Измерение контралатерального периода молчания, индуцированного одноимпульсной транскраниальной магнитной стимуляцией, для исследования кортикоспинального торможения M1

Резюме

Оценка контралатерального молчаливого периода (cSP) является многообещающим биомаркером для индексации возбудимости коры головного мозга и ответа на лечение. Мы демонстрируем протокол оценки cSP, предназначенный для изучения кортикоспинального торможения М1 верхних и нижних конечностей.

Аннотация

Контралатеральный период молчания (cSP) - это период подавления фоновой электрической мышечной активности, зафиксированной электромиографией (ЭМГ) после двигательного вызванного потенциала (MEP). Для этого MEP вызывается импульсом надпороговой транскраниальной магнитной стимуляции (TMS), доставляемым в первичную моторную кору (M1) выбранной целевой мышцы, в то время как участник обеспечивает стандартизированное произвольное сокращение целевой мышцы. cSP является результатом ингибирующих механизмов, которые возникают после MEP; Он обеспечивает широкую временную оценку спинального торможения в начальном ~ 50 мс и коркового торможения после. Исследователи попытались лучше понять нейробиологический механизм, лежащий в основе cSP, чтобы подтвердить его как потенциальный диагностический, суррогатный и прогностический биомаркер для различных нервно-психических заболеваний. Таким образом, в этой статье описывается метод измерения M1 cSP нижних и верхних конечностей, включая выбор целевой мышцы, размещение электродов, позиционирование катушки, метод измерения стимуляции произвольного сокращения, настройку интенсивности и анализ данных для получения репрезентативного результата. Его образовательная цель состоит в том, чтобы дать наглядное руководство по выполнению выполнимого, надежного и воспроизводимого протокола cSP для нижних и верхних конечностей и обсудить практические проблемы этой техники.

Введение

Период молчания (SP) - это период электромиографического (ЭМГ) молчания, который следует за моторно-вызванным потенциалом (MEP), вызванным транскраниальной магнитной стимуляцией (TMS), применяемой во время устойчивого сокращения мышц. Надпороговый импульс ТМС может быть применен либо к контралатеральной, либо к ипсилатеральной первичной моторной коре (M1) целевой мышцы, из которой регистрируется активность ЭМГ, что приводит к двум явлениям: контралатеральному периоду молчания (cSP) и ипсилатеральному периоду молчания (iSP).

Несмотря на то, что iSP и cSP имеют схожие функции, они могут отражать немного разные компоненты. Считается, что первый отражает транскаллезальное торможение и, таким образом, полностью имеет корковое происхождение ^1,2. И наоборот, cSP исследуется как возможный суррогат кортикоспинального ингибирования, скорее всего, опосредованного рецепторами гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) B в M1 ^3,4,5.

Подтверждая роль цСП в ГАМК-опосредованных путях, в предыдущих работах было обнаружено увеличение продолжительности цСП после перорального приема ГАМК-усиливающих компонентов 5,6,7,8. Тем не менее, спинальные процессы также участвуют в изменении его продолжительности. Более ранняя фаза (<50 мс) cSP связана со снижением значений Н-рефлекса^3-а, который является продуктом периферической нейросхемы и количественно определяет возбудимость спинальных нейронов⁹. Считается, что спинальная обработка опосредована активацией клеток Реншоу, мотонейроном после гиперполяризации и постсинаптическим ингибированием спинальными интернейронами 10,11,12,13,14.

Несмотря на вклад позвоночника, cSP возникает главным образом в результате активации корковых тормозных нейронов, которые отвечают за генерацию более поздней части cSP (50-200 мс)3,10,13,15,16. В этом отношении ранняя часть продолжительности cSP была связана с механизмами спинального торможения, тогда как длительные cSP требуют более крупных корковых ингибирующих механизмов 3,13,17,18.

Таким образом, cSP является многообещающим кандидатом на биомаркер кортикоспинальной дезадаптации из-за неврологических расстройств, тогда как более значимые длительности cSP потенциально отражают увеличение кортикоспинального торможения и наоборот ^5,11. Соответственно, в предыдущих работах была обнаружена связь между продолжительностью cSP и такими патологиями, как дистония, болезнь Паркинсона, хроническая боль, инсульт и другие нейродегенеративные и психические состояния 19,20,21,22. Чтобы проиллюстрировать, в когорте остеоартрита коленного сустава более высокое интракортикальное ингибирование (индексируемое cSP) было связано с более молодым возрастом, большей дегенерацией хряща и меньшими когнитивными характеристиками в Монреальской шкале когнитивной оценки²³. Кроме того, изменения cSP также могут продольно индексировать реакцию на лечение и восстановление моторики 24,25,26,27,28,29,30.

