Использование транскраниальной магнитной стимуляции по изучению прав нервно-мышечной системы

Резюме

Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) является неинвазивной инструмент, чтобы получить представление о физиологии и функции нервной системы человека. Здесь мы представляем наш TMS методы для изучения корковой возбудимости верхних конечностей и поясничного мускулатуры.

Аннотация

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) используется уже в течение более 20 лет ^1, и значительно вырос в популярности за последнее десятилетие. Хотя использование ТМС расширилась до изучения многих систем и процессов, в это время, оригинал заявки и, возможно, одним из наиболее распространенных применений TMS связан с изучением физиологии, пластичность и функции нервно-мышечного аппарата человека. Одноместный TMS импульса, подаваемого на моторной коры возбуждает пирамидальные нейроны transsynaptically ² (рис. 1) и приводит к измеримым электромиографического ответ, который может быть использован для изучения и оценки целостности и возбудимость кортикоспинальных тракта у человека ^3. Кроме того, последние достижения в магнитная стимуляция позволяет теперь для разделения коры по сравнению с возбудимость спинного ^4,5. Например, в паре импульсов TMS может быть использован для оценки интракортикальных облегчающие и тормозные свойства, комбинируя состояниеING стимулом и тестового стимула через различные промежутки времени interstimulus ^3,4,6-8. В этом видео статье мы покажем, методологические и технические аспекты этих методов. В частности, мы покажем одиночных импульсов и парных импульсов TMS методы в применении к сгибателя запястья лучевой (FCR) мышц, а также монтажник spinae (ES) мускулатурой. Наши лабораторные исследования FCR мышц, как это представляет интерес для нашего исследования о влиянии запястья рук литых иммобилизации на снижение производительности мышц ^6,9, и мы изучаем ES мышцы из-за этих мышц клиническое значение, как он относится к боли в пояснице ^8. При этом было сказано, мы должны отметить, что TMS была использована для изучения многих мышц кисти, руки и ноги, и должны повторять, что наши демонстрации в FCR и группы мышц ES только отдельные примеры TMS используется для изучения человека нервно-мышечной системы.

