The authors have no acknowledgements.

概説実験手順は、制度倫理的承認を受け、ヘルシンキ宣言に従っています。データは、手順を知っていたし、彼の書面によるインフォームドコンセントを与えた代表参加者から収集しました。 1.機器の準備<ol><li>シェービングにより、電極の位置で皮膚をきれいにし、低インピーダンス（&lt;5kΩの）を得るためにアルコールで汚れを除去。 </li><li>ヒラメ筋のための内果に大腿骨の内側condylis間のラインの2/3で（直径10mmの記録）は、2つのAgCl表面電極を配置します。内側腓腹筋のための筋肉の最も顕著な膨らみに。腓骨頭と横腓腹筋のためのかかとの間の線に沿った距離の1/3で、そして、腓骨の先端と前脛骨筋のための内果の先端間の線に沿った距離の1/3で、interelectroとデ距離（中心）2センチ、SENIAM勧告30に従って。 注：ヒラメ筋電極は、彼らが（クロストーク）gastrocnemiusの複数形の筋肉の頭から活動を記録していないことを確実にするためにgastrocnemiusの複数形筋の遠位挿入の下に配置する必要があります。 </li><li> （刺激と記録部位間の）同じ足の中心位置に基準電極を配置します。 </li><li>ヒラメとgastrocnemiusの複数形の筋肉が引き伸ばされていないと、H-反射が11,12を変更しないように、90°（0°=フル底屈）の足首の角度を得るために、高さと椅子の深さを調整します。 <ol><li>原因gastrocnemiusの複数形の筋肉の二関節性質のために（0°=フル膝伸展）90°の膝角度を設定します。しかし、足底屈筋の最大随意トルクを実行するために最適な足首の角度が70〜80°（0°=フル底屈）26です。このように、足首の角度がパラに依存します関心のメーター（機械的な録音対電気生理学）。 注：関係なく、選択された初期角度の、それは、神経筋の興奮性の11,12,27,28を標準化するために 、実験を通じて一定でなければなりません。 </li><li>モータープール29の興奮に一定皮質前庭影響を維持するために、試験中に被験者の姿勢を監視する場合は特に注意してください。 </li></ol></li><li>しっかりエルゴメータ25の回転軸と整列ジョイント（外くるぶし）の解剖学的軸に、エルゴメータに足首ストラップ。 <ol><li>足底屈筋トルクを記録するエルゴメーターに接続されている踏み板に被写体及ぼし圧を有します。トルクの小さな変化を検出することができるように、実験を通して足不動にしてください。 </li></ol></li><li>注記：特定の状況下で、ヒールはフォースプレートから少し持ち上げも足と足首が確保されていない場合、どのかもしれルプレートに対するトルクの伝達が不完全に広告。 図3は、実験の説明を提示しています。 </li></ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52974/52974fig3.jpg" /> 図3：実験のセットアップクラシック実験は電（EMG）とトルクの信号を記録します。 <ol start="6"><li>ケーブルでアンプに電極を接続します。 </li><li> 2-5 kHzにトルクとEMG測定のためのサンプリングレートを設定します。アナログ - デジタル（AD）変換方式を使用して、EMG信号を記録します。信号は、瞬時に、いくつかのパラメータ（例えば、最大値、ピーク・ツー・ピーク振幅、持続時間）の値を与えるデータ収集システムを用いてモニタに表示されます。 EMG信号のスペクトルは5 Hzから2 kHzの周波数の間の範囲とすることができるが、主に10 Hzから1 kHzの31の間に含まれています。従って、サンプリング周波数は、信号形状DURを維持するのに十分に高くなければなりませんEMG記録をる。 10 Hzから1 kHzの8,21,32の間の帯域幅の周波数を使用して、筋電信号（ゲイン= 500から100）を増幅し、フィルタリングします。 </li><li>膝蓋腱の上に電気刺激のための陽極を配置します。 </li><li>膝窩に手持ちカソードボール電極を使用して、特定の強度に最適なヒラメH反射を得るために、後脛骨神経の最高の刺激部位を決定します。 H反射の最大値に達するまで、陰極ボール電極を有するいくつかの刺激部位を試験します。 <ol><li>録音前脛骨筋活動は総腓骨神経がアンタゴニストIaが12を求心性神経からの影響を回避するために活性化されていないことを確認します。神経繊維、特に求心性線維10の最適な活性化を提供するために、1ミリ秒のパルス幅を設定します。 </li></ol></li><li>一定の刺激条件を確保するために、刺激部位の位置で自己接着性のAgCl陰極を配置し（例えば圧力、オリエントエーション）。 注：これらのパラメータ（被写体位置、電極の位置と刺激部位）のすべては、異なる電気生理学的測定を評価するために変更されません。唯一の刺激の強さと状態（収縮対残り）が異なります。 </li></ol>安静時の2試験手順<ol start="1"><li>リラックスしたままにすると、安静時の彼/彼女の筋肉を維持するために、被験者に指示します。 </li><li>最大のヒラメ筋H-反射振幅（;：20〜50ミリアンペア通常の範囲H max）を得るために、刺激強度を調整します。ヒラメ筋のM波は、H、最大強度で観察することができます。 注：（例えば、疲労プロトコル前後）を繰り返し測定のために、Hの最大応答を得るための最適な強度は、セッションの間に変化し得ます。 Hの最大振幅の過小評価につながる可能性が一定の強度を保つように、実験者は、定期的にH maxを再評価することをお勧めします強度33。 </li><li>活性化後のうつ病34を避けるために 3秒の最小間隔でこの強度で3ヒラメH-反射応答の最小値を記録します。 注意：いくつかの応答を記録することにより、H-反射の特定の感度に、より適しているが急速に回復の影響を回避しようとすると、単一の刺激は、たとえば、いくつかの状況下では十分で（例えば疲労プロトコル中）。 </li><li>最大のヒラメ筋のM波振幅（;：40〜100ミリアンペア通常の範囲M max）を得るために、刺激強度を増加させます。通常、2刺激12,35の間に8〜10秒の間隔で2-4 mAで刺激強度の増加を設定します。 M maxが得られた場合に所望の強度が達成され、そして全くH-反射応答は観察されないことができます。 </li><li> M-波がその最大値のプラトーに達したことを確認するために、M の最大刺激強度の120から150パーセントに、最終的な強さを設定します。このintensiTYは、以下の手順で超最大強度と呼ばれています。 </li><li>セッションを通じてヒラメM波記録のための一定の刺激強度を保ちます。 </li><li>レコード3ヒラメM-波と、この強度で3関連する筋トルク。 </li></ol>随意収縮時には3試験手順<ol start="1"><li>ウォームアップとして、収縮のそれぞれの間の数秒の残りの部分と、足底屈筋の10短いと非疲労準最大の収縮を実行するために、被験者に依頼してください。ウォームアップの終了時に、任意の疲れ効果11を避けるために、最小1分の休憩を取ります。 </li><li>連続記録下腿三​​頭筋活動。ヒラメとgastrocnemiusの複数形の筋肉を記録すると、単一の刺激部位24に異なる筋肉類型の挙動の分析を可能にします。 </li><li>足底屈筋群の等尺性最大随意収縮（MVC）を実行する対象を指示します。対象はpossiな限りハードにプッシュする必要があります彼の足底屈筋を収縮させることによりエルゴメータに対してBLE。努力の間に、被験者に視覚的なフィードバックを与えて、標準化された言葉による励まし19。プラトーが観察されたときにMVCに到達します。 </li><li>筋肉が収縮（増強ダブレット）は自発的活性化レベルを評価するために直後に完全に緩和されたときに、MVC（重畳ダブレット）、および他の対になった刺激の台地の間に超最大強度で対になった刺激（100 Hzの周波数）を提供します。特定のデバイス（例えばDigitimer D185マルチ刺激）を介して、または単一パルス刺激に関連した刺激プログラムを介して、このペアの刺激を提供します。 </li><li>各試行11の間に少なくとも1分間の残りの部分と足底屈筋の第二のMVCを実行する対象を指示します。二審からのピークトルクは、最初の5％以内でない場合は、追加の試験は36を実行する必要があります。によって達成最大トルク被験者は、MVCトルクとします。 </li></ol> 4.データ解析<ol start="1"><li>安静時のデータ解析<ol><li>残り（H波またはM波）で単収縮に関連したEMG応答を含む時間ウィンドウを選択します。 </li><li>ピーク・ツー・ピーク振幅、ピーク・ツー・ピークの時間を測定する、および/ ​​または波の面積（ 図4A）。振幅が直接ソフトウェアによって提供されていない場合は、最大値と最小値を減算します。 <ol><li>期間については、時間枠の最大ピークから開始して、最小限のピークに終了を測定します。地域のために、EMG信号の積分波形の先頭から開始し、波の最後に終了を計算します。 注：ピーク・ツー・ピーク振幅が反映させることができる：1）神経筋伝達、2）運動単位活動電位の振幅および/ ​​または37の潜在的な運動単位アクションの3）時間的分散。 M波の持続時間は、神経筋の伝播37を反映しています。 </li></オール&gt; </li><li>複数の臨床試験では、波の平均値を計算します。平均直接いくつかの臨床試験（少なくとも3）からこの値を計算するためのソフトウェア、使用の表計算ソフト（表計算プログラムで例えば式機能）によって提供することができない場合。 </li><li>安静時筋を選択します。 </li><li>安静時筋（ 図4B）に関連したピークトルクを測定します。 </li><li>複数の臨床試験では、安静時の痙攣の平均ピークトルクを計算します。平均直接いくつかの臨床試験（少なくとも3）からこの値を計算するためのソフトウェア、使用の表計算ソフト（表計算プログラムで例えば式機能）によって提供することができない場合。 </li><li>他の所望のパラメータ（収縮時間またはハーフ緩和時間）のためのポイント4.1.2に記載され、これらの手順を繰り返します。単収縮パラメータの分析は、興奮収縮カップリング効率17として指示を提供します。特に、契約イオン時間は、選択された筋肉群38に依存することができます収縮動態8のインデックスを提供します。 </li><li>電気機械の効率を定量化するために、ピークトルクと表計算ソフト（Excelなど ）を使用して、M波の和との比を計算する（PがT / M）。脛骨神経刺激によって誘発される機械的な応答は、下腿三頭筋全体として、ヒラメとgastrocnemiusの複数形、M波の振幅が加算されなければならない39の活性化に対応しています。 </li></ol></li></ol><img alt="図4" src="/files/ftp_upload/52974/52974fig4.jpg" /> 図4：電気的、機械的応答の説明典型的なM波のピーク・ツー・ピーク振幅の（A）測定（MV）、待ち時間（ミリ秒）と面積（mV.ms）。ピーク単収縮トルク（NM）の（B）の測定、収縮時間（ミリ秒）と単収縮の半緩和時間（ミリ秒）。 <aHREF = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/52974/52974fig4highres.jpg&quot;ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <ol start="2"><li>収縮におけるデータ解析<ol><li>ピークトルク含むが刺激アーチファクトとEMGの沈黙期間の終了までの時間を除いて、MVCトルクの高原中ヒラメ筋活動の500ミリ秒の時間ウィンドウを選択します。サイレント期間は刺激後の継続的な自主的な筋活動の抑制に対応しています。 </li><li>ルートは、直接ソフトウェアで提供されていない平方（RMS）を意味する場合は、以下の式40を使用して、EMG活動を定量化するために、RMS計算：EMGのRMS <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/52974/52974eq1.jpg" /></li><li>波の持続時間にわたって、安静時のM 最大のRMSを測定または計算します。 </li><li>表計算ソフトを使用して、RMS EMG / RMS Mmaxの比を計算します。EMG値とRMS 値がMmaxを同じ筋肉から選択されなければならないRMS。 </li><li>二重刺激（ 図5）によって誘発される重畳トルクを除くMVCの最大値に、安静時のトルクのベースラインからのMVCの最大ピークトルクを測定します。 </li><li>誘発反応（ 図5）のピークに刺激の開始時に自主的なトルク値から、MVCの間に二重の刺激によって誘発される重畳トルクを測定します。 </li><li>増強ダブレットを選択します。 </li><li>増強ダブレットに関連したピークトルクを測定します。 </li><li>以下の式40を使用して、自発的な活性化レベル（VAL）を計算します。 <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/52974/52974eq2.jpg" /></li></ol></li></ol><img alt="図5" src="/files/ftp_upload/52974/52974fig5.jpg" /> 図5：重畳の測定と機械的信号にダブレットを増強した。重畳ピークトルク（PTS）を記録するには、刺激のダブレットは、等尺性最大随意収縮（MVC）の台地の間に誘発されます。増強ピークトルク（白金P）を記録するには、刺激のダブレットは、MVCのオフセット後に静止状態で誘発されます。

