인간 신경근육학 시스템을 공부하기 Transcranial 자기 자극을 활용

요약

Transcranial 자기 자극 (TMS)은 인간의 신경 시스템의 생리와 기능에 대한 통찰력을 얻을 수있는 비침습적인 도구입니다. 여기, 우리는 상부 사지와 허리 근육의 외피 흥분을 공부하기 위해 TMS 기술을 제시한다.

초록

Transcranial 자기 자극 (TMS)는 20 년 이상 ¹ 사용되고 있으며, 지난 10 년간 인기가 기하 급수적으로 성장했습니다. TMS의 사용이 기간 동안 많은 시스템 및 프로세스의 연구에 확대되고 있지만, 원래 응용 프로그램과 아마도 TMS의 가장 일반적인 사용 중 하나는 생리학, 소성 및 인간 신경근육학 시스템의 기능을 공부하고 관련이 있습니다. 모터 피질에 적용되는 단일 펄스 TMS는 피라미드 뉴런 transsynaptically ² (그림 1)과 인간 ³ corticospinal 기관을의 무결성과 흥분을 연구하고 평가하는 데 사용할 수있는 측정 electromyographic 응답 결과를 자극. 또한, 자기 자극의 최근 발전은 이제 ^4,5 피질 척수 대 흥분의 파티션 수 있습니다. 예를 들어, 이점 - 펄스 TMS는 조건을 결합하여 intracortical facilitatory 및 억제 특성을 파악하기 위해 사용될 수 있습니다다른 interstimulus 간격 ^{3,4,6-8에서} ING의 자극과 시험 자극. 이 동영상이 문서에서 우리는 이러한 기술의 방법론과 기술적인 측면을 설명합니다. flexor carpi 근육 (FCR) 근육뿐만 아니라 건설자 spinae (ES) 근육에 적용되는 등 특히, 우리는 단일 펄스와 펄스 이점 TMS 기술을 보여주는 것입니다. 그것이 감소 근육의 성능 ^6,9에서 손목 직접 캐스트 고정의 영향에 대한 연구에 관심있는 그대로 우리 연구실은 FCR의 근육을 연구하고, 낮은 다시 통증에 관련된 우리 인해 이러한 근육 임상 관련성이 ES 근육을 연구 ^8. 이 명시된, 우리는 TMS가 손, 팔 및 다리의 여러 근육을 연구하는 데 사용되었음을 참고해야하고, FCR과 ES 근육 그룹에 우리의 시위는 오직 인간 신경근육학을 연구하는 데 사용되는 TMS의 예입을 선택하는 반복해야합니다 시스템입니다.