протокол

1. Одиночные и парные-Пульс ТМС FCR и Е. С. Мышцы

1. Основные меры предосторожности: Перед выполнением TMS на человеческий субъект необходимо первом экране их основные меры предосторожности, как она относится к воздействию магнитного поля. В нашей лаборатории мы следуем скрининга руководящие принципы, изложенные Институтом магнитный резонанс безопасности, образования и научных исследований ^10. В нашей лаборатории мы также регулярно исключать людей с семейной историей эпилепсии приступы. Мы также требуем, предметы проходят ТМС ES мышцы носить затычки для ушей и рта охранник из-за менее очаговых и сильнее интенсивности стимуляции.
2. Электрические Recordings: Изучить TMS ответов в двигательной системы необходимо записать электромиографического (ЭМГ) сигналы от скелетных мышц. Для мышц FCR мы размещаем поверхности электродов на предплечье использованием расположения биполярный электрод расположен продольно за тОн мышцы на побрился и прошлифовать кожи как мы уже ранее описанных ^7,11. Для мышц монтажник spinae мы используем аналогичное соглашение электродом, расположенным продольно над мышцами в L3-L5 позвоночных уровня на побрился и прошлифовать кожу ^8.
3. TMS Coil Ориентация: Чтобы активировать преимущественно кортикоспинальных нейронов transsynaptically надо позицию TMS катушка надлежащим ^12. Для мышц FCR мы размещаем 70-мм в форме восьмерки TMS катушки касательной к коже головы и 45-градусов к средней линии, так что индуцированный ток течет в боковой кзади от медиального-переднем направлении. Для ЭС мышц мы используем двойной конус катушку, которая имеет большую глубину проникновения и необходим в связи с представлением этих мышц будучи глубже в гомункула. Здесь, катушка расположена так, что ток течет в передних к задним направлении. У нас есть заказ изменение нашей катушки с лазерной системой привязанности, чтобы помочь нам сubsequent повторное позиционирование двойной катушкой конуса.
4. Определение "Точка": Необходимо, чтобы определить место, которое стимуляция вызывает Крупнейшая вызванных потенциалов. Для мышц FCR мы делаем это, тонко движущегося TMS виток вокруг с очень маленьким шагом, и определить, где мы наблюдаем Крупнейшая вызванных потенциалов амплитуды. После обнаружения отметим этой области с несмываемыми чернилами по обе головы или шапка лайкры. ТМС ES мышцы значительно более неудобное для человека в качестве субъекта, чем TMS верхних мышц конечностей. Соответственно, мы упорядочили наши TMS протокол ES мышц увеличивает его переносимости и целесообразности. Здесь вместо поиска "горячей точки" мы используем антропометрические измерения для определения вершины черепа. В частности, мы отождествляем вершину в виде пересечения черепа в сагиттальной (между nasinon и затылочного бугра) и короны (от козелка) плоскостях.
5. Биомеханические Позиционирование: В нашей лаборатории, когда мы выполняем ТМС FCR мышцы субъектов сидят с руки отдыхая в выдвинутом положении в системе Biodex 4 динамометра (рис. 2). Тем не менее, следует отметить, что это только пример одного из возможных установка для измерения оказывают сил. Для ЭС мышц субъектов просят посидеть с вертикального положения, а их руки отдых в коленях (рис. 3). Они сидят в кресле базу с бедра под углом 90 ° относительно туловища, голеней при ~ 45 ° по отношению к бедру, и поясничного отдела позвоночника в нейтральном posture8.
6. Количественная моторного порога: Для FCR, мы определяем моторного порога (МТ), предоставляя одиночных импульсов в постепенно возрастающей интенсивности стимуляции, пока двигатель вызванные потенциалы имеют пик-пик амплитуды более 50 микровольт более чем в 50% испытаний (рис. 4) . Чтобы упростить протокол TMS и увеличения переносимости и возможности у нас не определяют моторный порог в ES мышц с такой же точностью, как когда мы тестируем верхней мускулатурой конечностей. Скорее, мы начинаем TMS протокол, обеспечивая начальный одного импульса в 50% от максимальной выходной стимулятор, чтобы определить, этот стимул интенсивности выше или ниже моторного порога. Если депутат Европарламента наблюдается на этот стимул интенсивности определяется как заметного МООС по отношению к уровню фона EMG-интенсивность снижается до 40% от стимулятора выход, чтобы определить, если этот стимул интенсивности в нем ниже или выше порога ^8.
7. Количественная MEP Амплитуда использованием одиночных импульсов TMS: Изучить двигателя вызванных потенциалов амплитуда FCR мы поставляем одиночный импульс TMS к «горячей точкой» на интенсивностью, равной 130% от порога мотор, и вычислить пик-пик амплитуда . Как правило, мы нормализовать этот результат к максимальному соединения мышечного волокна потенциал действия наблюдаются следующие supramaximal электрической стимуляции срединного нерва. Следует отметить, что размер МООС версииу зависит от степени возбудимости коры. Соответственно, когда импульс TMS поставляется во фоне сокращения, когда возбудимости коры увеличивается, размер MEP будет резко увеличиваться. Для ES мышцы, мы поставляем одиночный импульс TMS с вершиной при интенсивности 40 или 50% выше, к югу от моторного порога интенсивности ^8. К сожалению, из периферических нервов, иннервирующих мышцы ES не являются доступными для электрической стимуляции мы не в состоянии нормализовать эти двигателя вызванные потенциалы на слой соединения потенциала действия мышцы.
8. Количественная Тихая Продолжительность периода с использованием одиночных импульсов TMS: Когда импульс TMS в кору поступает во время сокращения мышц будет производить двигатель вызванных потенциалов следуют электрические покоя, прежде чем возобновится деятельность, что свидетельствует о торможении кортикоспинальных и обычно упоминается как молчать период ¹³ (рис. 5). Для количественной оценки периода молчания мы поставляем однуTMS импульса к 'горячей точкой' в интенсивностью, равной 130% от моторного порога в то время как участник исследования выполняет мышц запястья сгибание сжатие при 15% своей максимальной силы. Мы ранее не количественно молчать продолжительность периода ES мышц, однако, следует отметить, что у нас есть анекдотически наблюдается своего существования в этой группе мышц, когда TMS импульса идентификатор поставлены в течение фоне сокращения.
9. Количественная интракортикальных Упрощение использования Парные-Пульс TMS: Мы используем парных импульсов TMS количественно интракортикальных упрощении ^6,7 (рис. 6 и 7 представляет этот измерения FCR и ES мышцы, соответственно). Для мышц FCR мы сначала определить интенсивности раздражения необходимо, чтобы выявить двигателя вызванных потенциалов, что между 0,5-1,0 мВ. Далее, мы поставляем подпороговых кондиционирования импульсов, которое в нашей лаборатории обычно равным 70% от моторного порога-15-мс до испытательного импульса сверхпороговой. Это кондиционированиеимпульса доставлен в это время период до испытательного импульса будет увеличиваться, или поддерживать, амплитуда вызванного потенциала двигателя более одного безусловного импульс той же интенсивности. Для группы мышц ES интенсивности кондиционирования импульса имеет значение наблюдается суб-моторный порог интенсивности (либо 40% или 50% от стимулятора выход) и интенсивности испытательного импульса установлен на 40% выше суб-двигательного порогового уровня (80% или 90% от стимулятора выход) ^8. Следует отметить, что интенсивность кондиционирования импульсов может меняться в зависимости от цели исследования. Точно так же импульс интервалы могут изменяться в зависимости от мышц и его расположение по отношению к коре головного мозга.
10. Количественная Краткосрочный интервал интракортикальных Торможение с использованием парного-Пульс TMS: Мы также используем парных импульсов TMS количественно короткого интервала интракортикальных торможение ^6,7 (рис. 6 и 7 представляет этот измерения FCR и ES мышцы, соответственно). Здесь, как дляFCR и ES мышцы, процедуры такие же, как описано для измерения интракортикальных содействие с тем исключением, что interstimulus интервала между двумя импульсами снижено до 3 мс. Это кондиционирование импульса доставлен в это время период до испытательного импульса будет уменьшаться, или препятствовать, амплитуда вызванного потенциала двигателя более одного безусловного импульс той же интенсивности.
11. Количественная Долгосрочный интервал интракортикальных Торможение с использованием парного-Пульс TMS: Выполнение двух одинаковых сверхпороговой испытательных импульсов, разделенных на 100 миллисекунд может быть также использован для оценки долговременных интервал интракортикальных торможение ^6,7. В этом случае-для мышц FCR-двигательный вызванный потенциал, связанный со вторым импульсом будет меньше, или подавляется больше, чем риск, связанный с первым (рис. 8). Мы ранее не количественно долгосрочной интервал интракортикальных торможения в ЭС мышц из-за опасений, связанных с предметом переносимости.

