFDI筋肉を選択します。FDIを特定するには、被験者に人差し指を抵抗に対して外転させ、残りの手を静止させ、その領域を触診している間、テーブルに置くように依頼します。
- 選択した領域を公開します。必要に応じて、使い捨てのかみそりを使用してその領域を剃り、電極と皮膚との接触を改善し、アルコールパッドでその領域をきれいにして、皮膚の油分やインピーダンスを増加させる可能性のあるその他の要因を取り除きます。電極との接触を確実にするために、自由な皮膚があることを証明します。
注意: 下肢の活動を評価する場合は、電極の配置にTA筋を使用してください。それは脛骨の外側に局在し、皮膚の表面近くにあります。足首背屈で識別できます。
- 表面EMG電極を配置します
- 領域が露出して洗浄された状態で、チャネルの各電極に導電性ゲルを塗布して、良好なインピーダンスを確保します。
- FDI筋の腹(筋肉の腹の中心または最も顕著な膨らみ)に負極を配置し、電極間距離を少なくとも1.5 cmの遠位指節間関節に正電極を配置します。参照電極(ニュートラル)を手首の尺骨茎状突起の上に置きます。
注:運動終点、筋腱、またはその他の活動的な筋肉の存在は、記録の安定性に影響を与える可能性があるため、これらの場所を避けることが重要です35。TA筋の場合、電極は腓骨の先端と内側くるぶしの先端を結ぶ線の3分の1に配置する必要があります。各電極の極の間に20mmの距離を置き、参照電極を足首に配置します。
- 必要な筋収縮力を決定する
- デジタルピンチダイナモメータと四角錐サポートを使用して、機械的な歪みを最小限に抑え、収縮を最小限に抑えるために感度を高めます。
- ピラミッドサポートの助けを借りて、1本目と2本目の指の間に動力計を置きます。3本目、4本目、5本目の指がテーブルの上に置かれたままで、1本目 と2本目の 指がつまむ動きの力を生み出すようにします。
- 固定位置で、参加者に人差し指でダイナモメーターを押し、人差し指でピラミッドの側面を押すように依頼し、ダイナモメーターピラミッドシステムを最大の力で圧迫し、FDI筋肉を強く収縮させます。
- その値を基準として使用して、最大力の20%を決定します。参加者は、持続的な収縮の20%で目標を維持する練習をしなければなりません。MVCの15%〜25%の変動を考慮に入れます。
注:または、調査中の孤立した筋肉活動をキャッチできるダイナモメーターが利用できない場合は、EMGフィードバックを使用して力を標準化します。記録ソフトウェアは、被験者の最大力に対応する最大ピークtoピーク振幅を測定し、その値を基準として使用して、20%MVCを決定します。被験者は、20%が達成されたときの視覚的および/または聴覚的な手がかりを受け取ることができます。
- ホットスポット検索の初期位置の特定
- 被験者の頭に水泳帽をかぶせます。すべての基準点がその上にマークされます。
- 鼻(額と鼻の間の点)から頭頂(後頭部で最も顕著な点)までの頭の矢状円周を測定します。その値を2で割り、頭の真ん中の場所に印を付けます。
- 患者の鼻、イニオン、左右両方の外耳のらせん、および左右の眼窩上隆起の位置をマークします。これは、処置中にキャップが滑っていないこと、および/または将来の実験でキャップが患者の頭に均等に配置されることを証明するためです。
- 上記のように、珠から耳珠までの距離を測定し、途中でマークを追加します。それらの間の交点、頂点(Cz)として識別される点をマークします。
- 頂点から、矢状線と平行に横方向に5 cm、選択した筋肉の反対側に移動します。このマークは、手の運動皮質と同じ冠状レベルで(M1)を近似的に識別する。これを最初のスポットとして使用して、ホットスポットの検索を開始します。
- ホットスポットは、最も低い運動閾値が検出される運動野の領域です。低強度(例えば、最大刺激装置出力[MSO]の30%)を設定し、最初のスポットに複数のパルスを配信することによって検索を開始します。
- EMGインデックス応答(つまり、MEP)を検出する最も低い刺激を特定するまで、小さな強度増分で追求します。刺激の送達のために、ハンドルが患者の後方を向いた状態で、矢状中線に対して45°の8の字のコイルを傾けます。
- 最適なスポットが特定されたことを確認するには、最初のスポットの周りを移動し、その後の~3つのMEPを、前方1 cm、外側1 cm、内側1 cm、後方1 cmでテストします。一貫した応答を得るために、この手順を必要な回数だけ繰り返します。最大のMEP36を引き出す場所に固執します。
- ホットスポットが見つかったら、患者の頭の中でそのスポットをマークします(スイムキャップ)。この実験中および潜在的なフォローアップ訪問中にこの場所を使用します。余分な圧力のために被験者に不快感を与えないように注意してください。両手で被験者の頭のコイルを支えます。
- 安静時モーターしきい値(RMT)を決定する
- モーターのしきい値を、検出可能な最小振幅(通常は少なくとも50〜100μV)のMEPを促進するために必要な最小強度として推定します。
- 運動閾値を決定するには、ホットスポットで10回連続して刺激を加え、50%の試験で、標的筋肉にピークtoピーク振幅が少なくとも50μVのMEPを生成した最低強度を選択します。
