ניצול גירוי מגנטי Transcranial לחקר מערכת Neuromuscular האדם

Summary

גירוי מגנטי Transcranial (TMS) הוא כלי פולשני לקבל תובנות על הפיזיולוגיה והתפקוד של מערכת העצבים האנושית. כאן, אנו מציגים טכניקות TMS שלנו ללמוד רגישות קליפת המוח של הגפה העליונה שרירי הגב התחתון.

Abstract

גירוי מגנטי Transcranial (TMS) כבר בשימוש במשך יותר מ -20 שנה ^1, גדלה במהירות בעשור האחרון בפופולריות. בעוד השימוש TMS התרחב המחקר של מערכות ותהליכים רבים במהלך הזמן הזה, את הבקשה המקורית, ואולי אחד השימושים הנפוצים ביותר של TMS כרוכה בלימוד, פיזיולוגיה פלסטיות והתפקוד של המערכת התוקפת בני אדם. TMS הדופק יחיד להחיל את הקורטקס המוטורי שמרגש עצב פירמידליים transsynaptically ² (איור 1) ואת התוצאות בתגובה electromyographic מדידים שניתן להשתמש בהם כדי ללמוד להעריך את היושרה ואת רגישות בדרכי corticospinal בבני אדם ^3. בנוסף, ההתקדמות גירוי מגנטי עכשיו מאפשר חלוקה של עירור קורטיקלי לעומת השדרה ^4,5. לדוגמה, זיווג, הדופק TMS ניתן להשתמש כדי להעריך את המאפיינים ואת facilitatory מעכבות intracortical על ידי שילוב של מצבing הגירוי גירוי הבדיקה במרווחים שונים interstimulus ^3,4,6-8. במאמר זה הווידאו נדגים את ההיבטים המתודולוגיים והטכניים של טכניקות אלה. באופן ספציפי, נדגים הדופק יחיד ו לזווג הדופק טכניקות TMS כפי שהוחל על Carpi מכופף radialis (FCR) שרירים, כמו גם את תפקידם ספינאה (ES) השרירים. במעבדה שלנו מחקרים השריר FCR כפי שהוא עניין במחקר שלנו על ההשפעות של חוסר תנועה היד יד יצוק על ביצועי השריר מופחת ^6,9, ואנחנו המחקר השרירים ES בשל הרלוונטיות שרירים אלו קליני כפי שהוא מתייחס כאבי גב תחתון ^8. עם זאת כאמור, יש לציין כי TMS שימש ללמוד שרירים רבים של היד ביד, ואת הרגליים, וצריך לחזר כי ההפגנות שלנו FCR ואת קבוצות השרירים ES נבחרו רק דוגמאות של TMS בשימוש ללמוד את התוקפת אדם המערכת.