The authors have nothing to disclose.

経皮的神経刺激は、健康なヒトにおける神経運動機能の基本的な制御を理解するだけでなく、疲労や訓練17を介して 、急性または慢性の適応を分析できるようにするだけでなく、神経筋システムの多数の特性の定量化を可能にします。これは、特に測定値が急速に回復42の影響を回避するために、運動終了後できるだけ早く実行する必要があり疲労プロトコルのために非常に?...

経皮的電気神経刺激は広く神経筋機能1を評価するために使用されます 。基本的な原理は、筋肉の収縮を誘発する末梢運動神経に電気刺激を誘導することで構成されています。機械（トルク測定）および電気（筋電図活動）応答が同時に記録されます。考え接合部に記録されたトルクは、エルゴメーターを用いて評価されます。表面電極を用いて記録された筋電（EMG）信号は、2筋の活動を表すことが示されています。この非侵襲的な方法は、痛みを伴う、より簡単に筋肉の録音よりも実装されていません。単極および双極の両方の電極を使用することができます。単極電極構成は、小さな筋肉のために有用である筋活動3の変化に敏感であることが示されています。しかし、バイポーラ電極は、信号対雑音Rの改善に、より有効であることが示されましたatio 4最も一般的に記録し、モータユニットの活性を定量化する方法として使用されています。以下で説明する方法は、バイポーラの録音に焦点を当てます。 EMG活動は、神経筋システムの有効性および完全性の指標です。経皮的神経刺激の使用は、神経筋機能に筋肉、脊髄、または超脊髄レベルでの変化、すなわち （ 図1）、さらに洞察を提供しています。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52974/52974fig1.jpg" /> 図1：神経筋測定の概要 STIM：神経刺激。 EMG：電。 VAL：自主活性化レベル。 RMS：二乗平均平方根。 Mの最大：最大M波振幅。 安静時、また、M波と呼ばれる複合筋活動電位は、刺激アーチファクト後に観察された短い待ち時間応答であり、直接ACTIVによって励起筋肉量を表し、<html>筋肉につながる運動軸索のエーション（ 図2、数3）。 M波振幅がその最大値のプラトーに達するまでの強度で増加します。 M 最大と呼ばれるこの応答は、表面筋電図電極 5の下に記録されたすべてのモータユニットおよび/ ​​または筋線維の活動電位の同期加算を表します。ピーク・ツー・ピーク振幅または波領域の進化は、神経筋伝達6の変化を識別するために使用されます。 M波、 すなわちピーク筋トルク/力に関連した機械的応答の変化が原因で、筋肉の興奮性および/ ​​または筋線維7内の変化である可能性があります。 M の最大振幅値とピークの関連付けは、けいれんトルク振幅白金（Pt / M比）、すなわち与えられた電気モータ指令のための機械的な応答、筋肉8の電気効率の指標を提供します。 52974 / 52974fig2.jpg &quot;/&gt; 図2：モーターと神経刺激によって活性化再帰経路混合（モーター/感覚）神経（STIM）の電気刺激は、モータ軸索およびIa求心性発射の両方の脱分極を誘導します。脊髄に向けてのIa求心性神経の脱分極は、順番に、H-反射反応（経路1 + 2 + 3）を連想させるアルファ運​​動ニューロンを活性化します。 M波（経路3）：刺激強度に応じて、モータ軸索の脱分極は、直接筋肉の反応を呼び起こします。最大M波の強度で、逆行性電流は、（3 &#39;）が生成され、反射ボレー（2）に衝突します。この衝突は、部分的または完全に、H-反射反応をキャンセルします。 H-反射は、IA-αの運動ニューロンのシナプス9の変化を評価するために使用される電気生理学的応答です。このパラメータは、安静時または自発的収縮の間に評価され得ます。 H-反射は伸張反射の変形を表す（ 図2、NUmber 1-3）。 H-反射はmonosynaptically Iaの求心性経路10,11によって動員モータユニットを活性化し、末梢および中枢の影響12を施すことができます。 H-反射を誘発する方法は、安静時および13,14等尺性収縮15中脊髄興奮性を評価するための高被検体内の信頼性を有することが知られています。 随意収縮の間、自発的な神経ドライブの大きさは、EMG信号の振幅を用いて評価することができ、一般的に二乗平均平方根を用いて定量化（RMS）。 RMS EMGは、一般的に随意収縮（ 図1）の間に運動系の興奮のレベルを定量化する手段として使用されます。そのため内および被験者間変動16の、RMS EMGは筋特異的最大随意収縮（RMS EMGmax）中に記録された筋電図を用いて正規化する必要があります。加えて、EMG信号の変化をbことがあるので周辺レベルでの変化に起因する電子は、このようなM波などの周辺パラメータを使用して、正規化は、EMG信号の唯一の中心的要素を評価することが要求されます。これは、M波の最大振幅またはRMS 値MmaxによりRMS EMGを分割することによって行うことができます。それを考慮にM波期間17の可能な変更を要するとして、RMS 値Mmax（ すなわち RMS EMG / RMS 値Mmax）を使用して、正規化は、好ましい方法です。 運動コマンドは、自発的な活性化レベル（VAL）を計算することにより評価することができます。この方法は、最大随意収縮時のM の最大強度で電気刺激を重ね合わせることにより攣縮補間技術18を使用しています 。神経を刺激することによって誘導され、余分なトルクは、弛緩した筋肉増強19に同一の神経刺激によって生成された制御攣縮と比較されます。最大VAL、元の単収縮interpoを評価するために、マートン18によって説明レーション技術は、随意収縮の上に補間され、単一の刺激を必要とします。誘発トルク増分は、単一の刺激応答20に比べて、より大きな、より容易に検出され、より少ない変数であるため、最近では、対になった刺激の使用は、より一般的になってきています。 VALは、最大限の作業の筋肉21を活性化するために、中枢神経系の能力の指標を提供します。現在、VALは単収縮補間技術を使用すると、筋肉の活性化22のレベルを評価する最も貴重な方法で評価しました。また、エルゴメーターを用いて評価し、ピークトルクは、研究と臨床現場での使用の23の適用最も適切研究強度試験パラメータがあります。 電気神経刺激は、筋群（例えば、肘屈筋、手首の屈筋、膝伸展、足底屈筋）の様々な使用することができます。