Presentiamo protocolli raffinati che permettono il monitoraggio in vivo di funzione gruppo motore nel topo. Tecniche per la misura del potenziale d'azione muscolare composto (CMAP) e il numero di stima blocco motore (MUNE) nei muscoli degli arti posteriori del mouse innervati dal nervo sciatico sono descritti.
Compound muscle action potential (CMAP) and motor unit number estimation (MUNE) are electrophysiological techniques that can be used to monitor the functional status of a motor unit pool in vivo. These measures can provide insight into the normal development and degeneration of the neuromuscular system. These measures have clear translational potential because they are routinely applied in diagnostic and clinical human studies. We present electrophysiological techniques similar to those employed in humans to allow recordings of mouse sciatic nerve function. The CMAP response represents the electrophysiological output from a muscle or group of muscles following supramaximal stimulation of a peripheral nerve. MUNE is an electrophysiological technique that is based on modifications of the CMAP response. MUNE is a calculated value that represents the estimated number of motor neurons or axons (motor control input) supplying the muscle or group of muscles being tested. We present methods for recording CMAP responses from the proximal leg muscles using surface recording electrodes following the stimulation of the sciatic nerve in mice. An incremental MUNE technique is described using submaximal stimuli to determine the average single motor unit potential (SMUP) size. MUNE is calculated by dividing the CMAP amplitude (peak-to-peak) by the SMUP amplitude (peak-to-peak). These electrophysiological techniques allow repeated measures in both neonatal and adult mice in such a manner that facilitates rapid analysis and data collection while reducing the number of animals required for experimental testing. Furthermore, these measures are similar to those recorded in human studies allowing more direct comparisons.
Numero di unità del motore stima (MUNE) è stato originariamente descritto da McComas et al. oltre tre decenni fa 1. La tecnica originale era una modifica della tecnica di registrazione del potenziale d'azione muscolare composto (CMAP) che utilizzava un graduale aumento della stimolazione per ottenere incrementi submassimale. Questi incrementi sono stati sommati e media per determinare una dimensione stimata di un potenziale gruppo motore singolo (SMUP). Questa dimensione è stata divisa in risposta CMAP per stimare il numero di unità motorie innervano il muscolo in esame. In seguito la descrizione originale, numerose varianti utilizzando entrambe le risposte elettrofisiologiche e forza incrementale (meccanici) misurazioni sono stati utilizzati in entrambi gli studi umani e modelli animali 2. La tecnica MUNE è stato modificato da Shefner e colleghi di indagare modelli murini di Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) 3, 4.
Nella descrizione attuale, particolare simplifmodifiche IED delle tecniche MUNE che sono rapidi da eseguire. È importante sottolineare che, CMAP e MUNE consentono misure affidabili in entrambi i topi neonati e adulti 5-8. Individui esperti possono eseguire queste misure in 10-20 minuti per animale, e misure ripetute sono possibili che permette l'acquisizione di dati longitudinali 5. Negli studi in corso, ci avvaliamo di un sistema elettrodiagnostica clinica. Nella nostra esperienza, i sistemi electrodiagnostic clinici sono ottimizzati per l'acquisizione rapida ed efficiente dei dati elettrofisiologici in vivo, impianti di perforazione elettrofisiologiche tuttavia standard possono essere facilmente adattate per questa applicazione.
MUNE e CMAP sono misure clinicamente rilevanti spesso utilizzate in studi di ricerca e di monitoraggio di pazienti con disturbi neuromuscolari come la SLA e l'atrofia muscolare spinale (SMA) 9, 10. Per esempio, in SMA, CMAP e MUNE correlano bene con l'età, la gravità e clinica misure di funzionalità 10-14. Entrambe le misure sono poco invasive e permettono la valutazione della funzione longitudinalmente nello stesso individuo. È importante sottolineare che tali misure non possono misurare l'attivazione o reclutamento del gruppo motore motoneuroni corticali, ma forniscono una valutazione clinicamente rilevante dell'integrità del motoneurone e la sua controparte funzionale, il gruppo motore.
