测量单脉冲经颅磁刺激诱导的对侧沉默期以研究M1皮质脊髓抑制

摘要

对侧沉默期（cSP）评估是指示皮质兴奋性和治疗反应的有希望的生物标志物。我们展示了一种评估cSP的方案，用于研究上肢和下肢的M1皮质脊髓抑制。

摘要

对侧沉默期 （cSP） 是在运动诱发电位 （MEP） 后由肌电图 （EMG） 捕获的背景肌肉电活动抑制期。为了获得这一点，通过传递到所选目标肌肉的主要运动皮层（M1）的超阈值经颅磁刺激（TMS）脉冲来引发MEP，而参与者则提供标准化的自愿目标肌肉收缩。cSP 是 MEP 后发生的抑制机制的结果;它提供了最初~50毫秒脊髓抑制的广泛时间评估，以及之后的皮质抑制。研究人员试图更好地了解cSP背后的神经生物学机制，以验证其作为不同神经精神疾病的潜在诊断，替代和预测生物标志物。因此，本文介绍了一种测量下肢和上肢M1 cSP的方法，包括目标肌肉的选择、电极放置、线圈定位、自主收缩刺激测量方法、强度设置和数据分析，以获得具有代表性的结果。它的教育目标是为下肢和上肢执行可行、可靠和可重复的 cSP 方案提供视觉指南，并讨论该技术的实际挑战。

引言

沉默期 （SP） 是在持续肌肉收缩期间应用经颅磁刺激 （TMS） 诱导的运动诱发电位 （MEP） 之后的肌电图 （EMG） 沉默期。超阈值TMS脉冲可以应用于目标肌肉的对侧或同侧初级运动皮层（M1），从中记录肌电图活动产生两种现象:对侧沉默期（cSP）和同侧沉默期（iSP）。

尽管 iSP 和 cSP 具有相似的功能，但它们反映的组件可能略有不同。第一种被认为反映了经胼胝体抑制，因此完全来自皮质^1，2。相反，cSP 被研究为皮质脊髓抑制的可能替代物，最有可能由 M1³，^4，5 内的 γ-氨基丁酸 （GABA） B 受体介导。

支持cSP在GABA介导的途径中的作用，以前的工作发现口服GABA^{增强成分后}cSP持续时间增加5，⁶，^7，8。尽管如此，脊柱过程也参与改变其持续时间。cSP 的早期阶段（<50 ms）与 H 反射值^3-a 反射降低有关，该反射是周围神经回路的产物，可量化脊髓神经元的兴奋性⁹。脊柱加工被认为是通过Renshaw细胞的活化，超极化后运动神经元和脊柱中间神经元的突触后抑制介导的¹⁰，¹¹，^12，13，14。

尽管有脊柱贡献，cSP主要由皮质抑制神经元的激活引起，皮质抑制神经元负责产生cSP的后期（50-200毫秒）³，^10，13，^15，16。在这方面，cSP持续时间的早期部分与脊柱抑制机制有关，而长cSP需要更大的皮质抑制机制³，^13，17，18。

因此，cSP 是治疗神经系统疾病引起的皮质脊髓适应不良的有希望的生物标志物候选者，而更显着的 cSP 持续时间可能反映皮质脊髓抑制的增加，反之亦然^5，11。因此，以前的工作发现cSP持续时间与肌张力障碍，帕金森病，慢性疼痛，中风和其他神经退行性和精神疾病等病理之间存在关联¹⁹，^20，21，22。为了说明这一点，在膝关节骨关节炎队列中，较高的皮质内抑制（由cSP索引）与蒙特利尔认知评估量表²³中的年轻，更大的软骨变性和较低的认知表现有关。此外，cSP变化还可以纵向指数治疗反应和运动恢复²⁴，^25，26，²⁷，²⁸，^29，30。

尽管cSP在神经精神病学领域的作用很有希望，但其评估的一个具有挑战性的方面是它可能对方案变化过于敏感。例如，cSP 持续时间 （~100-300 ms）¹¹ 可区分上肢和下肢。Salerno等人发现，在纤维肌^{痛患者样本}中，第一背侧骨间肌（FDI）的平均cSP持续时间为121.2毫秒（±32.5），胫骨前肌（TA）的平均cSP持续时间为75.5毫秒（±21）。因此，文献传达了用于引出cSP的参数的无数差异，这反过来又危及研究之间的可比性，并延迟了向临床实践的转化。例如，在类似的人群中，关于用于刺激M1和目标肌肉的超阈值TMS脉冲设置的协议是异质的。最重要的是，研究人员未能正确报告其协议中使用的参数。