しかし、神経のアクセシビリティが作りますいくつかの筋肉群で難しい技術。足底屈筋、特に下腿三頭筋（ヒラメ筋とgastrocnemiusの複数形）の筋肉は、しばしば文献24において検討されています。実際、これらの筋肉は、彼らの特定の関心を正当化する、移動に関与しています。刺激部位及び記録電極間の距離は、下腿三頭筋の異なる誘発波の同定を可能にします。膝窩で脛骨神経と多数のスピンドルの表面的な部分は、簡単に他の筋肉24に比べて反射応答を記録することを可能にします。これらの理由から、現在提示反射方法は、筋（ヒラメ筋と腓腹筋）の下腿三頭筋のグループに焦点を当てています。このプロトコルの目的は、下腿三頭筋における神経筋機能を調査するために経皮的神経刺激法を記述することです。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Biodex dynamometer</td>
			<td>Biodex Medical System Inc., New York, USA</td>
			<td></td>
			<td><a href="http://www.biodex.com/">www.biodex.com</a></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MP150 Data Acquisition System</td>
			<td>Biopac Systems Inc., Goleta, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acknowledge 4.1.0 software</td>
			<td>Biopac Systems Inc., Goleta, USA</td>
			<td></td>
			<td><a href="http://www.biopac.com/">www.biopac.com</a></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DS7A constant current high voltage stimulator</td>
			<td>Digitimer, Hertfordshire, UK</td>
			<td></td>
			<td><a href="http://www.digitimer.com/">www.digitimer.com</a></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver chloride surface electrodes</td>
			<td>Control Graphique Medical, Brie-Comte-Robert, France</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 Cable for connecting the Biodex to the MP150</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 Cable for connecting the Digitimer to the MP150</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 Cable for connecting the MP150 to the computer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assessment of neuromuscular function using percutaneous electrical nerve stimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels). The present protocol describes how this method can be used to stimulate the posterior tibial nerve that activates plantar flexor muscles. Percutaneous electrical nerve stimulation consists of inducing an electrical stimulus to a motor nerve to evoke a muscular response. Direct (M-wave) and/or indirect (H-reflex) electrophysiological responses can be recorded at rest using surface electromyography. Mechanical (twitch torque) responses can be quantified with a force/torque ergometer. M-wave and twitch torque reflect neuromuscular transmission and excitation-contraction coupling, whereas H-reflex provides an index of spinal excitability. EMG activity and mechanical (superimposed twitch) responses can also be recorded during maximal voluntary contractions to evaluate voluntary activation level. Percutaneous nerve stimulation provides an assessment of neuromuscular function in humans, and is highly beneficial especially for studies evaluating neuromuscular plasticity following acute (fatigue) or chronic (training/detraining) exercise.