注:このプロトコルは、安静時(安静時運動閾値[RMT])または能動的収縮中(能動的運動閾値[AMT])に標的筋で実行できます。どちらも、閾値超閾値TMSパルスの基準としてさらに使用することができます。AMTの取得はMVCの標準化に依存しているため、ばらつきが発生しやすく、複数の評価を伴う縦断的研究では問題になる可能性があります。
- CSP プロトコル
- 標的筋肉の強直自発的収縮中にMEPを誘発するために閾値超刺激を送達する。
- RMTの120%の刺激強度(SI)で10刺激を、その間に10秒の期間で送達します。刺激の適用中、ダイナモメーターで練習するように、標的筋肉の最大運動収縮の20%を維持するように患者に依頼します。
- SP全体を確実にキャプチャするには、EMGタイムウィンドウが最大400ミリ秒のEMGアクティビティをキャプチャするのに十分な長さであることを証明します。まれではありませんが-研究されている疾患によっては、被験者はcSPを成功させるためにより高いSIを必要とする場合があります。
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Representative Results
段階的な手順を実行した後、閾値を超えるTMSパルス(RMTの120%)の送達により、標的筋肉のEMG記録で観察可能なMEPが引き出され、その後のバックグラウンドEMG活動が約150ミリ秒から300ミリ秒抑制されます(図2)。そのEMGパターンから、cSPメトリックを計算することができます。最も報告される結果は、相対SPと絶対SPの期間(ミリ秒の範囲)です。相対SPは、MEPの開始からEMG活動の再現まで測定されます。1つの代替案は、増幅されたモーター刺激出力(プロトコルに従ってMSO = RMTの120%)を使用して、相対SPの開始を確立することです。ネットワークレベルでの真の開始はわからないため、実験の信頼性を高めるために、MEP開始を初期開始点として選択します13。一方、絶対SPは、MEPの終わりから自発的なEMG活動の再出現の開始まで測定できます。例えば、定性的比較のための基準として被験者の安静時EMG活動の記録を使用する。これらの時間的パラメータは、手動で、または自動化されたソフトウェア37を使用して識別することができる。
正確なcSP計算のための基本的な方法論的問題は、EMGバックグラウンド活動の再発の定義です。ここでは2つのアプローチを検討することができます:1つ目は、個々の試行計算を使用することです。この場合、計算は試行ごとの測定に基づいて行われ、各記録を使用してcSP期間が計算されます。次に、個々の試験の平均(または中央値)を計算して報告することができる。2番目のアプローチは、修正された複数の試行を使用することです。このアプローチでは、すべての試行を修正してから、平均化して互いに重ね合わせる必要があります。次に、修正および平均化されたトレースを使用して、平均時間マークを使用してcSP期間を計算します。この方法の主な利点は、強直性ベースラインEMGレベル36に対する自発的EMG活動の再現の精度と容易な識別です。整流平均を使用すると、より比較可能であり、被験者間の変動が減少するので有利です。
cSP持続時間は、刺激強度38のS状結腸関数として延長することができるが、標的筋肉39の意図的な収縮の程度によってほとんど影響を受けないことに言及することは重要である。さらに、MEP振幅は刺激強度の増加とともに増加する。小島らは、MEP振幅のこれらの増加(強度の増加に続発する)がcSP持続時間の増加も伴うことを実証した40。この動作は、MEPとcSPの期間が共通の要因38の影響を受けると考えられているため、予想されます。これらの共通の要因は、運動単位ではなく皮質脊髄路全体に存在するようです。刺激強度の増加は両方を増加させるが、筋肉収縮の増加はcSP持続時間に影響しないからである。
この議論により、刺激強度と筋肉収縮は、所見の分析と解釈の際に慎重に考慮する必要があると結論付けることができます。cSPはSIによる線形増加を特徴としていますが、その後、高強度でプラトーに達します。このパターンは、被験者39が独特の傾斜と異なる高原強度を持つ可能性があるため、被験者間で非常に変動します。1つの代替分析は、入出力(I / O)曲線を実行するために徐々に増加した強度の間にcSPを評価し、次にI / O曲線がプラトー41,42に達する強度を使用してcSPを取得することを含むことができる。最後に、cSPは皮質の興奮性と阻害の変化を引き起こす可能性のある活動または曝露の影響を受けるため、分析で一般的な交絡因子を評価して記録することをお勧めします。たとえば、TMS実験43のレポートチェックリストを使用します。
cSPの解釈