因此，目标是提供有关如何应用可行，可靠且易于重现的cSP方案来评估上肢和下肢M1皮质脊髓兴奋性的视觉指南，并讨论该程序的实际方法学挑战。此外，为了帮助说明参数选择的理由，我们对Pubmed/MEDLINE进行了非详尽的文献综述，以确定已发表的关于慢性疼痛和康复人群cSP的论文，使用检索词:康复（Mesh）或康复或慢性疼痛或中风，以及经颅磁刺激和单脉冲或皮质沉默期等术语。没有为提取定义纳入标准，合并结果显示在 表1 中，仅供说明之用。

研究方案

该议定书涉及对人类受试者的研究，并与地方伦理委员会的机构和伦理准则以及《赫尔辛基宣言》保持一致。在研究中使用其数据时，获得了受试者的知情同意。

1. 实验前程序

1. 筛选对象。筛查受试者的颅内植入物、癫痫、癫痫发作史和妊娠。使用问卷指南确保遵守最新的安全预防措施³².
   1. 对于颅内植入铁磁材料（例如弹片、动脉瘤夹或焊接碎片）的个体，禁用使用 TMS 传递电磁脉冲。对癫痫发作可能性增加的个人采取预防措施。
   2. TMS评估对孕妇没有胎儿风险，建议孕妇在处理这一人群时采取保守的立场。在儿科人群中应用TMS是安全的，在某些发育阶段（即囟门闭合，皮质兴奋性成熟和外耳道生长）谨慎进行³³。
2. 准备材料。对于此过程，除了TMS和EMG设备外，您还可以使用泳帽，酒精垫（制备70%异丙醇），导电凝胶和打开EMG软件设置的计算机以及适合所研究肌肉的测功机（见 材料表）。
   注意:泳帽的优点是最便宜和最容易获得的选择，仍然可以进行可靠和可重复的 TMS 评估，而不会引起标记受试者头部的不适。

2. 对患者的适当指导

1. 解释该程序的基本步骤以及需要多少时间。
2. 指导参与者保持清醒，但不要进行需要额外关注和/或专注的认知活动（例如，数学计算、冥想等），并预计他们可能会出现手/下巴抽搐或合理的副作用。对于没有经验的受试者来说，此类事件可能看起来出乎意料，从而危及程序。
   注意:单脉冲和配对脉搏TMS仅与轻度，短暂，不良事件有关，包括头痛，局部疼痛，颈部疼痛，牙痛和感觉异常。癫痫发作很少见，没有其他严重不良事件相关³³。为了提高安全性，建议提供耳塞，因为可能会发出有害的声音，并提供咬合块，以防止可能引起咬肌收缩³⁴。