2. Представитель Результаты:

После доставки сверхпороговой TMS импульсов, мышцы стимулируются должны продемонстрировать легко наблюдаемых ЭМГ ответа (МООС) (показано на рисунках 4-8). Задержку между началом стимула и МООС будет колебаться в пределах группы мышц рассматривается, но для FCR как правило, 16-19 мсек (рис. 6) и ES это 17-22 мс (рис. 7, хотя следует Следует отметить, что по некоторым предметам окончательного наступления MEP в ЭС мышц труднее визуально определить). Следует отметить, что при тестировании ЭС группы мышц несколько других групп мышц, также заметно и резко стимулировал одновременно (в том числе мышц нижних конечностей, которые представлены в той же общей области гомункула). При измерении интракортикальных содействие амплитуды MEP, как правило, больше, чем это наблюдается с одним безусловным импульса (Figure 6 и 7). Тем не менее, наш опыт, что степень упрощения колеблется между мышцами групп с некоторыми мышечных групп, таких как FCR-показ лишь скромные содействие по многим предметам. Для измерения коротких интервалов и долгосрочной интервал интракортикальных торможение уменьшение амплитуды MEP, как правило, наблюдается в сравнении с одним безусловным импульс той же интенсивности (рис. 6-8).

Рисунок 1. Основные механизмы TMS. Катушки TMS индуцирует магнитное поле, которое проникает в кожу головы и вызывает вихревых токов в моторной коре. Этот вихревой ток становится способным стимулировать нейроны в головном мозге. Рис перепечатана из МакГинли и Кларк, в печати ^14.

Рисунок 2. Установка для выполнения T MS на мышцы FCR. Обратите внимание на запись электромиограммы (ЭМГ) сигналы от предплечья, и TMS весла над моторной коры. Как правило, мы также записывать силы мышц, а также использовать электрическую стимуляцию периферических нервов, чтобы получить максимальное соединение мышечного волокна потенциал действия, как это полезно при интерпретации амплитудных значений (например, можно выразить и Минприроды относительно максимального ответа мышцы, в отличие от абсолютного мВ значения, которые могут быть под сильным влиянием не-физиологических факторов, таких как подкожной жировой ткани). Рис перепечатана из следующих: Clark и соавт. 2008 ^9, Кларк и соавт., 2010 ^6, а МакГинли и соавт. 2010 ^7.

