M1 피질 척수 억제를 조사하기 위해 단일 펄스 경두개 자기 자극에 의해 유도된 반대쪽 침묵 기간 측정

요약

반대쪽 침묵 기간(cSP) 평가는 피질 흥분성 및 치료 반응을 색인화하는 유망한 바이오마커입니다. 우리는 상지 및 하지의 M1 피질 척수 억제를 연구하기 위한 cSP를 평가하기 위한 프로토콜을 시연합니다.

초록

반대쪽 침묵 기간(cSP)은 운동 유발 전위(MEP) 후 근전도 검사(EMG)에 의해 포착된 배경 전기적 근육 활동을 억제하는 기간입니다. 이를 얻기 위해 MEP는 선택된 표적 근육의 일차 운동 피질(M1)에 전달되는 역치 경두개 자기 자극(TMS) 펄스에 의해 유도되는 반면, 참가자는 표준화된 자발적 표적 근육 수축을 제공합니다. cSP는 MEP 이후에 발생하는 억제 메커니즘의 결과입니다. 초기 ~50ms의 척추 억제와 이후의 피질 억제에 대한 광범위한 시간적 평가를 제공합니다. 연구자들은 cSP의 이면에 있는 신경생물학적 메커니즘을 더 잘 이해하여 다양한 신경정신병 질환에 대한 잠재적인 진단, 대리 및 예측 바이오마커로 검증하려고 노력했습니다. 따라서 본 논문에서는 대상 근육의 선택, 전극 배치, 코일 위치, 자발적 수축 자극 측정 방법, 강도 설정 및 대표적인 결과를 얻기 위한 데이터 분석을 포함하여 하지와 상지의 M1 cSP를 측정하는 방법을 설명합니다. 하지와 상지에 대해 실현 가능하고 신뢰할 수 있으며 재현 가능한 cSP 프로토콜을 수행하는 시각적 지침을 제공하고 이 기술의 실질적인 문제를 논의하는 교육 목표를 가지고 있습니다.

서문

침묵 기간(SP)은 지속적인 근육 수축 동안 적용된 경두개 자기 자극(TMS)에 의해 유도된 운동 유발 전위(MEP)를 따르는 근전도(EMG) 침묵 기간입니다. 역치상 TMS 펄스는 EMG 활동이 기록되는 표적 근육의 반대쪽 또는 동측 일차 운동 피질(M1)에 적용될 수 있으며, 이는 반대쪽 침묵 기간(cSP)과 동측 침묵 기간(iSP)의 두 가지 현상을 생성합니다.

iSP와 cSP는 유사한 기능을 공유하지만 약간 다른 구성 요소를 반영할 수 있습니다. 첫 번째는 transcallosal 억제를 반영하는 것으로 생각되므로 전적으로 피질^{기원 1,2}. 반대로, cSP는 M1 ^3,4,5 내의 감마-아미노부티르산(GABA) B 수용체에 의해 매개될 가능성이 가장 높은 피질 척수 억제의 가능한 대리자로 조사됩니다.

GABA 매개 경로에서 cSP의 역할을 뒷받침하는 이전 연구에서는 GABA 강화 성분 ^5,6,7,8의 경구 투여 후 cSP 기간의 증가를 발견했습니다. 그러나 척추 과정은 또한 지속 시간을 변경하는 데 관여합니다. cSP의 초기 단계(<50ms)는 말초 신경 회로의 산물이며 척추 뉴런의 흥분성을 정량화하는 H-^{반사 값}3-a 반사 감소와 관련이 있다⁹. 척추 처리는 Renshaw 세포의 활성화, 운동 뉴런 과분극 후 및 척추 중간 뉴런 10,11,12,13,14에 의한 시냅스 후 억제를 통해 매개되는 것으로 생각됩니다.