프로토콜

1. FCR과 ES 근육의 단일 및 이점 - 펄스 TMS

1. 기본 안전주의 사항 : 전에 인간 주제에 TMS를 수행하는 것이 자계에 노출 관련된으로 기본적인 안전 조치에 대한 첫 번째 화면 그들에게 필요합니다. 저희 연구실에서는 자기 공명 안전, 교육과 연구 ¹⁰ 연구소에 의해 규정된 심사 지침을 따르십시오. 저희 연구실에서는 또한 정기적으로 간질 압류의 가족 역사를 가지고있는 개인을 제외할 수 있습니다. 우리는 또한 ES 근육의 TMS를​​ 겪고 과목 귀마개하고 덜 초점과 강한 자극의 농도에 의한 마우스 가드를 착용해야합니다.
2. 전기 레코딩 : 그것은 골격 근육에서 electromyographic (EMG) 신호를 기록하는 데 필요한 모터 시스템에 TMS 반응을 검사합니다. FCR 근육을 위해 우리는 t 이상의 길이 방향에있는 바이폴라 전극 배열을 사용하여 팔뚝에 표면 전극을 배치우리가 이전에 ^7,11을 설명한대로 면도와 abraded 피부에 그는 근육. 건설자의 spinae 근육을 위해 우리는 면도와 피부 abraded ⁸ L3 번 요추 척추 수준에서 근육 이상의 길이 방향에 위치한 비슷한 전극 배열을 사용합니다.
3. TMS 코일 오리 엔테이션 : 주로 transsynaptically 그것이 적절하게 ¹² TMS 코일을 위치하는 것이 필요합니다 corticospinal의 뉴런을 활성화하려면. FCR 근육을 위해 우리는 중간선으로 두피와 45 도로 70 mm 아라비아 숫자의 팔을 닮은 도형의 TMS 코일이 접선 장소 있도록 중간 - 앞쪽에 방향으로 가로 - 후부에 유도 전류 흐름. ES 근육을 위해 우리는보다 침투 깊이가 있으며 homunculus에 깊이되고 이러한 근육의 표현으로 인해 필요한 이중 원추형 코일을 사용합니다. 여기, 코일은 앞쪽에의 현재 흐름이 방향을 사후에 이러한 위치이다. 우리의 우리를 지원하기 위해 레이저 첨부 파일 시스템의 코일을 맞춤 수정한이중 원추형 코일의 ubsequent 다시 위치.
4. '핫스팟'을 식별 : 그것은 잠재 evoked 가장 큰 모터를 elicits 자극 위치를 결정하는 것이 필요합니다. FCR 근육을 위해 우리는 갑자기 ... 아주 작은 단위로 주변의 TMS 코일을 이동하고 우리가 가장 큰 모터 잠재적인 진폭을 evoked 관찰 어디서 결정하여이 작업을 수행할. 일단있는 우리는 두피 또는 라이크라 모자 하나에 씻을 수없는 잉크로이 지역을 확인합니다. ES 근육의 TMS는 상위 사지 근육의 TMS보다 인간 주제에 상당히 더 불편합니다. 따라서, 우리는 그것의 tolerability과 타당성을 높일 수있는 ES 근육에 대한 능률 우리 TMS 프로토콜을했습니다. 여기, 대신 "핫스팟"을 찾는 중 우리는 두개골의 정점을 식별하는 anthropometric 측정을 사용합니다. 특히, 우리는 (tragus 사이) 비행기를 화살에있는 두개골의 교차로로서 정점 (nasinon와 inion 사이)와 코로나를 확인합니다.
5. Biomechanical 위치 : 은 BioDex 시스템 4 동력계 (그림 2)에서 확장된 위치에 휴식 팔로 앉아있다. 그러나, 우리는이 끼쳤다 세력을 측정하는 설정 가능한 하나의 유일한 예입니다 점에 유의한다. ES에 대한 근육 과목은 직립 자세로 앉으라고하는 동안 자신의 무릎에 손을 휴식 (그림 3). 그들은 90에서 허벅지와 스위블베이스 의자 ° 트렁크에 상대적 ~ 45 낮은 다리에 앉아 ° 허벅지, 그리고 중립 posture8에 허리 척추에 대한 상대.
6. 모터 임계값을 Quantifying : FCR에 대해서는 모터 evoked 후보는 재판의 50 % 이상에서 50 microvolts보다 큰 피크 - 투 - 피크 amplitudes (그림 4) 때까지 점차 자극의 강도를 증가에서 단일 펄스를 제공함으로써 모터 임계값 (MT)를 결정 . TMS 프로토콜을 간소화하고 tolerability과 가능성을 높이려면 우리는 E의 모터 임계값을 결정하지우리가 상위 사지 근육을 테스트 때와 같은 정밀 S 근육. 오히려, 우리는이 자극 강도가 위 또는 아래에 모터 임계값 있는지 확인하기 위해 최대 자극기 출력의 50 %에서 초기 단일 펄스를 제공하여 TMS 프로토콜을 시작합니다. MEP이 자극에서 관찰하는 경우 배경의 수준에 비해 뚜렷한 MEP와 같은 강도를 정의 EMG - 강도이 자극 강도가있는 경우 하위 또는 위에 - 임계값 ⁸ 확인할 수 자극기 출력의 40 %까지 줄어 듭니다.