現在の研究におけるTMS試験は、M1阻害の実現可能で用途の広いバイオマーカーの実施を示すために使用された。一般に、SPの持続時間が長いほど、より高い皮質脊髄M1阻害が観察される44。ただし、その解釈にはいくつかの要因を考慮する必要があります。まず、cSPは、脊髄および皮質皮質下プロセスの両方によって定義されます45。脊椎成分は約最初の50ミリ秒を占めます46。残りの持続時間は、M1介在ニューロン阻害などの皮質メカニズムや、M1内の他の抑制性求心性(皮質下領域および他の皮質から)の影響を強く受け、MEPs6を誘発する重要な皮質活性化後に主にGABA作動性Bニューロンによって媒介されます。この抑制の役割は、望ましくない動きを防ぎ、運動制御を維持することであることが示唆されている47。第二に、行動的および認知的要因は、CSP期間、ならびに運動および非運動神経精神障害に影響を与える可能性があります45,48。cSPのこの二重の性質により、その値は実験コンテキスト内で解釈する必要があります(ターゲット母集団と付随する運動制御タスクの使用)。
図1:実験ステップ。 1. FDI筋肉の腹への電極配置 2.ダイナモメーターの指間の位置決め。3. 20%MVCの標準化をテストするためのターゲット筋肉の自発的な収縮 4.ホットスポットとRMT(10回の試行のうち5回で少なくとも50mVのMEPを誘発する最低刺激)を特定するための頭部測定とTMSパルス 5.CSPプロトコル、持続的な筋肉収縮中に、120%RMTが10秒間隔で10パルスと一致します。中央下の図では、小さな赤い長方形は単一のTMSパルスを表し、TMS前の刺激(持続的な筋肉収縮とバックグラウンドEMG活動)とcSP記録を分割しています。CSPは、MEPの開始からEMGベースライン活動が再出現するまで考慮され、青い長方形内に表されます。黄色の四角形に、MEP 待機時間が表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:標的筋肉のEMG記録におけるMEP。 X軸はミリ秒(ms)、Y軸はEMG信号のミリボルト(mV)。左から右へ:赤い線は、MEP前のバックグラウンド電気的筋活動を示し、続いて、TMSパルスの電気的効果が観察された後、それに続いて運動誘発電位を示す。MEPの後、SPとして知られるEMG信号の抑制があります。MEP波の開始からEMGバックグラウンドアクティビティまたは絶対SPの復帰までの間隔をカウントし、MEPの終了からバックグラウンド波の復帰までの間隔をカウントする相対的なものにすることができます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
MEP と SP を引き出すためのデフォルトの SI は、母集団によって異なります。80%RMTという低い強度は、健康な個体においてcSPを誘発することが示されている39が、依然として健康な集団および罹患集団の両方に関する研究では、150%RMTという高い強度が使用されている49,50,51。この不均一性の原因は標的集団の性質に固有のものである可能性がありますが、異なるSIが独立して(筋収縮力に関係なく)MEP 39,49,52に続くサイレントEMG活動の期間を決定することを示したため、無視してはなりません。110%から120%のRMTは、参加者にとって依然として許容できる一方で、幅広い集団でSPを首尾よく誘発しました53,54。ただし、110%未満のSIはSPを誘発できなかったか、持続時間が50ミリ秒未満のSPを誘発したため、110%RMTは境界線である可能性があります39、これはM1阻害の皮質または皮質脊髄成分ではなく脊髄のみを表す可能性があります。さらに、より高いSIは、刺激の焦点性の低下と患者の不快感の増加と関連しており、特にRMTが高い罹患集団では55、閾値を超える刺激の割合が高いと、刺激器の出力が最大に近いことに対応する可能性があります。これは、参加者が使用されたプロトコル56を順守することを危うくする可能性があります。120%RMTを使用することが全体的に最も安全で最適なSIセットアップであるように思われますが、研究者は関心のある母集団で行われた以前の成功した実験をチェックすることによってSIを標準化する必要があります。類似した母集団間での標準化は、統計をさらに統合しやすくするために重要です。
実験は通常、単一のSIを使用して行われますが、いくつかの研究では、複数の刺激設定でのcSP応答を調査しています53、57、58、59、60。明確な病態生理学や以前の文献がない状態、またはSPの挙動の理解が研究の目的である状態の状況では、その後の増加した刺激強度(すなわち、シグモイド刺激反応曲線の10%の増加)に対してcSPをプロットすることが推奨されます42。その場合、研究者は、筋肉の疲労を避けるために、プロトコルに休息休憩を追加することを検討する必要があります。まだ矛盾しているにもかかわらず、cSPが筋肉収縮のレベルの影響を受けないというかなりの量の証拠があります39,61,62;ただし、筋肉疲労の影響を受けます63,64,65,66。最大自発的収縮(MVC)の20%の値は、疲労を誘発する可能性が低く、SPを首尾よく誘発することが一貫して示されています60、67、68、69。