Protocol

1. TMS יחיד מותאמים-Pulse של שרירי FCR ו ES

1. בטיחות אמצעי זהירות בסיסיים: לפני ביצוע TMS בנושא אדם יש צורך המסך הראשון בהם אמצעי בטיחות בסיסיים כפי שהוא נוגע חשיפה לשדה מגנטי. במעבדה שלנו אנו פעל בהתאם להנחיות ההקרנה שנקבעו על ידי המכון לבטיחות מגנטי החינוך, תהודה ומחקר ^10. במעבדה שלנו אנחנו אף נוהג להוציא אנשים עם היסטוריה משפחתית של התקפי אפילפסיה. כמו כן, אנו דורשים נושאים העוברים TMS של שרירי ES ללבוש אטמי אוזניים ושומר הפה בשל עוצמות גירוי מוקד פחות חזק.
2. הקלטות חשמל: כדי לבחון את התגובות TMS במערכת המוטורית יש צורך להקליט electromyographic (EMG) אותות שרירי השלד. עבור בשריר FCR אנחנו במקום אלקטרודות על פני השטח הזרוע באמצעות אלקטרודה הסדר דו קוטבית ממוקם longitudinally מעל tהוא השריר על העור מגולח משופשפות כפי שתיארנו קודם לכן ^7,11. עבור השרירים הזוקפים תפקידם אנו משתמשים הסדר דומה אלקטרודה ממוקם longitudinally על השרירים ברמה L3-L5 השדרה על עור מגולח משופשפות ^8.
3. TMS אוריינטציה קויל: בעיקר כדי להפעיל נוירונים corticospinal transsynaptically יש צורך למקם את סליל TMS כראוי ^12. עבור שרירי FCR אנחנו במקום 70 מ"מ של דמות ושמונה סליל TMS משיק את הקרקפת של 45 מעלות לקו האמצע כך הזרם המושרה לרוחב-האחורי לכיוון המדיאלי, קדמית. עבור השרירים ES אנו משתמשים סליל כפול חרוט כי יש עומק חדירה גדולה יותר נדרשת עקב ייצוג של השרירים האלה להיות עמוק יותר הננס. כאן, הסליל ממוקם כך זורם הנוכחי קדמית אחורית על הכיוון. יש לנו מנהג שונה סליל שלנו עם מערכת מצורף לייזר כדי לסייע לנו subsequent מיצוב מחדש של הסליל הכפול חרוט.
4. זיהוי "נקודה חמה": יש צורך לקבוע את מיקום הגירוי הזה מעורר את המנוע הגדול ביותר עורר פוטנציאליים. עבור בשריר FCR אנו עושים זאת על ידי הזזת בעדינות סליל TMS סביב במרווחים קטנים מאוד לקבוע היכן אנו רואים את המנוע הגדול ביותר עורר משרעת פוטנציאל. נמצא ברגע שאנו מציינים את האזור הזה עם דיו בלתי מחיק על הקרקפת או כובע לייקרה. TMS של שרירי ES משמעותית נוח יותר בבני אדם מאשר TMS של שרירי הגפיים העליונות. לפיכך, יש לנו יעיל TMS שלנו פרוטוקול השרירים ES להגדיל וסבילות זה ואת הכדאיות. כאן, במקום לאתר את "נקודה חמה" אנו משתמשים במדידות אנתרופומטרים לזהות את קודקוד הגולגולת. באופן ספציפי, אנחנו מזהים את קודקוד כצומת של הגולגולת ב sagittal (בין nasinon ו inion) ו העטרה (בין tragus) מטוסים.
5. Biomechanical מיקום: חזק במעבדה שלנו כאשר אנו מבצעים TMS הנושאים שרירי FCR יושבים עם היד במצב מנוחה ממושכת 4 מערכת BioDex דינמומטר (איור 2). עם זאת, נציין כי זוהי רק דוגמה אחת אפשרית הגדרת למדידת הכוחות המופעלים. עבור ES הנושאים השרירים מתבקשים לשבת בתנוחה זקופה תוך ידיהם לנוח בחיקם (איור 3). הם יושבים על הכיסא המסתובב עם בסיס הירך ב 90 מעלות ביחס לתא המטען, את הרגל נמוך ב ~ 45 ° ביחס לירך, ועמוד השדרה המותני בשנת posture8 נייטרלי.
6. כימות סף מוטור: עבור FCR, אנו קובעים סף המנוע (MT) על ידי מתן פולסים יחיד בהדרגה לעוצמות גירוי עד הפוטנציאלים מנוע עוררו יש שיא ל-אמפליטודות השיא של יותר מ 50 מיקרוולטים של יותר מ -50% של הניסויים (איור 4) . כדי לייעל את פרוטוקול TMS ולהגדיל סבילות היתכנות אנחנו לא קובעים סף המנוע ES השרירים בדיוק כמו כאשר אנו בוחנים את שרירי הגפיים העליונות. במקום זאת, אנו מתחילים את הפרוטוקול TMS על ידי מתן פולסים יחיד הראשוני על 50% מהתפוקה המקסימלית ממריץ כדי לקבוע אם עוצמת הגירוי הוא מעל או מתחת לסף המנוע. אם חבר הפרלמנט האירופי, הוא ציין את עוצמת הגירוי הזה, כהגדרתו MEP להבחין ביחס לרמת הרקע EMG-עוצמת מצטמצם ל -40% מהתפוקה ממריץ כדי לקבוע אם עוצמת הגירוי הוא משנה או העל סף ^8.