7. 단일 펄스 TMS를 사용하여 Quantifying MEP 진폭 : 모터를 검토하기 위해 우리가 모터 임계값 130 %에 동등한 강도의 '핫스팟'을 하나의 TMS 펄스를 전달 FCR의 잠재적인 진폭을 evoked, 그리고 피크 - 투 - 피크 진폭을 계산 . 일반적으로, 우리는 중간 신경의 전기 자극 supramaximal 다음과 같은 관찰 최대한의 복합 근육 섬유 액션 가능성이 결과를 정상화. 우리는 MEP 크기는 버전 수있다는 점에 유의한다대뇌 피질의 흥분의 정도에 따라 Y. 따라서 TMS 펄스가 배경 자궁이 수축하는 동안 제공되면, 대뇌 피질의 흥분이 증가하면 MEP 크기가 크게 증가합니다. ES 근육을 위해, 우리는 서브 모터 임계값 강도 ⁸ 이상의 강도를 40에서 50 %로 정점에 하나의 TMS 펄스를 제공합니다. ES의 근육을 innervating 말초 신경 전기 자극에 접근하지 않기 때문에 불행히도, 우리는 복합 근육 섬유 액션 잠재력 이러한 모터 evoked 잠재력을 정상화 수 없습니다.
8. 단일 펄스 TMS를 사용하여 조용한 기간 기간 Quantifying : 피질에 TMS 펄스가 근육 수축 동안에 전달되면 그것은 corticospinal 억제 지표와 일반적으로 침묵이라고 활동 재개하기 전에 전기 정지에 이어 모터 evoked 잠재력을 생산합니다 기간 ¹³ (그림 5). 침묵 기간을 계량하기 위해 우리는 하나를 제공연구 참가자들이 최대한의 강도의 15 %에서 손목 굴곡의 근육 수축을 수행하는 동안 모터 임계값 130 %에 동등한 강도의 '핫스팟'으로 TMS 펄스. 우리는 이전에 ES 근육의 침묵 기간 기간 계량하지 않은, TMS 펄스 ID가 배경 자궁이 수축하는 동안 제공되면 그러나, 우리는 anecdotally이 근육 그룹의 존재를 관찰해야합니다 것입니다.
9. 이점 - 펄스 TMS를 사용하여 Intracortical 촉진을 Quantifying : 우리는 intracortical 촉진 ^6,7 (그림 6 및 7 FCR과 ES 근육, 각각에 대해이 측정을 나타냅니다)를 수치 이점 - 펄스 TMS를 사용합니다. FCR 근육을 위해 먼저 0.5-1.0 MV 사이에 모터 evoked 잠재력을 이끌어내는 데 필요한 자극 강도를 결정합니다. 다음, 우리는 실험실에서 일반적으로 모터의 70 % 한도 - 15 밀리초 같다 설정된 펄스 subthreshold 컨디셔닝을 제공 suprathreshold 테스트 펄스 전. 이 조절사전 테스트 펄스이 기간에 배달 맥박이 증가하거나 촉진되며, 모터의 진폭은 동일한 강도의 단일 펄스보다 무조건 잠재 더 evoked. ES 근육 그룹에 대한 조절 펄스 강도가 관찰 서브 모터 임계값 강도 (40 % 또는 자극기 출력의 50 % 중 하나)으로 설정하고 테스트 펄스 강도는 서브 모터 임계값 수준 (80 % 이상 40 % 설정 또는 자극기 출력의 90 %) ^8. 우리는 컨디셔닝 펄스의 강도가 연구의 목적에 따라 다양한 될 수 있습니다 것입니다. 마찬가지로, 펄스 간격은 근육과 대뇌 피질에 상대적인 위치에 따라 다를 수 있습니다.
10. 이점 - 펄스 TMS를 사용하여 단락 간격 Intracortical 억제 Quantifying : 저희는 또한 짧은 간격 intracortical 억제 ^6,7 (그림 6 및 7 FCR과 ES 근육이 측정, 각각을 대표)을 수치 이점 - 펄스 TMS를 사용합니다. 여기, 모두두 펄스 사이의 interstimulus 간격은 3 밀리초로 감소되는 예외와 함께 intracortical 촉진을 측정 설명된대로 FCR과 ES 근육은 절차는 동일합니다. 사전 테스트 펄스이 기간에 제공되는이 시설 펄스가 감소 또는 억제되며, 모터의 진폭은 동일한 강도의 단일 펄스보다 무조건 잠재 더 evoked.
11. 이점 - 펄스 TMS를 사용하여 장기 간격 Intracortical 억제 Quantifying : 100 밀리초로 구분된 두 동일한 suprathreshold 테스트 펄스를 제공하는 것은 또한 긴 간격 intracortical 억제 ^6,7를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 이 경우위한 FCR 근육 두 번째 펄스와 관련된 모터 evoked 잠재력 (그림 8) 첫 번째와 관련된보다, 작은 수, 또는 그 이상을 저해합니다. 우리는 이전에 주제 tolerability 우려로 인해 ES 근육에 긴 간격 intracortical 억제 계량하지 않았습니다.