文献におけるcSP結果の不均一性に寄与し得る別の重要なパラメータは、TMS刺激の後にcSPを評価するために選択された筋肉である。研究によると、さまざまな筋肉が独特の運動ニューロンネットワークを動員する可能性があり、それが次に発散するcSP効果をもたらします。これは、上肢と下肢の筋肉組織だけでなく、同じ四肢の近位筋と遠位筋にも当てはまります。たとえば、Van Kuijkたちは、2つの別々の研究で、近位筋と比較して、遠位上肢筋のcSPなどのTMSパラメータに対する感度が高いことを伝えました70,71。そして、この差は必ずしも統計的に有意ではありませんでしたが71、それでも注目に値し、異質な結果に寄与する可能性があります。さらに、上肢と下肢の筋肉におけるcSP反応の有意差は、疲労に関する研究でも示されており、上肢は下肢よりも30%長いSPを伝達している72。したがって、cSP結果の不均一性を減らすには、一部の筋肉が他の筋肉よりもTMS刺激に敏感であるため、cSP評価を評価する筋肉を標準化することが重要です。したがって、異なる筋肉は、手順の特異性と解釈を劇的に変える可能性があります。説明するために、cSPは、喉頭運動ユニットなどのより深い筋肉における皮質興奮性を評価するためにも使用されます。これらの構造にcSPプロトコルを適用するには、固有の課題が伴います。例は喉頭運動皮質のそれである。このプロトコルの刺激部位はEMG電極の近くにあり、これはEMG増幅器73への調整を必要とするアーチファクトの数を増加させる可能性がある。また、これらの筋肉のEMG活動を測定するには、皮膚を貫通する針電極が必要であり、電極の配置、および必要に応じて再配置を困難にし、結果の解釈を変更します。したがって、この方法論論文の限界は、その範囲が上肢および下肢のプロトコルを説明することに限定され、例えば、皮質球阻害または精神医学的状態のマーカーとしてcSPを探索する分野を包含することです。
その点で、文献検索は、FDIが上肢M1皮質脊髄抑制を研究するために最も一般的に使用される標的筋肉であることを裏付けています。その理由としては、運動皮質におけるその表面的および大きな皮質表現、刺激のための最も低い運動閾値、ならびにその孤立した持続的な収縮を実行するための単純さ、ならびに電極73、74の位置決めが挙げられるが、これらに限定されない。下肢の場合、TA筋の使用は、他の脚の筋肉と比較して皮質表現が大きいため、最も頻繁に使用される可能性があります75。また、下肢の筋肉組織を構成する大きな筋肉群の活動から隔離されやすさも役割を果たします。現場での下肢(LL)リハビリテーションの重要性にもかかわらず、その特定の課題を考えると、LL MEPを使用する研究は少なくなっています。LLの脳の解剖学的領域は、上肢と比較して、半球間裂においてより内側でより深い。しかし、ニューロナビゲーションの使用は刺激36の精度を向上させましたが、ダブルコーンコイルの使用はTA筋肉を含むLL領域をうまく標的とし、他のコイルタイプ76,77,78,79よりも低いLL MTを示し、現在LLを標的とする標準的な推奨事項です36,44.しかしながら、現代のナビゲーション技術の使用は、プロトコルの実現可能性と並行して考慮されるべきである。Jung et al. (2010)は、同等のパフォーマンスレベル80に達する非ナビゲーションTMSとTMSナビゲーションの間でMEPの変動性と再現性に有意差がないことを明らかにしました。ナビゲートされていないTMSを使用すると、特定の状況(つまり、限られたリソース)でより費用効果が高くなる可能性があるため、実行可能で、簡単で、再現性のあるcSP評価を実証することを目的としたこのプロトコルの好ましいアプローチでした。
さまざまな神経障害における皮質脊髄抑制バイオマーカーとしてのcSPの有望で用途の広い使用を考えると、上肢および下肢に対して実行可能で再現性があり、依然として信頼性の高いcSPプロトコルを研究者に提供することが不可欠です。実験では少数の筋肉しか表現できず、皮質球体阻害のcSPの調査がないことを強調します。さらに、 表1 で示した非網羅的な検索の結果は、既存のデータを要約する試みではなく、パラメータと洞察の選択の背後にある理論的根拠の一部を説明するためのものであり、したがって、科学的厳密さなしに実施されています。うまくいけば、この方法論論文は、研究者がM1皮質脊髄抑制のバイオマーカーとしてのcSPの研究を進めるのに役立つでしょう。
表 1: cSP プロトコルで使用されるさまざまなパラメータ。 117の異なる論文からcSP実験のデータを抽出した。パラダイムが≥2実験で使用された場合は結果が報告され、それ以外の場合は他の実験で収集された場合。 †標準化の方法を報告していない記事、または標準化を適用していないと報告した記事が含まれます。略語:MVC =最大自発的収縮。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Disclosures
Abhishek DattaはSoterix Medical Inc.のCEO、共同創設者兼CTOであり、Kamran Nazinは同じ会社の最高製品責任者です。Soterix Medical Inc.は、このビデオ出版物の作成に使用される資料を提供しました。残りの著者は、競合する金銭的利益を持たないと宣言しています。