増加する刺激強度は、HおよびM波との間の応答の振幅の異なる進化をもたらします。 M波は次第に最大強度でプラトーに達するまで増加させながら残りで、H-反射が（進化のためのM波および図6のグラフ表示については、図4を参照して 、EMG信号から全く存在される前に最大値に達しますM-波と強度のH-反射）の。ヒラメ筋は、刺激開始とM波の間の待ち時間?...

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Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

We present a protocol to assess changes in neuromuscular function. Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method that evokes muscular responses. Electrophysiological and mechanical properties of these responses permit the evaluation of neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels).

経皮的電気神経刺激を使用した神経筋機能の評価

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

assessment-neuromuscular-function-using-percutaneous-electrical-nerve

Research

JoVE Journal

Neuroscience

21.7K ビュー.  Univ. Bourgogne Franche–Comté. We present a protocol to assess changes in neuromuscular function. Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method that evokes muscular responses. Electrophysiological and mechanical properties of these responses permit the evaluation of neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels). 

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Studying Synaptic Vesicle Pools using Photoconversion of Styryl Dyes

The fusion of synaptic vesicles with the plasma membrane (exocytosis) is a required step in neurotransmitter release and neuronal communication. The vesicles are then retrieved from the plasma membrane (endocytosis) and grouped together with the general pool of vesicles within the nerve terminal, until they undergo a new exo- and endocytosis cycle (vesicle recycling). These processes have been studied using a variety of techniques such as electron microscopy, electrophysiology recordings, amperometry and capacitance measurements. Importantly, during the last two decades a number of fluorescently labeled markers emerged, allowing optical techniques to track vesicles in their recycling dynamics. One of the most commonly used markers is the styryl or FM dye 1; structurally, all FM dyes contain a hydrophilic head and a lipophilic tail connected through an aromatic ring and one or more double bonds (Fig. 1B). A classical FM dye experiment to label a pool of vesicles consists in bathing the preparation (Fig. 1Ai) with the dye during the stimulation of the nerve (electrically or with high K+). This induces vesicle recycling and the subsequent loading of the dye into recently endocytosed vesicles (Fig. 1Ai-iii). After loading the vesicles with dye, a second round of stimulation in a dye-free bath would trigger the FM release through exocytosis (Fig. 1Aiv-v), process that can be followed by monitoring the fluorescence intensity decrease (destaining).

Although FM dyes have contributed greatly to the field of vesicle recycling, it is not possible to determine the exact localization or morphology of individual vesicles by using conventional fluorescence microscopy. For that reason, we explain here how FM dyes can also be used as endocytic markers using electron microscopy, through photoconversion. The photoconversion technique exploits the property of fluorescent dyes to generate reactive oxygen species under intense illumination. Fluorescently labeled preparations are submerged in a solution containing diaminobenzidine (DAB) and illuminated. Reactive species generated by the dye molecules oxidize the DAB, which forms a stable, insoluble precipitate that has a dark appearance and can be easily distinguished in electron microscopy 2,3. As DAB is only oxidized in the immediate vicinity of fluorescent molecules (as the reactive oxygen species are short-lived), the technique ensures that only fluorescently labeled structures are going to contain the electron-dense precipitate. The technique thus allows the study of the exact location and morphology of actively recycling organelles.

FM dyes have been of invaluable help in the understanding of synaptic dynamics. FMs are normally followed under the fluorescent microscope during different stimulation conditions. However, photoconversion of FM dyes combined with electron microscopy allows the visualization of distinct synaptic vesicle pools, among other ultrastructure components, in synaptic boutons.

スチリル染料の光変換を使用して、シナプス小胞プールの勉強

The fusion of synaptic vesicles with the plasma membrane (exocytosis) is a required step in neurotransmitter release and neuronal communication. The ...