척추 기여에도 불구하고, cSP는 주로 cSP (50-200 ^ms)3,10,13,15,16의 후반부를 생성하는 피질 억제 뉴런의 활성화로 인해 발생합니다. 그런 점에서, cSP 기간의 초기 부분은 척추 억제 메커니즘과 관련이 있는 반면, 긴 cSP는 더 큰 피질 억제 메커니즘을 요구합니다 3,13,17,18.

따라서 cSP는 신경 장애로 인한 피질 척수 부적응에 대한 유망한 바이오마커 후보인 반면, 더 중요한 cSP 기간은 잠재적으로 피질 척수 억제의 증가를 반영하며 그 반대의 경우도^{마찬가지입니다 5,11}. 따라서, 이전 연구에서는 cSP 기간과 근긴장이상, 파킨슨병, 만성 통증, 뇌졸중 및 기타 신경퇴행성 및 정신과적 상태와 같은 병리 사이의 연관성을 발견했다 19,20,21,22. 예를 들어, 무릎 골관절염 코호트에서 더 높은 피질 내 억제(cSP에 의해 지수화됨)는 몬트리올 인지 평가 척도²³에서 더 어린 나이, 더 큰 연골 변성 및 더 낮은 인지 능력과 관련이 있었습니다. 또한, cSP 변화는 종단적으로 치료 반응 및 운동 회복을 지표화할 수 있습니다(24,25,26,27,28,29,30).

신경정신의학 분야에서 cSP의 역할이 유망하지만, 평가의 어려운 측면은 프로토콜 변형에 너무 민감할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, cSP 지속 시간(~100-300ms)¹¹은 상지와 하지로 구별할 수 있습니다. Salerno et al. 섬유근육통 환자의 샘플에서 제1 등쪽 골간근(FDI)의 경우 평균 cSP 기간이 121.2ms(± 32.5), 전경골근(TA)의 경우 75.5ms(± 21)임을 발견했습니다³¹. 따라서 문헌은 cSP를 유도하는 데 사용되는 매개변수에서 무수히 많은 차이를 전달하며, 이는 차례로 연구 전반에 걸친 비교 가능성을 위태롭게 하고 임상 실습으로의 번역을 지연시킵니다. 예를 들어, 유사한 집단 내에서 프로토콜은 M1 및 표적 근육을 자극하는 데 사용되는 역치 TMS 펄스 설정과 관련하여 이질적이었습니다. 게다가 연구원들은 프로토콜에 사용된 매개변수를 제대로 보고하지 못했습니다.

따라서 목표는 상지 및 하지의 M1 피질 척수 흥분성을 평가하기 위해 실현 가능하고 신뢰할 수 있으며 쉽게 재현할 수 있는 cSP 프로토콜을 적용하는 방법에 대한 시각적 지침을 제공하고 해당 절차의 실질적인 방법론적 과제를 논의하는 것입니다. 또한 매개변수 선택에 대한 이유를 설명하는 데 도움이 되도록 Pubmed/MEDLINE에 대한 비철저한 문헌 검토를 수행하여 검색 용어를 사용하여 만성 통증 및 재활 인구에서 cSP에 대한 출판된 논문을 식별했습니다: Rehabilitation(Mesh) 또는 재활 또는 만성 통증 또는 뇌졸중 및 경두개 자기 자극 및 단일 펄스 또는 피질 침묵 기간과 같은 용어. 추출에 대한 포함 기준은 정의되지 않았으며 통합 결과는 설명 목적으로만 표 1 에 표시됩니다.

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프로토콜

이 프로토콜은 인간 대상에 대한 연구를 포함하며 지역 윤리위원회의 제도적 및 윤리적 지침 및 헬싱키 선언과 제휴합니다. 연구에서 데이터를 사용하기 위해 피험자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.