Modelli animali di malattie neuromuscolari sono fondamentali per la comprensione dei meccanismi patogenetici della malattia umana e per lo sviluppo preclinico di agenti terapeutici potenzialmente efficaci. La capacità di tradurre misure di esito e biomarcatori che possono essereutilizzato tra le specie in grado di facilitare e accelerare la traduzione di promettenti risultati preclinici a test clinici sull'uomo. Diversi gruppi hanno già utilizzato entrambi (meccanici) misurazioni elettrofisiologiche e di forza per stimare la funzione blocco motore in modelli murini 2-4, 15-22. Data la relativa complessità delle misure, abbiamo affinato queste tecniche in un formato visivo per consentire un uso più diffuso e implementazione nei topi. Il formato del video dimostrativo e di istruzione, consente passaggi chiave della procedura da evidenziare e potenziali insidie da affrontare. L'applicazione di queste tecniche a test preclinici di potenziali terapie nelle malattie del motoneurone può migliorare la traduzione di terapie putativi dai topi alle malattie umane.
Ci sono diversi passaggi critici del processo di acquisizione delle risposte CMAP e mune. Posizionamento degli elettrodi di registrazione corretta e coerente e sufficiente il contatto elettrodo con la cervaarto sono critici per la misura riproducibile di ampiezza e di ridurre il rumore di fondo. Pertanto, uno stretto contatto tra la pelle degli arti posteriori ed elettrodi dovrebbe essere confermato in modo coerente. Abbiamo scoperto che elettrodi di superficie offrono registrazioni CMAP e Mune più coerente di elettrodi ad ago. A causa di tessuti sottocutanei molto sottili, piccoli movimenti della superficie di registrazione ago può portare ad ampie variazioni in ampiezza CMAP. Inoltre, la natura più invasivo di elettrodi ad ago non è ottimale per i topi neonati o studi longitudinali a causa di potenziali perturbazioni muscolare e lesioni. Un potenziale svantaggio di non selettivi, registrazioni elettrodo superficiale si riferisce alla possibilità di risoluzione fenotipo diminuita se un particolare muscolo è più o meno coinvolti rispetto ad un altro, e questo è stato riportato in un modello di topo ALS 21.
Acquisire la dimensione media SMUP è tecnicamente più impegnativo rispetto alla CMAP. A causa delle respons più piccolie dimensioni (nell'intervallo mV anziché mV) rumore di fondo può essere più problematico. Il rumore di fondo può essere ridotto regolando l'elettrodo di terra, catodo, anodo, e il controllo di altre apparecchiature elettriche in prossimità del setup sperimentale. Una gabbia di Faraday, tipicamente utilizzato per applicazioni elettrofisiologiche intracellulari, non è richiesto. Vista la determinazione delle singole risposte SMUP è l'abilità più difficili da acquisire e prende la pratica per ottenere risultati coerenti con adeguata ripetibilità. È importante garantire che le SMUPs che vengono registrate avviare entro la durata della risposta CMAP massima. Abbiamo definito i criteri per l'accettazione delle risposte individuali incrementali per rendere questo processo più semplice da eseguire e per aumentare l'affidabilità intra e inter-rater.
Un potenziale svantaggio della tecnica MUNE incrementale include la possibilità di sovrastimare il numero di unità motorie funzionali a causa di alternanza di motounità r. Abbiamo usato una tecnica simile a Shefner et al. dal fatto che ciascuna risposta dovrebbe essere considerata riproducibile un totale di 3 volte per ridurre l'impatto di questo fenomeno 3.