Acknowledgments
受信確認はありません。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alcohol pads | Medline | Preparation with 70% isopropyl alcohol | |
| Conductive gel | Weaver and Company | Used on the electrode | |
| Echo Pinch | JTECH medical | 0902A302 | Digital dynamometer. |
| Mega-EMG | Soterix Medical | NS006201 | Digital multiple channel EMG with built in software. |
| MEGA-TMS coil | Soterix Medical | NS063201 | 8 shaped TMS coil |
| Mega-TMS stimulator | Soterix Medical | 6990061 | Single Pulse TMS |
| Neuro-MEP.NET | Soterix Medical | EMG software used to analyse the muscles eletrical activity. | |
| Swim cap | Kiefer |
References
- Li, J. Y., Lai, P. H., Chen, R. Transcallosal inhibition in patients with callosal infarction. Journal of Neurophysiology. 109 (3), 659-665 (2013).
- Wassermann, E. M., Fuhr, P., Cohen, L. G., Hallett, M. Effects of transcranial magnetic stimulation on ipsilateral muscles. Neurology. 41 (11), 1795-1799 (1991).
- Fuhr, P., Agostino, R., Hallett, M. Spinal motor neuron excitability during the silent period after cortical stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 81 (4), 257-262 (1991).
- Meyer, B. U., Röricht, S., Gräfin von Einsiedel, H., Kruggel, F., Weindl, A. Inhibitory and excitatory interhemispheric transfers between motor cortical areas in normal humans and patients with abnormalities of the corpus callosum. Brain. 118, 429-440 (1995).
- Hupfeld, K. E., Swanson, C. W., Fling, B. W., Seidler, R. D. TMS-induced silent periods: A review of methods and call for consistency). Journal of Neuroscience Methods. 346, 108950 (2020).
- Siebner, H. R., Dressnandt, J., Auer, C., Conrad, B. Continuous intrathecal baclofen infusions induced a marked increase of the transcranially evoked silent period in a patient with generalized dystonia. Muscle Nerve. 21 (9), 1209-1212 (1998).
- Vallence, A. M., Smalley, E., Drummond, P. D., Hammond, G. R. Long-interval intracortical inhibition is asymmetric in young but not older adults. Journal of Neurophysiology. 118 (3), 1581-1590 (2017).
- Manconi, F. M., Syed, N. A., Floeter, M. K. Mechanisms underlying spinal motor neuron excitability during the cutaneous silent period in humans. Muscle Nerve. 21 (10), 1256-1264 (1998).