7. כימות Amplitude MEP באמצעות Single-Pulse TMS: כדי לבחון את המנוע עוררו משרעת הפוטנציאל של FCR שאנו מספקים דופק TMS יחיד "נקודה חמה" בעצימות השווה ל 130% של סף המנוע, לחשב את המשרעת שיא אל שיא . באופן כללי, אנו לנרמל את התוצאה ל פוטנציאל פעולה מקסימלי שריר מתחם סיבים נצפתה הבאים supramaximal גירוי חשמלי של העצב המדיאני. נציין כי גודל MEP היא verתלויה מידת רגישות קליפת המוח y. לפיכך, כאשר הדופק TMS מועבר במהלך התכווצות רקע, כאשר רגישות מוגברת בקליפת המוח, גודל MEP יהיה להגדיל באופן משמעותי. עבור השרירים ES, אנו מספקים דופק TMS אחד עם קודקוד בעצימות 40 או 50% מעל עוצמת המנוע משנה את סף ^8. למרבה הצער, בגלל העצבים ההיקפיים innervating השרירים ES אינם נגישים גירוי חשמלי לא נוכל לנרמל את אלו הפוטנציאלים מנוע עורר את פוטנציאל סיבי השריר מתחם הפעולה.
8. כימות משך תקופת שקט באמצעות Single-Pulse TMS: כאשר הדופק TMS לקליפת המוח מועבר בזמן התכווצות שריר זה יהיה לייצר פוטנציאל המנוע עוררו ואחריו קפאון החשמל לפני קורות חיים פעילות מעיד על עיכוב corticospinal ואת המכונות גם הדומם התקופה ¹³ (איור 5). כדי לכמת את תקופת שקט שאנו מספקים יחידTMS על הדופק "נקודה חמה" בעצימות השווה ל 130% של סף המנוע בעוד הוא משתתף במחקר ביצוע כיפוף פרק היד התכווצות שרירים ב 15% של הכוח המרבי שלהם. אין לנו לכמת בעבר את משך תקופת שקט של שרירי ES, עם זאת, נציין כי ראינו anecdotally קיומה בקבוצה זו השריר כאשר את הדופק TMS id נמסר במהלך התכווצות רקע.
9. כימות הנחיית Intracortical באמצעות מותאמים Pulse-TMS: אנו משתמשים לזווג-TMS הדופק לכמת סיוע intracortical ^6,7 (איור 6 ו - 7 מייצג את המדידה של FCR והשרירים ES, בהתאמה). עבור בשריר FCR אנו לקבוע תחילה את עוצמת הגירוי צריכה לעורר פוטנציאל המנוע עוררו כי הוא mV בין 0.5-1.0. הבא, אנחנו מספקים מיזוג התת הדופק אשר במעבדה שלנו מוגדר בדרך כלל שווה ל 70% של המנוע הסף-15-msec לפני הפולס המבחן suprathreshold. זה מיזוגהדופק שנשא בתקופה זו לפני דופק את הבדיקה יגדל, או להקל, את המשרעת של המנוע עורר יותר פוטנציאל מאשר דופק מותנית יחיד בעוצמה זהה. עבור קבוצת שרירים ES עוצמת הדופק מיזוג מוגדר עוצמת המנוע משנה שנצפו סף (או 40% או 50% מהתפוקה ממריץ) ואת עוצמת הדופק מבחן מוגדר 40% מעל פני משנה המנוע סף (80% או 90% מהתפוקה ממריץ) ^8. נציין כי את עוצמת פעימות מיזוג יכול להיות מגוונת בהתאם המטרה של המחקר. כמו כן, מרווחי הדופק יכול להשתנות בהתאם השריר ואת המיקום היחסי לקליפת המוח שלה.
10. כימות קצר מרווח עיכוב Intracortical באמצעות מותאמים Pulse-TMS: אנו משתמשים גם לזווג-TMS הדופק לכמת קצר מרווח עיכוב intracortical ^6,7 (איור 6 ו - 7 מייצג את המדידה של שרירי FCR ו - ES, בהתאמה). הנה, גם אתFCR והשרירים ES, נהלים זהים כמתואר למדידת סיוע intracortical למעט interstimulus כי המרווח בין שתי פעימות מצטמצם msec 3. זה דופק מיזוג שנשא בתקופה זו לפני הדופק לבדוק תפחת, או לעכב, את המשרעת של המנוע עורר יותר פוטנציאל מאשר דופק מותנית יחיד בעוצמה זהה.
11. כימות ארוך מרווח עיכוב Intracortical באמצעות מותאמים Pulse-TMS: מתן two זהה מבחן suprathreshold פולסים כי הם מופרדים על ידי 100 מילישניות יכול לשמש גם כדי להעריך את זמן ההפסקה עיכוב intracortical ^6,7. במקרה זה, עבור FCR שרירים פוטנציאל המנוע עוררו הקשורים הדופק השני יהיה קטן יותר, או עכבות יותר, מזה קשור הראשונה (איור 8). אין לנו לכמת בעבר ארוכת מרווח עיכוב intracortical בשרירים ES בשל החשש נושא וסבילות.