3. 实验程序（图1）

1. 选择用于定位电极的肌肉。
   1. 要求受试者将手放在桌子上，俯卧姿势。选择位于第一掌骨和第二掌骨骨之间的FDI肌肉。要识别外国直接投资，请受试者在抵抗阻力时外展食指，保持手的其余部分静止并放在桌子上，同时您正在触诊该区域。
   2. 显示所选区域。如有必要，使用一次性剃须刀剃须该区域以改善电极与皮肤的接触，并用酒精垫清洁该区域以去除皮肤油脂和其他可能增加阻抗的因素。证明有自由皮肤以确保与电极接触。
      注意:如果评估下肢活动，请使用TA肌肉进行电极放置。它位于胫骨的外侧，位于皮肤表面附近。它可以通过踝关节背屈来识别。
2. 放置表面肌电图电极
   1. 暴露并清洁该区域后，将导电凝胶涂在通道的每个电极上，以确保良好的阻抗。
   2. 将负极放在FDI肌肉的腹部（肌肉腹部的中心或最突出的凸起）上，将正极放在远端指间关节上，电极间距离至少为1.5cm。将参比电极（中性）放在手腕上，在尺骨茎突上。
      注意:运动终点、肌肉肌腱或其他活动肌肉的存在会影响记录的稳定性，因此避免这些位置很重要³⁵.对于 TA 肌肉，电极应放置在连接腓骨尖端和内踝尖端的线的三分之一处。在每个电极的极点之间提供 20 mm 的距离，并将参比电极放在脚踝中。
3. 确定所需的肌肉收缩力
   1. 使用数字夹击测功机和四边形金字塔支架来最大限度地减少机械变形并提高灵敏度，从而最大限度地减少收缩。
   2. 在金字塔支架的帮助下，将测功机放在第一和第二指之间。确保第三、第四和第五根手指静止地放在桌子上，而^第一 和第二根^{手指产生捏} 合运动的力量。
   3. 在固定位置，要求参与者用食指按压测功机，用食指按压金字塔的侧面，以最大力挤压测功机金字塔系统，并产生FDI肌肉的强烈收缩。
   4. 使用该值作为参考，确定最大力的 20%。参与者必须练习将目标维持在持续收缩的20%。允许 MVC 的 15%-25% 的变化。
      注意:或者，如果没有可以捕获正在研究的孤立肌肉活动的测功机，请使用肌电图反馈来标准化力。录音软件将测量与受试者最大力对应的最大峰峰值幅度，并使用该值作为参考，将确定 20% MVC。受试者可以接收到何时达到 20% 的视觉和/或听觉线索。
4. 识别热点搜索的初始位置
   1. 将泳帽戴在受试者的头上。所有参考点都将标记在其上。
   2. 测量头部从鼻孔（前额和鼻子之间的点）到鼻腔（枕骨区域最突出的点）的矢状面周长。将该值除以 2 并在头部标记中间位置。
   3. 标记患者鼻孔、内耳、左右外耳螺旋以及左右眶上脊的位置。这是为了证明盖子在手术过程中没有滑动，和/或在未来的实验中，它将平等地放置在患者的头部。
   4. 如上所述，测量耳廓到耳廓的距离并添加中间标记。标记它们之间的交点，一个标识为顶点 （Cz） 的点。
   5. 从顶点开始，平行于中矢状线横向移动 5 厘米，在所选肌肉的对侧。该标记近似识别（M1），与手部运动皮层处于同一冠状水平。使用此点作为启动热点搜索的第一个点。
   6. 热点是运动皮层中可检测到最低运动阈值的区域。设置低强度（例如，最大刺激器输出 [MSO] 的 30%），并通过向第一个点发送多个脉冲来启动搜索。
   7. 以较小的强度增量进行，直到确定检测到肌电图索引反应的最低刺激（即MEP）。为了传递刺激，将八字形线圈相对于矢状中线倾斜 45°，手柄指向患者的后方。
   8. 为确保确定最佳点，请在第一个点周围移动，并在前 1 厘米、侧侧 1 厘米、内侧 1 厘米和后方 1 厘米处测试随后的 ~3 个 MEP。根据需要多次重复此过程以获得一致的响应;坚持引出最大的^{MEP 36} 的位置。
   9. 找到热点后，在患者头部标记该点（泳帽）。在此实验和潜在的后续访问期间使用此位置。小心，以免因额外的压力而给受试者带来不适。用双手支撑拍摄对象头部的线圈。
5. 确定静息运动阈值 （RMT）
   1. 将电机阈值估计为促进最小可检测幅度（通常至少 50-100 μV）的 MEP 所需的最小强度。
   2. 为了确定运动阈值，请在热点处连续施加十次刺激，并在50%的试验中选择在目标肌肉上产生峰峰值幅度至少为50μV的MEP的最低强度。
      注意:此协议可以通过静止（静息运动阈值 [RMT]）或主动收缩（主动运动阈值 [AMT]）的目标肌肉来完成。两者都可以进一步用作超阈值TMS脉冲的参考。AMT的获取更容易出现可变性，因为它依赖于MVC的标准化，这对于具有多重评估的纵向研究来说可能是一个问题。
6. 云解决方案提供商协议
   1. 在目标肌肉的强直自主收缩期间提供超阈值刺激以引发 MEP。
   2. 以 RMT 的 120% 的刺激强度 （SI） 提供 10 次刺激，中间有 10 秒的周期。在应用刺激期间，要求患者保持目标肌肉最大运动收缩的20%，如测功机练习的那样。
   3. 为确保捕获整个 SP，请证明 EMG 时间窗口足够长，可以捕获长达 400 毫秒的 EMG 活动。根据所研究的疾病，受试者可能需要更高的SI才能成功获得cSP。

结果

按照分步程序后，传递超阈值TMS脉冲（RMT的120%）将在目标肌肉的EMG记录中引发可观察到的MEP，以及随后的大约150ms至300ms的背景EMG活动抑制（图2）。根据该 EMG 模式，可以计算 cSP 指标。报告最多的结局是相对和绝对SP的持续时间（在ms范围内）。相对SP是从MEP开始到肌电图活动重新出现的测量。一种替代方案是使用放大的电机激励输出（根据协议，MSO = RMT的120%）来确定相对SP...

讨论

引出 MEP 和 SP 的默认 SI 可能因总体而异。低至 80% RMT 的强度已被证明可以在健康个体中引起 cSP³⁹，但对健康和患病人群的研究仍然使用高达 150% RMT⁴⁹，^50，51 的强度。尽管这种异质性来源可能是目标人群性质所固有的，但不应忽视，因为不同的SI已经显示出独立（无论肌肉收缩力如何）决定了MEP^39...

材料

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