- Romanò, C., Schieppati, M. Reflex excitability of human soleus motoneurones during voluntary shortening or lengthening contractions. The Journal of Physiology. 390, 271-284 (1987).
- Cantello, R., Gianelli, M., Civardi, C., Mutani, R. Magnetic brain stimulation: the silent period after the motor evoked potential. Neurology. 42 (10), 1951-1959 (1992).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Classen, J., Benecke, R. Inhibitory phenomena in individual motor units induced by transcranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 97 (5), 264-274 (1995).
- Inghilleri, M., Berardelli, A., Cruccu, G., Manfredi, M. Silent period evoked by transcranial stimulation of the human cortex and cervicomedullary junction. The Journal of Physiology. 466, 521-534 (1993).
- Roick, H., von Giesen, H. J., Benecke, R. On the origin of the postexcitatory inhibition seen after transcranial magnetic brain stimulation in awake human subjects. Experimental Brain Research. 94 (3), 489-498 (1993).
- Chen, R., Lozano, A. M., Ashby, P. Mechanism of the silent period following transcranial magnetic stimulation. Evidence from epidural recordings. Experimental Brain Research. 128 (4), 539-542 (1999).
- Schnitzler, A., Benecke, R. The silent period after transcranial magnetic stimulation is of exclusive cortical origin: evidence from isolated cortical ischemic lesions in man. Neuroscience Letters. 180 (1), 41-45 (1994).
- Cantello, R., Tarletti, R., Civardi, C. Transcranial magnetic stimulation and Parkinson's disease. Brain Research. Brain Research Reviews. 38 (3), 309-327 (2002).
- Ziemann, U., Netz, J., Szelényi, A., Hömberg, V. Spinal and supraspinal mechanisms contribute to the silent period in the contracting soleus muscle after transcranial magnetic stimulation of human motor cortex. Neuroscience Letters. 156 (1-2), 167-171 (1993).
- Paci, M., Di Cosmo, G., Perrucci, M. G., Ferri, F., Costantini, M. Cortical silent period reflects individual differences in action stopping performance. Scientific Reports. 11 (1), 15158 (2021).
- Poston, B., Kukke, S. N., Paine, R. W., Francis, S., Hallett, M. Cortical silent period duration and its implications for surround inhibition of a hand muscle. The European Journal of Neuroscience. 36 (7), 2964-2971 (2012).
- Vidor, L. P., et al. Association of anxiety with intracortical inhibition and descending pain modulation in chronic myofascial pain syndrome. BMC Neuroscience. 15, 42 (2014).
- Bradnam, L., et al. Afferent inhibition and cortical silent periods in shoulder primary motor cortex and effect of a suprascapular nerve block in people experiencing chronic shoulder pain. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 769-778 (2016).
- Simis, M., et al. Increased motor cortex inhibition as a marker of compensation to chronic pain in knee osteoarthritis. Scientific Reports. 11 (1), 24011 (2021).
- List, J., et al. Cortical reorganization due to impaired cerebral autoregulation in individuals with occlusive processes of the internal carotid artery. Brain Stimulation. 7 (3), 381-387 (2014).
- Gray, W. A., Palmer, J. A., Wolf, S. L., Borich, M. R. Abnormal EEG responses to TMS during the cortical silent period are associated with hand function in chronic stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. 31 (7), 666-676 (2017).
- Braune, H. J., Fritz, C. Transcranial magnetic stimulation-evoked inhibition of voluntary muscle activity (silent period) is impaired in patients with ischemic hemispheric lesion. Stroke. 26 (4), 550-553 (1995).
- Goodwill, A. M., Teo, W. -P., Morgan, P., Daly, R. M., Kidgell, D. J. Bihemispheric-tDCS and upper limb rehabilitation improves retention of motor function in chronic stroke: A pilot study. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 258 (2016).
- Cincotta, M., et al. Suprathreshold 0.3 Hz repetitive TMS prolongs the cortical silent period: potential implications for therapeutic trials in epilepsy. Clinical Neurophysiology. 114 (10), 1827-1833 (2003).
- Langguth, B., et al. Transcranial magnetic stimulation for the treatment of tinnitus: effects on cortical excitability. BMC Neuroscience. 8, 45 (2007).
- Priori, A., et al. Rhythm-specific pharmacological modulation of subthalamic activity in Parkinson's disease. Experimental Neurology. 189 (2), 369-379 (2004).