2. נציג תוצאות:

בעקבות משלוח של TMS suprathreshold הדופק, את השרירים להיות מגורה צריך להפגין תגובה נצפות בקלות EMG (MEP) (מאויר איורים 4-8). חביון בין תחילת הגירוי לבין MEP ינועו בין קבוצות השרירים נבדקות, אך FCR היא בדרך כלל 16-19 msec (איור 6) ועל ES הוא 17-22 msec (איור 7; אם כי יש לציין כי במקצועות מסוימים סופי תחילת MEP בשרירים ES קשה יותר לזהות ויזואלית). יצוין, כי כאשר בודקים את שריר ES קבוצה מספר קבוצות שרירים אחרים גם הם גירוי לעין באופן דרמטי בו זמנית (כולל את שרירי לגפיים התחתונות, אשר מיוצגים בתוך האזור הכללי זהה של האיש הקטן). במהלך המדידה של סיוע intracortical את המשרעת MEP הוא בדרך כלל גדול יותר מזה שנצפה עם דופק בלתי מותנית יחיד (Figure 6 ו - 7). עם זאת, הניסיון שלנו כי מידת סיוע משתנה בין קבוצות השרירים עם כמה קבוצות, כגון שרירים כמו FCR-מראה רק סיוע צנוע בנושאים רבים. למדידת עיכוב intracortical קצר מרווח וארוך מרווח ירידה משרעת MEP הוא ציין באופן כללי בהשוואה דופק מותנית יחיד של אינטנסיביות זהה (איורים 6-8).

באיור 1. המנגנונים הבסיסיים של TMS. סליל TMS משרה שדה מגנטי, אשר חודרת את הקרקפת וגורם אדי הנוכחי בתוך הקורטקס המוטורי. זו הנוכחית אדי אז הוא מסוגל לעורר נוירונים בתוך המוח. איור נדפס מ גינלי וקלארק, בעיתונות ^14.

באיור 2. הגדרת לביצוע T MS על השריר FCR. הערה ההקלטה של ​​electromyogram (EMG) אותות מן האמה, ואת ההנעה TMS על הקורטקס המוטורי. אנחנו בדרך כלל גם שריר כוחות שיא, ולהשתמש גירוי חשמלי עצבי היקפי להשיג את המתחם מקסימלי סיב השריר פוטנציאל פעולה, כמו זו שימושית לפרש ערכים משרעת (למשל, ניתן לבטא MEP יחסית התגובה שריר מקסימלי בניגוד מוחלט mV ערך אשר יכול להיות מושפע מאוד לא פיזיולוגי גורמים כגון רקמת שומן תת עורית). איור נדפס מבין האפשרויות הבאות: קלארק et al. 2008 ^9, קלארק et al. 2010 ^6, ו גינלי et al. 2010 ^7.

באיור 3. הגדרת לביצוע TMS על שרירי spinale ספינאה. איור נדפס מ גוס et al. 2011 ^8.

_upload/3387/3387fig4.jpg "/>
איור 4. דוגמה קביעת סף המנוע. עקבות EMG לייצג את המנוע עורר תגובה פוטנציאל (MEP) לעוצמות גירוי בהדרגה (מיוצג כאחוז פלט ממריץ (SO)). שים לב ב בעוצמות נמוכות (28-30% של SO) חברי הפרלמנט האירופי קטן מאוד היו שהושרו (סף משנה), אבל ב 32% כך MEP הושרה כי סף המנוע הגיע (המוגדר בדרך כלל כמו חבר הפרלמנט האירופי, עם אמפליטודה עמ> 50 μV).