神経科学

TMS: Using the Theta-Burst Protocol to Explore Mechanism of Plasticity in Individuals with Fragile X Syndrome and Autism

Fragile X Syndrome (FXS), also known as Martin-Bell Syndrome, is a genetic abnormality found on the X chromosome.1,2 Individuals suffering from FXS display abnormalities in the expression of FMR1 - a protein required for typical, healthy neural development.3 Recent data has suggested that the loss of this protein can cause the cortex to be hyperexcitable thereby affecting overall patterns of neural plasticity.4,5
In addition, Fragile X shows a strong comorbidity with autism: in fact, 30% of children with FXS are diagnosed with autism, and 2 - 5% of autistic children suffer from FXS.6
Transcranial Magnetic Stimulation (a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability via the application of localized magnetic field pulses 7,8) represents a unique method of exploring plasticity and the manifestations of FXS within affected individuals. More specifically, Theta-Burst Stimulation (TBS), a specific stimulatory protocol shown to modulate cortical plasticity for a duration up to 30 minutes after stimulation cessation in healthy populations, has already proven an efficacious tool in the exploration of abnormal plasticity.9,10 
Recent studies have shown the effects of TBS last considerably longer in individuals on the autistic spectrum - up to 90 minutes.11 This extended effect-duration suggests an underlying abnormality in the brain's natural plasticity state in autistic individuals - similar to the hyperexcitability induced by Fragile X Syndrome.
In this experiment, utilizing single-pulse motor-evoked potentials (MEPs) as our benchmark, we will explore the effects of both intermittent and continuous TBS on cortical plasticity in individuals suffering from FXS and individuals on the Autistic Spectrum.

In this article, we examine the effects of Theta-Burst TMS stimulation on cortical plasticity in individuals suffering from Fragile X syndrome and individuals on the autistic spectrum.

TMS：脆弱X症候群と自閉症の可塑性のMechasnismを探検するシータバーストプロトコルを使用する

Fragile X Syndrome (FXS), also known as Martin-Bell Syndrome, is a genetic abnormality found on the X chromosome.1,2 Individuals suffering from FXS ...

Nerve Excitability Assessment in Chemotherapy-induced Neurotoxicity

Chemotherapy-induced neurotoxicity is a serious consequence of cancer treatment, which occurs with some of the most commonly used chemotherapies1,2. Chemotherapy-induced peripheral neuropathy produces symptoms of numbness and paraesthesia in the limbs and may progress to difficulties with fine motor skills and walking, leading to functional impairment. In addition to producing troubling symptoms, chemotherapy-induced neuropathy may limit treatment success leading to dose reduction or early cessation of treatment. Neuropathic symptoms may persist long-term, leaving permanent nerve damage in patients with an otherwise good prognosis3. As chemotherapy is utilised more often as a preventative measure, and survival rates increase, the importance of long-lasting and significant neurotoxicity will increase.
There are no established neuroprotective or treatment options and a lack of sensitive assessment methods. Appropriate assessment of neurotoxicity will be critical as a prognostic factor and as suitable endpoints for future trials of neuroprotective agents. Current methods to assess the severity of chemotherapy-induced neuropathy utilise clinician-based grading scales which have been demonstrated to lack sensitivity to change and inter-observer objectivity4. Conventional nerve conduction studies provide information about compound action potential amplitude and conduction velocity, which are relatively non-specific measures and do not provide insight into ion channel function or resting membrane potential. Accordingly, prior studies have demonstrated that conventional nerve conduction studies are not sensitive to early change in chemotherapy-induced neurotoxicity4-6. In comparison, nerve excitability studies utilize threshold tracking techniques which have been developed to enable assessment of ion channels, pumps and exchangers in vivo in large myelinated human axons7-9.
Nerve excitability techniques have been established as a tool to examine the development and severity of chemotherapy-induced neurotoxicity10-13. Comprising a number of excitability parameters, nerve excitability studies can be used to assess acute neurotoxicity arising immediately following infusion and the development of chronic, cumulative neurotoxicity. Nerve excitability techniques are feasible in the clinical setting, with each test requiring only 5 -10 minutes to complete. Nerve excitability equipment is readily commercially available, and a portable system has been devised so that patients can be tested in situ in the infusion centre setting. In addition, these techniques can be adapted for use in multiple chemotherapies.
In patients treated with the chemotherapy oxaliplatin, primarily utilised for colorectal cancer, nerve excitability techniques provide a method to identify patients at-risk for neurotoxicity prior to the onset of chronic neuropathy. Nerve excitability studies have revealed the development of an acute Na+ channelopathy in motor and sensory axons10-13. Importantly, patients who demonstrated changes in excitability in early treatment were subsequently more likely to develop moderate to severe neurotoxicity11. However, across treatment, striking longitudinal changes were identified only in sensory axons which were able to predict clinical neurological outcome in 80% of patients10. These changes demonstrated a different pattern to those seen acutely following oxaliplatin infusion, and most likely reflect the development of significant axonal damage and membrane potential change in sensory nerves which develops longitudinally during oxaliplatin treatment10. Significant abnormalities developed during early treatment, prior to any reduction in conventional measures of nerve function, suggesting that excitability parameters may provide a sensitive biomarker.

This abstract describes a novel method to assess the development of neurotoxicity in patients receiving chemotherapy treatment. While conventional assessment methods are limited in their ability to detect early changes in nerve function, nerve excitability techniques provide early identification of patients at risk of severe neurotoxicity and insight into pathophysiology.

化学療法誘発性神経の神経興奮性の評価

Chemotherapy-induced neurotoxicity is a serious consequence of cancer treatment, which occurs with some of the most commonly used chemotherapies1,2. ...