- Salerno, A., et al. Motor cortical dysfunction disclosed by single and double magnetic stimulation in patients with fibromyalgia. Clinical Neurophysiology. 111 (6), 994-1001 (2000).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of, T.M.S.C.G. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert Guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
- Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. Journal of Electromyography and Kinesiology. 10 (5), 361-374 (2000).
- Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
- Daskalakis, Z. J., et al. An automated method to determine the transcranial magnetic stimulation-induced contralateral silent period. Clinical Neurophysiology. 114 (5), 938-944 (2003).
- Orth, M., Rothwell, J. C. The cortical silent period: intrinsic variability and relation to the waveform of the transcranial magnetic stimulation pulse. Clinical Neurophysiology. 115 (5), 1076-1082 (2004).
- Säisänen, L., et al. Factors influencing cortical silent period: optimized stimulus location, intensity and muscle contraction. Journal of Neuroscience Methods. 169 (1), 231-238 (2008).
- Kojima, S., et al. Modulation of the cortical silent period elicited by single- and paired-pulse transcranial magnetic stimulation. BMC Neuroscience. 14 (1), 43 (2013).
- Poston, B., Kukke, S. N., Paine, R. W., Francis, S., Hallett, M. Cortical silent period duration and its implications for surround inhibition of a hand muscle. The European Journal of Neuroscience. 36 (7), 2964-2971 (2012).
- Kimiskidis, V. K., et al. Silent period to transcranial magnetic stimulation: construction and properties of stimulus-response curves in healthy volunteers. Experimental Brain Research. 163 (1), 21-31 (2005).
- Chipchase, L., et al. A checklist for assessing the methodological quality of studies using transcranial magnetic stimulation to study the motor system: an international consensus study. Clinical Neurophysiology. 123 (9), 1698-1704 (2012).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Zeugin, D., Ionta, S. Anatomo-Functional origins of the cortical silent period: Spotlight on the basal ganglia. Brain Sciences. 11 (6), 705 (2021).
- Person, R. S., Kozhina, G. V. Investigation of the silent period by a poststimulus histogram method. Neurophysiology. 10 (2), 123-129 (1978).
- Stinear, C. M., Coxon, J. P., Byblow, W. D. Primary motor cortex and movement prevention: where Stop meets Go. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 33 (5), 662-673 (2009).
- Mathis, J., de Quervain, D., Hess, C. W. Dependence of the transcranially induced silent period on the 'instruction set' and the individual reaction time. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 109 (5), 426-435 (1998).
- Chandra, S. R., Issac, T. G., Nagaraju, B. C., Philip, M. A study of cortical excitability, central motor conduction, and cortical inhibition using single pulse transcranial magnetic stimulation in patients with early frontotemporal and Alzheimer's Dementia. Indian Journal of Psychological Medicine. 38 (1), 25-30 (2016).
- Bocci, T., et al. Spinal direct current stimulation modulates short intracortical inhibition. Neuromodulation. 18 (8), 686-693 (2015).
- Zunhammer, M., et al. Modulation of human motor cortex excitability by valproate. Psychopharmacology (Berl). 215 (2), 277-280 (2011).
- Ho, K. H., Nithi, K., Mills, K. R. Covariation between human intrinsic hand muscles of the silent periods and compound muscle action potentials evoked by magnetic brain stimulation: evidence for common inhibitory connections. Experimental Brain Research. 122 (4), 433-440 (1998).
- Acler, M., Fiaschi, A., Manganotti, P. Long-term levodopa administration in chronic stroke patients. A clinical and neurophysiologic single-blind placebo-controlled cross-over pilot study. Restorative Neurology and Neuroscience. 27 (4), 277-283 (2009).
- Volz, M. S., et al. Dissociation of motor task-induced cortical excitability and pain perception changes in healthy volunteers. PLoS One. 7 (3), 34273 (2012).
- Veldema, J., Nowak, D. A., Gharabaghi, A. Resting motor threshold in the course of hand motor recovery after stroke: a systematic review. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 18 (1), 158 (2021).
- Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert Guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
- Ortu, E., et al. Primary motor cortex hyperexcitability in Fabry's disease. Clinical Neurophysiology. 124 (7), 1381-1389 (2013).
- Goodwill, A. M., Teo, W. P., Morgan, P., Daly, R. M., Kidgell, D. J. Bihemispheric-tDCS and upper limb rehabilitation improves retention of motor function in chronic stroke: A pilot study. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 258 (2016).
- Mayorga, T., et al. Motor-Evoked potentials of the abductor hallucis muscle and their relationship with foot arch functional anatomy. Journal of American Podiatric Medical Association. 107 (5), 467-470 (2017).