Какой бы многообещающей ни была роль cSP в области нейропсихиатрии, сложным аспектом его оценки является то, что он может быть слишком чувствителен к вариациям протокола. Например, длительность cSP (~100-300 мс)¹¹ различима между верхними и нижними конечностями. Salerno et al. обнаружили среднюю продолжительность cSP 121,2 мс (± 32,5) для первой дорсальной межкостной мышцы (FDI) и 75,5 мс (± 21) для передней большеберцовой мышцы (TA) в выборке пациентов с фибромиалгией³¹. Таким образом, в литературе отмечается множество расхождений в параметрах, используемых для выявления cSP, что, в свою очередь, ставит под угрозу сопоставимость между исследованиями и задерживает перевод в клиническую практику. В аналогичной популяции протоколы были неоднородными в отношении, например, настройки надпорогового импульса ТМС, используемой для стимуляции M1 и целевой мышцы. Вдобавок ко всему, исследователи не смогли должным образом сообщить о параметрах, используемых в их протоколах.

Таким образом, цель состоит в том, чтобы предоставить визуальное руководство о том, как применять осуществимый, надежный и легко воспроизводимый протокол cSP для оценки кортикоспинальной возбудимости верхних и нижних конечностей M1, а также обсудить практические методологические проблемы этой процедуры. Кроме того, чтобы проиллюстрировать обоснование выбора параметров, мы провели неисчерпывающий обзор литературы на Pubmed/MEDLINE для выявления опубликованных работ по cSP в популяциях с хронической болью и реабилитацией, используя поисковый запрос: Реабилитация (Mesh) или реабилитация или хроническая боль или инсульт и такие термины, как транскраниальная магнитная стимуляция и одиночный импульс или кортикальный период молчания. Критерии включения для извлечения не были определены, и объединенные результаты показаны в таблице 1 только в иллюстративных целях.

протокол

Этот протокол включает в себя исследования на людях и находится в союзе с институциональными и этическими руководящими принципами местных этических комитетов и Хельсинкской декларацией. От испытуемых было получено информированное согласие на использование их данных в исследовании.

1. Предэкспериментальные процедуры

1. Скрининг испытуемого. Проведите скрининг субъекта на наличие внутричерепных имплантатов, эпилепсии, судорог в анамнезе и беременности. Используйте рекомендации по заполнению анкет для обеспечения соблюдения современных мер предосторожности³².
   1. Доставка электромагнитных импульсов с помощью ТМС противопоказана лицам с внутричерепными имплантатами ферромагнитного материала, такими как осколки, зажимы для аневризмы или фрагменты от сварки. Принимайте меры предосторожности с людьми с повышенной вероятностью судорог.
   2. Оценка ТМС не представляет риска для плода для беременных женщин, которым рекомендуется придерживаться консервативной позиции при работе с этой группой населения. Безопасно применять ТМС в педиатрических популяциях, протекать осторожно на определенных стадиях развития (т. е. закрытие родничка, созревание возбудимости коры и рост наружного слухового прохода)³³.
2. Подготовка материалов. Для этой процедуры, кроме аппаратов ТМС и ЭМГ, в вашем распоряжении шапочка для плавания, спиртовые прокладки (с приготовлением 70% изопропилового спирта), проводящий гель и компьютер, включенный с настройкой программного обеспечения ЭМГ, и динамометр, подходящий для исследуемой мышцы (см. Таблицу материалов).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Преимущество шапочек для плавания заключается в том, что они являются самым дешевым и доступным вариантом, который по-прежнему позволяет проводить надежные и воспроизводимые оценки ТМС, не вызывая дискомфорта при маркировке головы испытуемых.