2. 대표 결과 :

suprathreshold TMS 펄스의 전달에 따라 자극되는 근육은 쉽게 관찰할 수 EMG 응답을 (MEP) (그림 4-8에 설명된) 입증해야합니다. 자극 발병과 MEP 사이의 지연이 검사되는 근육 그룹 사이에 차이가 있지만 FCR을 위해 일반적으로 16-19 밀리초 (그림 6)과 ES 것이 17-22 밀리초 (그림 7이다, 그것이 있어야지만 일부 과목에서 ES 근육의 최종 MEP의 발병)가 시각적으로 파악하는 것이 더 어려울 것입니다 있다고 지적합니다. 이것은 ES 근육 그룹의 여러 근육 그룹들도 테스트를 할 때 눈에 크게 (homunculus 같은 일반 지역 내에서 표현되는 낮은 말단의 근육 포함) concomitantly 자극 것을인지해야합니다. intracortical 촉진의 측정 동안 MEP의 진폭은 단일 무조건 펄스 (F와 관찰보다 일반적으로 큰igure 6과 7). 그러나 촉진의 정도는 어떤 근육 그룹 - 등 많은 과목에서만 겸손 촉진을 FCR가 - 표시로 근육 그룹간에 차이가 우리의 경험이다. 짧은 간격과 긴 간격 intracortical 억제의 측정 MEP의 진폭의 감소는 일반적으로 동일한 강도 (그림 6-8)의 단일 무조건 펄스에 비해 관찰됩니다.

그림 1. TMS의 기본 메카니즘. TMS 코일은 두피를 침투하고 모터 피질 내의 와류를 유도 자기장을 유도. 이 맴돌이 전류는 다음 두뇌 속에 뉴런을 자극 수 있습니다. 그림 프레스 ^14, McGinley와 클라크에서 reprinted.

그림 2. T을 수행하기위한 설정 FCR 근육의 MS. electromyogram의 기록 (EMG)를 팔뚝의 신호와 모터 피질을 통해 TMS 패들합니다. 우리는 일반적으로 또한 기록 근육 세력, 그리고이 진폭 값 (절대 반대로 예를 들어, 하나는 최대한 근육 반응에 상대적을 표현하고 MEP 수있는 해석에 유용으로 최대한의 복합 근육 섬유 작업 잠재력을 얻기 위해 전기 말초 신경 자극을 사용하여 많이 등의 피하 지방 조직과 같은 비 physiologic 요인)에 의해 영향을받을 수있는 뮤직 비디오 값. 클라크 외 다음에서 reprinted 그림. 2008 ⁹ 클라크 외. 2010 년 ⁶ 및 McGinley 외. 2010 ^7.

그림 3. 건설자의 spinale 근육에 TMS를 수행하기위한 설정. 고스 외 그림에서 reprinted. 2011 ^8.