איור נדפס מ גינלי וקלארק, בעיתונות ^14.

. איור 5 TMS במהלך התכווצות: מנוע עורר תקופה פוטנציאל & שותק. תקופת שקט כאשר הנושא הוא ציין מבצע התכווצות קלה גירוי יחיד מוחלת על הקורטקס המוטורי. החלק הראשון של התקופה הוא שותקבשל עיכוב חוט השדרה ואת החלק השני מיוחסת עיכוב קורטיקליים, קולטני _GABA-B בפרט. אין דרך לכמת את הקונצנזוס משך תקופת שקט, אך הממצאים שלנו מצביעים על כך גם הגדרת אותו מתחילת גירוי או תחילת MEP להחזיר את האות של התערבות מרצון electromyogram הוא ¹⁵ אמין ביותר.
איור נדפס מ קלארק מהיר, 2011 ¹⁶ ו גינלי וקלארק, בעיתונות ^14.

איור 6. שינוי מנוע עורר פוטנציאל TMS בגודל ith הדופק לזווג של שריר FCR. מדידה של עיכוב קצר מרווח intracortical (SICI) ו סיוע intracortical (ICF). כדי לכמת SICI ו ICF הדופק מיזוג (CP) מוגדר מתחת לסף המנוע, ואת הדופק הבדיקה (TP) מוגדר לעורר MEP של בין 0.5-1 mV. במרווחי זמן קצר interstimulus(לדוגמא: 3-msec) למחסום מעכב את MEP בהשוואה TP בלבד (SICI), ואילו במרווחים interstimulus יותר (למשל, 15 msec) זה מקל על MEP (ICF).

CP: דופק אוויר, TP: איור מבחן הדופק נדפס מ קלארק et al, 2010 ^6, גינלי et al.. 2010 ^14, קלארק מהיר, 2011 ¹⁶ ו גינלי וקלארק, בעיתונות ^14.

איור 7. שינוי מנוע עורר בגודל פוטנציאל עם TMS הדופק לזווג של שריר ES. דוגמה של עקבות EMG מן השרירים ואת תפקידם ספינאה מדידת עיכוב קצר מרווח intracortical (SICI) ו סיוע intracortical (ICF).
איור נדפס מ גוס et al. 2011 ^8.

איור 8. שינוי מנוע Evoפוטנציאל ked בגודל עם TMS הדופק לזווג. מדידה של עיכוב ארוך מרווח intracortical (LICI). כדי לכמת LICI two פולסים הבדיקה מועברות בהפרש interstimulus של 100 msec. התוצאה MEP השני להיות מעוכבת בהשוואה MEP הראשונה.
איור נדפס מ קלארק et al. 2010 ^6, גינלי et al. 2010 ⁷ ו גינלי וקלארק, בעיתונות ^14.

Discussion

המטרה הכללית של מאמר זה היא לספק מדענים ורופאים חשבון החזותי של המעבדות שלנו לשימוש של גירוי מגנטי transcranial. זאת, בנוסף מתן להדמיה של ניסויים אלה, להלן נדון בסוגיות בסיסיות שיש להביא בחשבון בעת ​​ביצוע TMS באופן זה, לספק סקירה קצרה של הפיזיולוגיה של התגובות TMS, וגם לדון ה...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם ציוד	חברה	מספר קטלוגי	הערות (אופציונלי)
גירוי מגנטי transcranial 2002 גירוי מגנטי transcranial Bi-Stim2 הספרה שמונה 70 מ"מ סליל קון פעמיים קויל	חברת Magstim	NA	TMS ציוד (כולל סלילים)
Biodex מערכת 4	Biodex	NA	מד כח
Biopac MP150 System Data Acquisition	Biopac	MP150WSW	AD ממיר עבור EMG כוח
AcqKnowledge 4.0 נתונים רכישת תוכנה	Biopac	ACK100W
Nikomed Trace 1 אלקטרודות א.ק.ג.	Nikomed	2015	EMG האלקטרודות
ממריץ זרם קבוע	Digitimer	DS7A	עצבים היקפיים ממריץ