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted deaf subjects1-6. Nonetheless, sound coding with current CIs has poor frequency and intensity resolution due to broad current spread from each electrode contact activating a large number of SGNs along the tonotopic axis of the cochlea7-9. Optical stimulation is proposed as an alternative to electrical stimulation that promises spatially more confined activation of SGNs and, hence, higher frequency resolution of coding. In recent years, direct infrared illumination of&#160;the cochlea has been used to evoke responses in the auditory nerve10. Nevertheless it requires higher energies than electrical stimulation10,11 and uncertainty remains as to the underlying mechanism12. Here we describe a method based on optogenetics to stimulate SGNs with low intensity blue light, using transgenic mice with neuronal expression of channelrhodopsin 2 (ChR2)13 or virus-mediated expression of the ChR2-variant CatCh14. We used micro-light emitting diodes (&#181;LEDs) and fiber-coupled lasers to stimulate ChR2-expressing SGNs through a small artificial opening (cochleostomy) or the round window. We assayed the responses by scalp recordings of light-evoked potentials (optogenetic auditory brainstem response: oABR) or by microelectrode recordings from the auditory pathway and compared them with acoustic and electrical stimulation.

Cochlear implants (CIs) enable hearing by direct electrical stimulation of the auditory nerve. However, poor frequency and intensity resolution limits the quality of hearing with CIs. Here we describe optogenetic stimulation of the auditory nerve in mice as an alternative strategy for auditory research and developing future CIs.

聴覚神経の光遺伝学的刺激

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

A Human-machine-interface Integrating Low-cost Sensors with a Neuromuscular Electrical Stimulation System for Post-stroke Balance Rehabilitation

A stroke is caused when an artery carrying blood from heart to an area in the brain bursts or a clot obstructs the blood flow to brain thereby preventing delivery of oxygen and nutrients. About half of the stroke survivors are left with some degree of disability. Innovative methodologies for restorative neurorehabilitation are urgently required to reduce long-term disability. The ability of the nervous system to reorganize its structure, function and connections as a response to intrinsic or extrinsic stimuli is called neuroplasticity. Neuroplasticity is involved in post-stroke functional disturbances, but also in rehabilitation. Beneficial neuroplastic changes may be facilitated with non-invasive electrotherapy, such as neuromuscular electrical stimulation (NMES) and sensory electrical stimulation (SES). NMES involves coordinated electrical stimulation of motor nerves and muscles to activate them with continuous short pulses of electrical current while SES involves stimulation of sensory nerves with electrical current resulting in sensations that vary from barely perceivable to highly unpleasant. Here, active cortical participation in rehabilitation procedures may be facilitated by driving the non-invasive electrotherapy with biosignals (electromyogram (EMG), electroencephalogram (EEG), electrooculogram (EOG)) that represent simultaneous active perception and volitional effort. To achieve this in a resource-poor setting, e.g., in low- and middle-income countries, we present a low-cost human-machine-interface (HMI) by leveraging recent advances in off-the-shelf video game sensor technology. In this paper, we discuss the open-source software interface that integrates low-cost off-the-shelf sensors for visual-auditory biofeedback with non-invasive electrotherapy to assist postural control during balance rehabilitation. We demonstrate the proof-of-concept on healthy volunteers.

A novel low-cost human-machine interface for interactive post-stroke balance rehabilitation system is presented in this article. The system integrates off-the-shelf low-cost sensors towards volitionally driven electrotherapy paradigm. The proof-of-concept software interface is demonstrated on healthy volunteers.

脳卒中後のバランスリハビリテーションのための神経筋電気刺激システムで低コストのセンサーを統合ヒューマンマシンインターフェース

A stroke is caused when an artery carrying blood from heart to an area in the brain bursts or a clot obstructs the blood flow to brain thereby preventing ...

Transcranial Electrical Brain Stimulation in Alert Rodents

Transcranial electrical brain stimulation can modulate cortical excitability and plasticity in humans and rodents. The most common form of stimulation in humans is transcranial direct current stimulation (tDCS). Less frequently, transcranial alternating current stimulation (tACS) or transcranial random noise stimulation (tRNS), a specific form of tACS using an electrical current applied randomly within a pre-defined frequency range, is used. The increase of noninvasive electrical brain stimulation research in humans, both for experimental and clinical purposes, has yielded an increased need for basic, mechanistic, safety studies in animals. This article describes a model for transcranial electrical brain stimulation (tES) through the intact skull targeting the motor system in alert rodents. The protocol provides step-by-step instructions for the surgical set-up of a permanent epicranial electrode socket combined with an implanted counter electrode on the chest. By placing a stimulation electrode into the epicranial socket, different electrical stimulation types, comparable to tDCS, tACS, and tRNS in humans, can be delivered. Moreover, the practical steps for tES in alert rodents are introduced. The applied current density, stimulation duration, and stimulation type may be chosen depending on the experimental needs. The caveats, advantages, and disadvantages of this set-up are discussed, as well as safety and tolerability aspects.

This protocol describes a surgical set-up for a permanent epicranial electrode socket and an implanted chest electrode in rodents. By placing a second electrode into the socket, different types of transcranial electrical brain stimulation can be delivered to the motor system in alert animals through the intact skull.