Nella nostra esperienza, i sistemi electrodiagnostic clinici sono ottimizzati per gli studi qui descritti a causa di una maggiore ergonomia dell'interfaccia sistema esaminatore-elettrodiagnostico consentono facilità di controllo. Il sistema a due canali utilizzati nel nostro laboratorio è dotato di due canali non commutata amplificazione mediante un amplificatore con 24 bit Convertitore analogico-digitale ed una frequenza di campionamento di 48 kHz per canale. Hardware guadagno può essere regolato da 10nV a 100 mV / divisione. Il filtro a bassa frequenza ha un range da 0,2 Hz-5 kHz, e le impostazioni del filtro ad alta frequenza varia da 30 Hz-10 kHz. Uno stimolatore a corrente costante viene utilizzata (intensità: 0-100 mA; durata: 0.02-1 ms). La maggior parte dei sistemi clinici hanno simili caratteristiche adeguate e possono essere regolati per registrare adeguatamente CMAP e Mune risposte. Ladditionally, piattaforme elettrofisiologici standard possono essere assemblati per registrare adeguatamente CMAP e MUNE, ma l'interfaccia può essere necessario regolare per facilità di registrazione e stimolazione rapida identificazione di CMAP e SMUP risposte.
Abbiamo già utilizzato le tecniche di CMAP e MUNE descritto qui per consentire una valutazione rapida e riproducibile dello sciatico muscolo innervato della dell'arto posteriore nei topi durante il periodo postnatale precoce all'età adulta 5. Queste tecniche permettono di valutazione in modelli murini in cui test comportamentali per la funzione del motore non è fattibile o è meno affidabile. L'applicazione di questa tecnica per topi neonati facilita lo studio dello sviluppo gruppo motore e ha il potenziale per espandere la nostra comprensione del motoneurone innervazione e la potatura. Ad esempio, abbiamo dimostrato che il numero di unità motorie funzionali registrati con MUNE aumenterà durante potatura da polyneuronal a innervazione mononeuronal durante la prima due settimanes della vita nei topi neonatale 5. La possibilità di testare topi per lunghi periodi di tempo con questa tecnica si presta allo studio della risposta dell'unità motore lesione del nervo periferico, disturbi neuromuscolari ereditarie e dell'invecchiamento.
The authors have nothing to disclose.
WDA is supported by grant funding from NIH-NICHD (5K12HD001097-17) and Cure SMA. SJK is supported by grant funding from NINDS (K08NS067282 and U01NS079163).
Pro trimmer Pet Grooming Kit | Oster | 078577-010-003 | clippers for hair removal |
Synergy T2 EMG system | Natus Neurology | Model no longer available | portable electrodiagnostic system |
monopolar needles 28 gauge | Teca | 017K121 | cathode and anode stimulating electrodes |
Alpine Biomed Digital Ring Electrode with twisted wires and 1.5 mm TP connectors. | Alpine Biomed | 9013S0312 | recording electrodes |
Helping Hands alligator clip with iron base | Radio Shack | 64-079 | Maintaining recording electrode placement |
Spectra 360 Electrode Gel | Parker Laboratories | 9013G5012 | applied to reduce skin impedance |
monoject curved tip irrigating syringe | Covidien | 81412012 | utilized for application of electrode gel |
EMG needle cable | Teca | 902-RLC-TP | to connect monopolar electrodes to electrodiagnostic stimulator |
Disposable 2" x 2" Electrode or similar trimmed as needed | Carefusion | 019-415000 | ground electrode |
Small Heating Plate with built-in RTD sensor, 15x10cm | World Precision Instruments | 61830 | warming plate used with animal temperature controller to transmit heat to animal |
Silicone pad for use with ATC2000 | World Precision Instruments | 503573 | conductive removable pad to cover warming plate for easy cleaning |
Animal temperature controller | World Precision Instruments | ATC2000 | low noise animal heating system for maintaining animal temperature |
Veterinarian petroleum-based ophthalmic ointment | Puralube | 26870 | applied during anesthesia to avoid corneal injury |