2. Соответствующие инструкции для пациентов

1. Объясните основные этапы процедуры и сколько времени это займет.
2. Проинструктируйте участника бодрствовать, но не выполнять когнитивные действия, требующие дополнительного внимания и / или сосредоточенности (например, математические вычисления, медитация и т. д.), и ожидайте, что они могут испытывать подергивание рук / челюсти или вероятные побочные эффекты. Такие события могут показаться неожиданными для неопытного субъекта и, таким образом, поставить под угрозу процедуру.
   ПРИМЕЧАНИЕ: ТМС с одним и парным импульсом были связаны только с легкими, преходящими побочными эффектами, включая головную боль, локальную боль, боль в шее, зубную боль и парестезию. Судороги случаются редко, и никаких других серьезных нежелательных явлений не было связано³³. Для дополнительной безопасности рекомендуется предлагать беруши из-за возможности вредных звуков и блоки укусов для возможного сокращения жевательных мышц³⁴.

3. Экспериментальные процедуры (рис. 1)

1. Выберите мышцу для позиционирования электродов.
   1. Попросите испытуемого положить руку на стол в положении лежа. Выделите ФДИ мышцу, локализованную между первой и второй пястной костной мышцей. Чтобы идентифицировать ПИИ, попросите испытуемого похитить указательный палец против сопротивления, оставив остальную часть руки неподвижной и положив на стол, пока вы пальпируете область.
   2. Экспонируйте выделенную область. Используйте одноразовую бритву для бритья области, чтобы улучшить контакт электродов с кожей, если это необходимо, и очистите область спиртовыми салфетками, чтобы удалить кожные масла и другие факторы, которые могут увеличить импеданс. Удостоверьте, что на коже есть свободная для обеспечения контакта с электродом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При оценке активности нижних конечностей используйте мышцу ТА для размещения электродов. Он локализуется на боковой стороне большеберцовой кости и лежит возле поверхности кожи. Его можно определить по тыльному сгибанию лодыжки.
2. Разместите поверхностные электроды ЭМГ
   1. Обнажив и очистив область, нанесите проводящий гель на каждый электрод канала, чтобы обеспечить хороший импеданс.
   2. Поместите отрицательный электрод на живот мышцы FDI (центр или наиболее заметная выпуклость мышцы живота), а положительный - на дистальный межфаланговый сустав с межэлектродным расстоянием не менее 1,5 см. Поместите электрод сравнения (нейтральный) на запястье, поверх локтевого шиловидного отростка.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Наличие двигательных конечных точек, мышечных сухожилий или других активных мышц может повлиять на стабильность записей, поэтому важно избегать этих мест³⁵. Для мышцы ТА электроды должны быть размещены на одной трети линии, соединяющей кончик малоберцовой кости и кончик медиальной лодыжки. Обеспечьте расстояние 20 мм между полюсами каждого электрода и поместите электрод сравнения в лодыжку.
3. Определите требуемую силу сокращения мышц
   1. Используйте цифровой пинч-динамометр и четырехугольную пирамидальную опору, чтобы свести к минимуму механические искажения и повысить чувствительность для минимальных сокращений.
   2. Поместите динамометр между первым и вторым пальцами с помощью пирамидальной опоры. Следите за тем, чтобы третий, четвертый и^пятый пальцы лежали неподвижно на столе, в то время как 1-й и^2-й генерировали силы сжимающего движения.
   3. При фиксированном положении попросите участника нажать на динамометр указательным пальцем, а указательным пальцем на сторону пирамиды, максимально сдавливая динамометр-пирамидальную систему и создавая сильное сокращение мышцы ПИИ.
   4. Используя это значение в качестве эталона, определите 20% от максимальной силы. Участник должен практиковаться в поддержании целевого показателя на уровне 20% от устойчивого сокращения. Допускайте отклонения от 15% до 25% MVC.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве альтернативы, в случае отсутствия динамометра, который может улавливать изолированную исследуемую мышечную активность, используйте обратную связь ЭМГ для стандартизации силы. Записывающее программное обеспечение измерит максимальную амплитуду от пика до пика, соответствующую максимальной силе объекта, и, используя это значение в качестве эталона, определит 20% MVC. Испытуемые могут получить визуальные и/или слуховые подсказки о том, когда будет достигнуто 20%.
4. Идентификация начального местоположения для поиска точки доступа
   1. Наденьте шапочку для плавания на голову субъекта. На нем будут отмечены все опорные точки.