1. 실험 전 절차

1. 주제의 스크리닝. 두개내 임플란트, 간질, 발작 병력 및 임신에 대해 피험자를 선별합니다. 설문지 지침을 사용하여 최신 안전 예방 조치를 준수하는지 확인하십시오³².
   1. TMS를 사용한 전자기 펄스의 전달은 파편, 동맥류 클립 또는 용접 파편과 같은 강자성 물질의 두개내 임플란트가 있는 개인에게는 금기입니다. 발작 가능성이 높은 개인에게 예방 조치를 취하십시오.
   2. TMS 평가는 이 집단을 다룰 때 보수적인 입장을 취하도록 권고받는 임산부에게 태아 위험을 초래하지 않습니다. 소아 인구에 TMS를 적용하고 특정 발달 단계(즉, 천문 폐쇄, 피질 흥분성의 성숙 및 외이도의 성장)에서 조심스럽게 진행하는 것이 안전합니다³³.
2. 재료 준비. 이 절차의 경우 TMS 및 EMG 장치 외에 수영 모자, 알코올 패드(70% 이소프로필 알코올 준비), 전도성 젤, EMG 소프트웨어 설정으로 켜진 컴퓨터 및 조사된 근육에 적합한 동력계( 재료 표 참조).
   참고: 수영모는 피험자의 머리를 표시하는 불편함 없이 신뢰할 수 있고 재현 가능한 TMS 평가를 허용하는 가장 저렴하고 접근하기 쉬운 옵션이라는 장점이 있습니다.

2. 환자에 대한 적절한 지침

1. 절차의 기본 단계와 소요 시간을 설명하십시오.
2. 참가자에게 깨어 있지만 추가 주의 및/또는 집중이 필요한 인지 활동(예: 수학적 계산, 명상 등)을 수행하지 않도록 지시하고 손/턱 경련 또는 그럴듯한 부작용을 경험할 수 있다고 예상합니다. 이러한 사건은 경험이 없는 피험자에게는 예상치 못한 것처럼 보일 수 있으므로 절차를 위태롭게 할 수 있습니다.
   참고: 단일 및 쌍 펄스 TMS는 두통, 국소 통증, 목 통증, 치통 및 감각 이상을 포함한 경증, 일시적인 부작용과만 관련이 있습니다. 발작은 드물며, 다른 심각한 부작용은 발생하지 않았다³³. 추가적인 안전을 위해 유해한 소리의 가능성이 있으므로 귀마개와 교근 수축 가능성에 대한 바이트 블록을 제공하는 것이 좋습니다³⁴.

3. 실험 절차(그림 1)