警告齧歯動物で経頭蓋脳の電気的刺激

Transcranial electrical brain stimulation can modulate cortical excitability and plasticity in humans and rodents. The most common form of stimulation in ...

Chronic Transcranial Electrical Stimulation and Intracortical Recording in Rats

Transcranial electrical stimulation (TES) is a powerful and relatively simple approach to diffusely influence brain activity either randomly or in a closed-loop event-triggered manner. Although many studies are focusing on the possible benefits and side-effects of TES in healthy and pathologic brains, there are still many fundamental open questions regarding the mechanism of action of the stimulation. Therefore, there is a clear need for a robust and reproducible method to test the acute and the chronic effects of TES in rodents. TES can be combined with regular behavioral, electrophysiological, and imaging techniques to investigate neuronal networks in vivo. The implantation of transcranial stimulation electrodes does not impose extra constraints on the experimental design while it offers a versatile, flexible tool to manipulate brain activity. Here we provide a detailed, step-by-step protocol to fabricate and implant transcranial stimulation electrodes to influence brain activity in a temporally constrained manner for months.

This detailed protocol describes transcranial stimulation electrode placement on the temporal bone in order to investigate the short- and long-term effects of transcranial electrical stimulation in freely moving rats.

慢性的な経頭蓋電気刺激およびラットの皮質内の記録

Transcranial electrical stimulation (TES) is a powerful and relatively simple approach to diffusely influence brain activity either randomly or in a ...

Stimulation Location Determination using a 3D Digitizer with High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation

The abundance of neuroimaging data and rapid development of machine learning has made it possible to investigate brain activation patterns. However, causal evidence of brain area activation leading to a behavior is often left missing. Transcranial direct current stimulation (tDCS), which can temporarily alter brain cortical excitability and activity, is a noninvasive neurophysiological tool used to study causal relationships in the human brain. High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) is a noninvasive brain stimulation (NIBS) technique that produces a more focal current compared to conventional tDCS. Traditionally, the stimulation location has been roughly determined through the 10-20 EEG system, because determining precise stimulation points can be difficult. This protocol uses a 3D digitizer with HD-tDCS to increase accuracy in determination of stimulation points. The method is demonstrated using a 3D digitizer for more accurate localization of stimulation points in the right temporo-parietal junction (rTPJ).

Presented here is a protocol to achieve higher accuracy in determination of stimulation location combining a 3D digitizer with high-definition transcranial direct current stimulation.

高精細経頭蓋直流刺激を用いた3Dデジタイザーを用いた刺激位置決定

The abundance of neuroimaging data and rapid development of machine learning has made it possible to investigate brain activation patterns. However, ...

3D Kinematic Analysis for the Functional Evaluation in the Rat Model of Sciatic Nerve Crush Injury

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of sciatic nerve injury rodent models. In this protocol, we describe a novel kinematic analysis method that uses a three-dimensional (3D) motion capture apparatus for functional evaluations using a rat sciatic nerve crush injury model. First, the rat is familiarized with treadmill walking. Markers are then attached to the designated bone landmarks and the rat is made to walk on the treadmill at the desired speed. Meanwhile, the posterior limb movements of the rat are recorded using four cameras. Depending on the software used, marker tracings are created using both automatic and manual modes and the desired data are produced after subtle adjustments. This method of kinematic analysis, which uses a 3D motion capture apparatus, offers numerous advantages, including superior precision and accuracy. Many more parameters can be investigated during the comprehensive functional evaluations. This method has several shortcomings that require consideration: The system is expensive, can be complicated to operate, and may produce data deviations due to skin shifting. Nevertheless, kinematic analysis using a 3D motion capture apparatus is useful for performing functional anterior and posterior limb evaluations. In the future, this method may become increasingly useful for generating accurate assessments of various traumas and diseases.

We introduce a kinematic analysis method that uses a three-dimensional motion capture apparatus containing four cameras and data processing software for performing functional evaluations during fundamental research involving rodent models.

坐骨神経クラッシュ損傷のラットモデルにおける機能的評価のための3D運動学的解析

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of ...

Establishment of Acute Pontine Infarction in Rats by Electrical Stimulation

Pontine infarction is the most common stroke subtype in the posterior circulation, while there lacks a rodent model mimicking pontine infarction. Provided here is a protocol for successfully establishing a rat model of acute pontine infarction. Rats weighing about 250 g are used, and a probe with an insulated sheath is injected into the pons using a stereotaxic apparatus. A lesion is produced by the electrical stimulation with a single pulse. The Longa score, Berderson score, and beam balance test are used to assess neurological deficits. Additionally, the adhesive-removal somatosensory test is used to determine sensorimotor function, and the limb placement test is used to evaluate proprioception. MRI scans are then used to assess the infarction in vivo, and TTC staining is used to confirm the infarction in vitro. Here, a successful infarction is identified that is located in the anterolateral basis of the rostral pons. In conclusion, a new method is described to establish an acute pontine infarction rat model.

Presented here is a protocol for establishing acute pontine infarction in a rat model via electrical stimulation with a single pulse.

電気刺激によるラットにおける急性ポンチン梗塞の確立

Pontine infarction is the most common stroke subtype in the posterior circulation, while there lacks a rodent model mimicking pontine infarction. Provided ...

Methods Article

経皮的電気神経刺激を使用した神経筋機能の評価