   2. Измерьте сагиттальную окружность головы от носа (точка между лбом и носом) до инионов (наиболее заметная точка в затылочной области). Разделите это значение на два и отметьте среднее место на голове.
   3. Отметьте расположение носа, иниона, спирали правого и левого наружных ушей, а также правого и левого надглазничного гребня пациента. Это необходимо для того, чтобы удостовериться, что колпачок не соскользнул во время процедуры и/или что в будущих экспериментах он будет одинаково расположен на голове пациента.
   4. Как описано выше, измерьте расстояние от козелка до козелка и добавьте отметку на полпути. Отметьте пересечение между ними, точку, идентифицированную как вершина (Cz).
   5. От макушки двигайтесь на 5 см латерально параллельно средней сагиттальной линии, по контралатеральной стороне к выбранной мышце. Эта метка приблизительно идентифицирует (M1) на том же корональном уровне, что и моторная кора рук. Используйте это как первое место, чтобы начать поиск точки доступа.
   6. Горячая точка - это область моторной коры, где обнаруживается самый низкий двигательный порог. Установите низкую интенсивность (например, 30% от максимальной мощности стимулятора [MSO]) и инициируйте поиск, подав несколько импульсов в первую точку.
   7. Продолжайте с небольшими приращениями интенсивности до тех пор, пока не определите самый низкий стимул, который обнаруживает ответ, индексируемый ЭМГ (например, MEP). Для доставки стимулов наклоните спираль восьмерки под углом 45° по отношению к средней сагиттальной линии так, чтобы ручка была направлена к задней части пациента.
   8. Чтобы убедиться, что было определено лучшее пятно, обойдите первое место и протестируйте последующие ~ 3 MEP на 1 см спереди, 1 см сбоку, 1 см медиально и на 1 см сзади от него. Повторите эту процедуру столько раз, сколько необходимо для последовательного ответа; придерживайтесь того места, которое вызывает самый большой MEP³⁶.
   9. Как только горячая точка будет найдена, отметьте это место на голове пациента (шапочка для плавания). Используйте это место во время этого эксперимента и возможных последующих посещений. Будьте осторожны, чтобы не вызвать дискомфорт у субъекта из-за дополнительного давления. Обеими руками поддерживайте катушку на голове объекта.
5. Определение порога двигателя в состоянии покоя (RMT)
   1. Оцените порог двигателя как минимальную интенсивность, необходимую для продвижения MEP с минимальной обнаруживаемой амплитудой (обычно не менее 50-100 мкВ).
   2. Чтобы определить моторный порог, примените десять последовательных стимулов в горячей точке и выберите самую низкую интенсивность, которая произвела MEP с амплитудой от пика до пика не менее 50 мкВ на целевой мышце в 50% испытаний.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол может быть выполнен с целевой мышцей в состоянии покоя (двигательный порог покоя [RMT]) или во время активного сокращения (активный двигательный порог [AMT]). Оба могут быть в дальнейшем использованы в качестве эталонов для надпороговых импульсов ТМС. Приобретение AMT более подвержено изменчивости, поскольку оно опирается на стандартизацию MVC, что может быть проблемой для лонгитюдных исследований с множественными оценками.
6. Протокол CSP
   1. Доставляйте надпороговые стимулы, чтобы вызвать MEP во время тонического произвольного сокращения целевой мышцы.
   2. Доставьте 10 стимулов с интенсивностью стимуляции (SI) 120% от RMT с периодом 10 с между ними. Во время применения стимулов попросите пациента поддерживать 20% от максимального двигательного сокращения целевой мышцы, как это практикуется с динамометром.
   3. Чтобы обеспечить захват всего SP, подтвердите, что временное окно ЭМГ достаточно велико для захвата до 400 мс активности ЭМГ. Нередко - в зависимости от изучаемого заболевания - субъектам могут потребоваться более высокие СИ для успешного получения cSP.

Результаты

После выполнения пошаговой процедуры доставка надпорогового импульса ТМС (120% от RMT) вызовет наблюдаемый MEP в записи ЭМГ целевой мышцы и последующий период подавления фоновой активности ЭМГ примерно от 150 мс до 300 мс (рис. 2). Исходя из этого паттерна EMG, можно рассчитать мет?...

Обсуждение

Системы СИ по умолчанию для выявления MEP и SP могут варьироваться в зависимости от численности населения. Было показано, что интенсивность до 80% RMT вызывает cSP у здоровых людей³⁹, тем не менее, в исследованиях как здоровых, так и больных популяций использовалась интенсивность д...

Материалы

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