1. 전극을 배치하기 위한 근육을 선택합니다.
   1. 피험자에게 엎드린 자세로 테이블 위에 손을 올려 놓으라고 요청하십시오. 첫 번째와 두 번째 중수골 골 사이에 국한된 FDI 근육을 선택하십시오. FDI를 식별하려면 피험자에게 저항에 대해 검지 손가락을 납치하고 나머지 손을 움직이지 않고 테이블 위에 눕히도록 요청하십시오.
   2. 선택한 영역을 노출합니다. 필요한 경우 일회용 면도기를 사용하여 해당 부위를 면도하여 피부와의 전극 접촉을 개선하고 알코올 패드로 해당 부위를 청소하여 피부 기름 및 임피던스를 증가시킬 수 있는 기타 요인을 제거합니다. 전극과의 접촉을 보장하기 위해 자유로운 피부가 있음을 인증하십시오.
      알림: 하지 활동을 평가하는 경우 전극 배치를 위해 TA 근육을 사용하십시오. 그것은 경골의 측면에 국한되어 있으며 피부의 표면 근처에 있습니다. 발목 배측굴곡으로 식별할 수 있습니다.
2. 표면 EMG 전극 배치
   1. 영역을 노출하고 청소한 상태에서 채널의 각 전극에 전도성 젤을 도포하여 임피던스가 양호하도록 합니다.
   2. 음극을 FDI 근육의 배꼽(근육 배의 중심 또는 가장 두드러진 돌출부)에 놓고 양극을 원위 지절간 관절에 놓고 전극 간 거리를 최소 1.5cm로 둡니다. 기준 전극(중성)을 손목의 척골 경상 돌기 위에 놓습니다.
      참고: 운동 종점, 근육 힘줄 또는 기타 활성 근육의 존재는 기록의 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 위치³⁵를 피하는 것이 중요합니다. TA 근육의 경우 전극은 비골 끝과 내측 복사뼈 끝을 연결하는 선의 1/3에 위치해야 합니다. 각 전극의 극 사이에 20mm의 거리를 두고 기준 전극을 발목에 배치합니다.
3. 필요한 근육 수축력 결정
   1. 디지털 핀치 동력계와 사각 피라미드 지지대를 사용하여 기계적 왜곡을 최소화하고 수축을 최소화하기 위해 감도를 높입니다.
   2. 피라미드 지지대의 도움으로 첫 번째 손가락과 두 번째 손가락 사이에 동력계를 놓습니다. 세 번째, 네 번째 및 다섯 번째 손가락이 테이블 위에 고정되어 있는지 확인하고 1^{번째와 2번째} 손가락은 꼬집는 동작의 힘을 생성합니다.
   3. 고정 된 위치에서 참가자에게 첫 번째 손가락으로 동력계를 누르고 집게 손가락으로 피라미드의 측면을 눌러 최대 힘으로 동력계-피라미드 시스템을 압박하고 FDI 근육의 강한 수축을 생성하도록 요청하십시오.
   4. 이 값을 기준으로 최대 힘의 20%를 결정합니다. 참가자는 지속적인 수축의 20%에서 목표를 유지하는 연습을 해야 합니다. MVC의 15%-25%에서 변형을 허용합니다.
      알림: 또는 조사 중인 고립된 근육 활동을 포착할 수 있는 동력계를 사용할 수 없는 경우 EMG 피드백을 사용하여 힘을 표준화하십시오. 레코딩 소프트웨어는 피사체의 최대 힘에 해당하는 최대 피크 대 피크 진폭을 측정하고 해당 값을 참조로 사용하여 20% MVC를 결정합니다. 피험자는 20%에 도달했을 때의 시각적 및/또는 청각적 단서를 받을 수 있습니다.
4. 핫스팟 검색을 위한 초기 위치 식별
   1. 피사체의 머리에 수영 모자를 씌우십시오. 모든 기준점이 표시됩니다.
   2. nasion (이마와 코 사이의 지점)에서 inion (후두부에서 가장 두드러진 지점)까지 머리의 시상 둘레를 측정합니다. 그 값을 2로 나누고 머리의 중간 지점을 표시하십시오.
   3. 환자의 nasion, inion, 오른쪽 및 왼쪽 외이의 나선, 오른쪽 및 왼쪽 supraorbital 능선의 위치를 표시하십시오. 이것은 시술 중에 캡이 미끄러지지 않았거나 향후 실험에서 환자의 머리에 동등하게 위치할 것임을 인증하기 위한 것입니다.
   4. 위에서 설명한 대로 이주 간 거리를 측정하고 중간에 표시를 추가합니다. 꼭짓점(Cz)으로 식별된 점인 둘 사이의 교차점을 표시합니다.
   5. 정점에서 선택한 근육의 반대쪽에서 중간 시상 선과 평행하게 옆으로 5cm 이동합니다. 이 표시는 손 운동 피질과 동일한 관상 수준에서 (M1)을 대략적으로 식별합니다. 이 지점을 핫스팟 검색을 시작하는 첫 번째 지점으로 사용합니다.