- Matsugi, A., et al. Cerebellar transcranial magnetic stimulation reduces the silent period on hand muscle electromyography during force control. Brain Science. 10 (2), 63 (2020).
- van Kuijk, A. A., Pasman, J. W., Geurts, A. C., Hendricks, H. T. How salient is the silent period? The role of the silent period in the prognosis of upper extremity motor recovery after severe stroke. Journal of Clinical Neurophysiology. 22 (1), 10-24 (2005).
- Wu, L., Goto, Y., Taniwaki, T., Kinukawa, N., Tobimatsu, S. Different patterns of excitation and inhibition of the small hand and forearm muscles from magnetic brain stimulation in humans. Clinical Neurophysiology. 113 (8), 1286-1294 (2002).
- Hunter, S. K., Todd, G., Butler, J. E., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Recovery from supraspinal fatigue is slowed in old adults after fatiguing maximal isometric contractions. Journal of Applied Physiology. 105 (4), 1199-1209 (2008).
- Yoon, T., Schlinder-Delap, B., Keller, M. L., Hunter, S. K. Supraspinal fatigue impedes recovery from a low-intensity sustained contraction in old adults. Journal of Applied Physiology. 112 (5), 849-858 (2012).
- Kennedy, D. S., McNeil, C. J., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Effects of fatigue on corticospinal excitability of the human knee extensors. Experimental Physiology. 101 (12), 1552-1564 (2016).
- Goodall, S., Howatson, G., Thomas, K. Modulation of specific inhibitory networks in fatigued locomotor muscles of healthy males. Experimental Brain Research. 236 (2), 463-473 (2018).
- Neva, J. L., et al. Multiple measures of corticospinal excitability are associated with clinical features of multiple sclerosis. Behavioural Brain Research. 297, 187-195 (2016).
- Caumo, W., et al. Motor cortex excitability and BDNF levels in chronic musculoskeletal pain according to structural pathology. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 357 (2016).
- Chen, M., Deng, H., Schmidt, R. L., Kimberley, T. J. Low-Frequency repetitive transcranial magnetic stimulation targeted to premotor cortex followed by primary motor cortex modulates excitability differently than premotor cortex or primary motor cortex stimulation alone. Neuromodulation. 18 (8), 678-685 (2015).
- van Kuijk, A. A., et al. Definition dependent properties of the cortical silent period in upper-extremity muscles, a methodological study. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 11, 1 (2014).
- van Kuijk, A. A., et al. Stimulus-response characteristics of motor evoked potentials and silent periods in proximal and distal upper-extremity muscles. Journal of Electromyography and Kinesiology. 19 (4), 574-583 (2009).
- Vernillo, G., Temesi, J., Martin, M., Millet, G. Y. Mechanisms of fatigue and recovery in upper versus lower limbs in men. Medicine and Science in Sports and Exercise. 50 (2), 334-343 (2018).
- Chen, M., et al. Evaluation of the cortical silent period of the laryngeal motor cortex in healthy individuals. Frontiers in Neuroscience. 11, 88 (2017).
- Masakado, Y., Akaboshi, K., Nagata, M., Kimura, A., Chino, N. Motor unit firing behavior in slow and fast contractions of the first dorsal interosseous muscle of healthy men. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 97 (6), 290-295 (1995).
- Petersen, N. T., Pyndt, H. S., Nielsen, J. B. Investigating human motor control by transcranial magnetic stimulation. Experimental Brain Research. 152 (1), 1-16 (2003).
- Dharmadasa, T., et al. The effect of coil type and limb dominance in the assessment of lower-limb motor cortex excitability using TMS. Neuroscience Letters. 699, 84-90 (2019).
- Kesar, T. M., Stinear, J. W., Wolf, S. L. The use of transcranial magnetic stimulation to evaluate cortical excitability of lower limb musculature: Challenges and opportunities. Restorative Neurology and Neuroscience. 36 (3), 333-348 (2018).
- Proessl, F., et al. Characterizing off-target corticospinal responses to double-cone transcranial magnetic stimulation. Experimental Brain Research. 239 (4), 1099-1110 (2021).
- Dharmadasa, T., et al. The effect of coil type and limb dominance in the assessment of lower-limb motor cortex excitability using TMS. Neuroscience Letters. 699, 84-90 (2019).
- Jung, N. H., et al. Navigated transcranial magnetic stimulation does not decrease the variability of motor-evoked potentials. Brain Stimulation. 3 (2), 87-94 (2010).