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그림 4. 모터 임계값 결정의 예. EMG의 흔적이 점차 증가 자극 농도 (자극기 출력의 비율 (SO)로 표시됨) 잠재적인 (MEP) 응답을 evoked 모터를 나타냅니다. 낮은 농도 (SO의 28-30의 %)로 매우 작은 MEPs가 (하위 임계값) elicited, 32 %에 SO MEP는 일반적으로 PP 진폭과 MEP으로 정의되는 도달 모터 임계값이 (elicited이라고 있다고합니다> 50 μV).

그림 프레스 ^14, McGinley와 클라크에서 reprinted.

. 자궁이 수축하는 동안 그림 5 TMS가 : 모터 잠재 & 침묵 기간을 evoked. 피사체가 약간 수축을 수행하고 하나의 자극이 모터 피질에 적용할 때 침묵 기간은 관찰됩니다. 침묵 기간의 첫 번째 부분은척수 억제하고 후반으로 인해 대뇌 피질의 억제, 특히 GABA _{B 수용체에} 기인합니다. 이 침묵 기간의 시간을 계량하기 위해 어떤 합의 방법은 없지만, 우리의 연구 결과는 중 자발적인 간섭 electromyogram 신호의 반환에 자극 발병 또는 MEP의 발병에서 정의하는 것이 가장 안정적인 ^15을 나타냅니다.
프레스 ^14, 클라크 및 빠른 2011 년 ^16과 McGinley와 클라크에서 reprinted 그림.

모터 그림 6. 변경 FCR 근육의 잠재적인 크기 ith 이점 펄스 TMS를 evoked. 짧은 간격 intracortical 억제 (SICI)와 intracortical 촉진 (ICF)의 측정. SICI과 ICF를 계량하려면 에어컨 펄스 (CP)는 모터 임계값 미만으로 설정하고 테스트 펄스 (TP)은 0.5-1 MV 사이의 MEP의를 연상으로 설정됩니다. 짧은 interstimulus 간격으로이상 interstimulus 간격으로 (예를 들어, 15 밀리초)는 MEP (ICF)을 용이하게하는 반면 (예 : 3 밀리초) CP는 오직 TP (SICI)에 비해 MEP을 억제.

CP : 에어컨 펄스, TP : 클라크 외에서 reprinted 테스트 펄스 그림 2010 년 ⁶ McGinley 외.. 프레스 ¹⁴ 2010 ^14, 클라크 및 빠른 2011 년 ^16과 McGinley와 클락.

모터의 그림 7. 변경 ES 근육의 이점 펄스 TMS와 잠재적인 크기를 evoked. 건설자의 spinae의 근육과 짧은 간격 intracortical 억제 (SICI)와 intracortical 촉진 (ICF)의 측정에서 EMG 추적의 예.
고스 외 그림에서 reprinted. 2011 ^8.

그림 8. 모터 에보 (Evo)로 변경이점 펄스 TMS 사이즈 ked 가능성. 긴 간격 intracortical 억제의 측정 (LICI). 수치 LICI이 테스트 펄스는 100 밀리초의 interstimulus 간격으로 전달됩니다. 두 번째 MEP이 결과는 첫 번째 MEP에 비해 저해되고.
클락 외 그림에서 reprinted. 2010 년 ⁶ McGinley 외. 2010 ⁷ McGinley와 클락, 보도 ^14.

토론

이 문서의 전반적인 목표는 우리 실험실의 시각 계정 transcranial 자석 자극을 사용하는 과학자와 임상을 제공하는 것입니다. 그러나 이러한 실험의 시각화를 제공하는 이외에 아래 우리는 이러한 방식으로 TMS를​​ 수행할 때 고려해야 할 기본적인 문제를 논의 TMS 반응의 생리에 대한 간략한 개요를 제공하고, 또한의 사용에 관해서와 TMS의 사용에 대해 논의 다른 사람.

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