   6. 핫스팟은 가장 낮은 모터 임계값을 감지할 수 있는 운동 피질의 영역입니다. 낮은 강도(예: 최대 자극기 출력[MSO]의 30%)를 설정하고 첫 번째 지점에 여러 펄스를 전달하여 검색을 시작합니다.
   7. EMG 인덱스 반응(즉, MEP)을 감지하는 가장 낮은 자극을 식별할 때까지 작은 강도 증가로 추구합니다. 자극을 전달하기 위해 손잡이가 환자의 뒤쪽을 향하도록 하여 중간 시상선을 기준으로 8자 코일을 45°로 기울입니다.
   8. 최적의 지점이 식별되었는지 확인하려면 첫 번째 지점 주위를 이동하고 전방 3cm, 측면 1cm, 내측 1cm, 후방 1cm에서 후속 ~1개의 MEP를 테스트합니다. 일관된 응답을 위해 필요한 만큼 이 절차를 반복합니다. 가장 큰 MEP³⁶을 이끌어내는 지점에 충실하십시오.
   9. 핫스팟이 발견되면 환자의 머리에 해당 지점을 표시하십시오 (수영 모자). 이 실험 및 잠재적인 후속 방문 중에 이 위치를 사용합니다. 과도한 압력으로 인해 피사체에 불편함을 주지 않도록 주의하십시오. 양손을 사용하여 피사체의 머리에 코일을 지지합니다.
5. 휴지 운동 임계값(RMT) 결정
   1. 모터 임계값을 감지 가능한 최소 진폭(일반적으로 최소 50-100μV)의 MEP를 촉진하는 데 필요한 최소 강도로 추정합니다.
   2. 운동 역치를 결정하려면 핫스팟에 10개의 연속 자극을 적용하고 시험의 50%에서 표적 근육에 최소 50μV의 피크 대 피크 진폭을 가진 MEP를 생성한 가장 낮은 강도를 선택합니다.
      참고: 이 프로토콜은 안정 상태(휴식 운동 역치[RMT]) 또는 활성 수축(활성 운동 역치[AMT]) 동안 목표 근육으로 수행할 수 있습니다. 둘 다 역치 TMS 펄스에 대한 참조로 추가로 사용될 수 있습니다. AMT의 획득은 MVC의 표준화에 의존하기 때문에 변동성이 더 높으며, 이는 여러 평가를 통한 종단 연구에서 문제가 될 수 있습니다.
6. CSP 프로토콜
   1. 표적 근육의 강장제 자발적 수축 동안 MEP를 유도하기 위해 역치 상 자극을 전달합니다.
   2. RMT의 120%의 자극 강도(SI)로 10개의 자극을 전달하고 그 사이에 10초의 기간을 둡니다. 자극을 가하는 동안 환자에게 동력계로 연습 한대로 목표 근육의 최대 운동 수축의 20 %를 유지하도록 요청하십시오.
   3. 전체 SP를 캡처하려면 EMG 시간 창이 최대 400ms의 EMG 활동을 캡처할 수 있을 만큼 충분히 긴지 확인합니다. 드물게 - 연구 중인 질병에 따라 - 피험자는 성공적인 cSP를 얻기 위해 더 높은 SI를 요구할 수 있습니다.

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결과

단계별 절차를 따른 후 역치 TMS 펄스(RMT의 120%)를 전달하면 대상 근육의 EMG 기록에서 관찰 가능한 MEP를 유도하고 이후 약 150ms에서 300ms의 배경 EMG 활동 억제 기간을 유도합니다(그림 2). 해당 EMG 패턴에서 cSP 메트릭을 계산할 수 있습니다. 가장 많이 보고된 결과는 상대 및 절대 SP의 기간(ms 범위)입니다. 상대적 SP는 MEP 시작부터 EMG 활동의 재발까지 측정됩니다. 한 가지 대안은 ...

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토론

MEP 및 SP를 유도하는 기본 SI는 모집단에 따라 달라질 수 있습니다. 80% RMT의 낮은 강도는 건강한 사람에게서 cSP를 유발하는 것으로 나타났으며³⁹, 여전히 건강한 인구와 질병에 걸린 인구 모두에 대한 연구에서는 150% RMT의 높은 강도를 사용했습니다 49,50,51. 이러한 이질성의 원인은 표적 모집단의 특성에 내재되...

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자료

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