Рисунок 3. Установка для проведения ТМС на мышцы монтажник Spinale. Рис перепечатана из Госс и др.. 2011 ^8.

_upload/3387/3387fig4.jpg "/>
Рисунок 4. Пример определения порога двигателя. EMG следы представляют собой двигатель вызванных потенциалов (МООС) ответ на стимул постепенно увеличивая интенсивность (представлены в процентах от стимулятора выхода (SO)). Отметим, что при меньших интенсивностях (28-30% от СО) очень маленькие члены Европарламента были вызвал (подпороговых), но это на 32% SO МООС была получена, которые достигли моторного порога (как правило, определяется как MEP с амплитудой стр.> 50 мкВ).

Рис перепечатана из МакГинли и Кларк, в печати ^14.

. Рисунок 5 TMS во время сокращений: моторные вызванных потенциалов и молчать период. Тихий период наблюдается, когда субъект выполняет небольшое сокращение и одного раздражителя в моторную кору. Первая часть молчит периодиз-за ингибирования спинного мозга и последней части объясняется корковое торможение, в частности, ГАМК-рецепторов _B. Существует консенсус не поддаются количественной оценке длительности периода молчания, но наши результаты показывают, что либо определяя его от начала стимула или MEP начала до возвращения сигнала добровольной электромиограммы вмешательство является наиболее надежным ^15.
Рис перепечатана из Кларка и Быстрый, 2011 ^16, а МакГинли и Кларк, в печати ^14.

Рисунок 6. Изменение двигателя вызванных потенциалов размера й парный импульс TMS мышц FCR. Измерение короткого интервала интракортикальных торможение (SICI) и интракортикальных упрощение (ICF). Для количественной оценки и ICF SICI кондиционирования импульса (СР) установлена ​​ниже порогового двигателя и испытательного импульса (TP) установлена, чтобы вызвать МООС между 0.5-1 мВ. В короткие промежутки interstimulus(Например, 3-мс) СР подавляет МООС по сравнению с ТП только (SICI), тогда как на более длинных интервалах interstimulus (например, 15-мс) это облегчает MEP (ICF).

CP: кондиционирования импульса, Т. П.: тест импульса рис перепечатана из Кларка и др., 2010 ^6, МакГинли и др... 2010 ^14, Кларк и Быстрый, 2011 ^16, а МакГинли и Кларк, в печати ^14.

Рисунок 7. Изменение двигателя вызванных потенциалов размером с парными импульса ТМС ES мышцы. Пример следы от EMG spinae монтажник мышц и измерения коротких интервалов интракортикальных торможение (SICI) и интракортикальных упрощение (ICF).
Рис перепечатана из Госс и др.. 2011 ^8.

Рисунок 8. Изменение двигатель Evoкед потенциальным размером с парными TMS импульса. Измерение длинный интервал интракортикальных торможение (Личи). Для количественной оценки Личи два испытательных импульсов поставляются на interstimulus интервалом 100 мс. В результате второго MEP тормозимой по сравнению с первым МООС.
Рис перепечатана из Clark и соавт., 2010 ^6, МакГинли и соавт. 2010 ⁷ и МакГинли и Кларк, в печати ^14.

Обсуждение

Общая цель этой статьи заключается в обеспечении ученых и клиницистов визуального счет нашей лаборатории используют транскраниальной магнитной стимуляции. Тем не менее, в дополнение к предоставлению визуализации этих экспериментов, ниже мы обсудим основные вопросы, которые следует ...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Название оборудования	Компания	Номер по каталогу	Комментарии (необязательно)
Транскраниальная магнитная Стимулятор 2002 Транскраниальная магнитная Стимулятор Би-Stim2 Восьмерка 70-мм катушкой Двойной Конус Coil	Компания Magstim	Не Доступно	TMS оборудования (включая катушки)
Biodex System 4	Biodex	Не Доступно	Динамометр
Biopac MP150 системы сбора данных	Biopac	MP150WSW	АЦП для ЭМГ и силы
AcqKnowledge 4,0 Сбор данных программного обеспечения	Biopac	ACK100W
Nikomed Trace 1 ЭКГ электродов	Nikomed	2015	EMG электроды
Стимулятор постоянного тока	Digitimer	DS7A	Стимулятора периферических нервов