Электрофизиологические двигателя Блок Количество Оценка (MUNE) Измерение Соединение мышц потенциала действия (CMap) у мыши задних конечностей Мышцы
Summary
Мы представляем изысканные протоколы, которые позволяют в естественных условиях мониторинга двигательных единиц функции в мыши. Методы измерения соединение мышцы потенциал действия (CMap) и оценку номер блока двигателя (MUNE) в мышь задних мышц конечностей, иннервируемых седалищного нерва описаны.
Abstract
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.
Introduction
Мотор номер блока оценки (MUNE) первоначально был описан МакКомас др. более трех десятилетий назад. 1 Оригинальный метод был модификацией потенциал соединение мышцы действие (СМАР) техники записи, где работал постепенное увеличение стимуляции, чтобы получить субмаксимальные приращения. Эти приращения были подведены и в среднем для определения прогнозируемый размер единичного потенциала одного двигателя (СМУП). Этот размер был разделен на ответ СМАР оценить количество моторных единиц, иннервирующих мышцы проходят испытания. После первоначального описания, многочисленные вариации, используя оба электрофизиологические ответы и инкрементное силы (механические) измерения были использованы в обоих клинических исследованиях на животных моделях и 2. Техника MUNE был изменен Шефнера и коллег, чтобы исследовать модели мыши боковой амиотрофический склероз (БАС) 3, 4.
В текущем описании, мы подробно simplifСВУ модификации методов MUNE, которые быстро выполнить. Важно отметить, что СМАР и MUNE позволяют надежные меры в обоих новорожденных и взрослых мышей 5-8. Опытные люди могут выполнять эти меры в 10-20 мин на одно животное, и повторные измерения возможны, который позволяет приобретение продольных данных 5. В нынешних исследованиях, мы используем клиническую электродиагностических системы. По нашему опыту, клинические электродиагностических системы оптимизированы для быстрого и эффективного захвата электрофизиологических данных в естественных условиях, тем не менее, стандартные электрофизиологические установок может быть легко адаптирована для этого приложения.
Protocol
Representative Results
Discussion
MUNE и СМАР клинически соответствующие меры часто используются в научных исследованиях и в мониторинге пациентов с нервно-мышечными расстройствами, такими как ALS и спинальной мышечной атрофии (SMA) 9, 10. Например, в SMA, СМАР и MUNE хорошо коррелируют с возрастом, тяжести и клинических Меры функции 10-14. Обе эти меры минимально инвазивной и позволяют оценить функции в продольном направлении в той же особи. Важно отметить, что эти меры не могут измерить активацию или набор блока электродвигателя по корковых двигательных нейронов, но они обеспечивают клинически соответствующую оценку целостности двигательного нейрона и его функционального аналога, блок двигателя.
Животные модели нервно-мышечных заболеваний имеют решающее значение для понимания патогенетических механизмов заболевания человека и на доклинической разработки потенциально эффективных терапевтических средств. Возможность перевести меры результата и биомаркеров, которые могут бытьиспользовать разных видов могут облегчить и ускорить перевод перспективных доклинических выводах клинических испытаний. Несколько групп ранее использовали как электрофизиологические и сила (механические) измерения для оценки двигательной функции блока в мышиных моделях 2-4, 15-22. Из-за относительной сложности мер, мы усовершенствовали эти методы в визуальном формате, чтобы более широкого использования и реализации на мышах. Формат видео демонстрации и обучения, позволяет ключевым этапы процедуры будут выделены и возможные подводные камни, которые будут рассмотрены. Применение этих методов в доклинических испытаний потенциальных методов лечения в нейронных заболеваний двигательных может улучшить перевод предполагаемых лечения от мышей до человека болезни.
Есть несколько важных шагов в процессе приобретения ответов CMap и MUNE. Правильное и последовательное размещение электродов записи и достаточно контактный электрод с ланьюконечности имеют решающее значение для воспроизводимого измерения амплитуды и уменьшения фонового шума. Таким образом, тесный контакт между задней кожи конечностей и электроды должны быть последовательно подтверждены. Мы обнаружили, что поверхностные электроды предложить более последовательные и CMap MUNE записи, чем игольчатых электродов. В связи с очень тонкими подкожных тканей, мелкие движения иглы поверхности могут привести к широкой вариации в CMap амплитуд. Кроме того, более инвазивных характер игольчатых электродов не является оптимальным для новорожденных мышей или продольных исследований в связи с нарушением мышечного потенциала и травмы. Один потенциальный недостаток неселективных, поверхности электрода записей относится к возможности уменьшенной разрешением фенотипа, если конкретный мышцы более или менее вовлечены в сравнении с другой, и это было сообщено в модели ALS мыши 21.
Приобретение средний размер СМУП технически более сложным по сравнению с CMAP. Из-за небольших RESPONSРазмер электронной (в диапазоне мкВ, а не мВ) фонового шума может быть более проблематичным. Фоновый шум может быть уменьшен путем регулировки заземляющий электрод, анод, катод и проверки другое электрооборудование рядом с экспериментальной установки. Клетка Фарадея, как правило, используется для внутриклеточных электрофизиологических приложений, не требуется. Визуальное определение отдельных ответов СМУП является самым трудным умение приобретать и требует практики для получения стабильных результатов с надлежащей повторяемости. Важно, чтобы гарантировать, что SMUPs, что в процессе записи инициировать в пределах продолжительности максимального ответа СМАР. Мы определили критерии для принятия индивидуальных дополнительных ответов, чтобы этот процесс более простым для выполнения и повысить надежность внутри- и между оценщик.
Один потенциальный недостаток в дополнительных техники MUNE включает возможность переоценить количество функциональных двигательных единиц в связи с чередованием мотог единиц. Мы использовали методику, аналогичную Шефнер др. что каждый ответ должен быть воспроизводимым видел в общей сложности 3 раза, чтобы уменьшить влияние этого явления 3.
По нашему опыту, клинические электродиагностических системы оптимизированы для исследований, описанных здесь, в связи с улучшением экзаменатор-Electrodiagnostic интерфейса системы эргономики, что облегчает контроль. Система двухканальный используется в нашей лаборатории оснащены два не с коммутацией каналов усилителя с использованием усилителя с 24 разрядным аналого-цифровой преобразователь и частоту дискретизации 48 кГц на канал. Усиления Оборудование может быть в диапазоне от 10nV 100 мВ / деление. Фильтр низких частот имеет диапазон от 0,2 Гц-5 кГц, и настройки высокочастотный фильтр в диапазоне от 30 Гц-10 кГц. Постоянная тока стимулятор используется (интенсивность: 0-100 мА; продолжительность: 0,02-1 мс). Большинство клинических системы имеют подобные функции соответствующие и могут быть скорректированы, чтобы обеспечивать надлежащий учет и CMap MUNE ответов.dditionally, стандартные электрофизиологические установки могут быть собраны адекватно записывать CMap и MUNE, но интерфейс может потребоваться корректировка для простоты регулировки стимуляции и быстрой идентификации CMap и СМУП ответов.
Ранее мы уже использовали методы CMAP и MUNE описано здесь для обеспечения быстрого и воспроизводимого оценку седалищного иннервируются мышцы задней конечности у мышей в течение раннем послеродовом периоде взросления 5. Эти методы позволяют оценить в мышиных моделях, когда поведенческая тестирование на моторной функции не представляется возможным или является менее надежным. Применение этой методики неонатальной мышей облегчает изучение развития двигательной единицы, и имеет потенциал для расширения нашего понимания двигательных нейронов иннервации и обрезки. Например, мы показали, что количество функциональных двигательных единиц, записанных с MUNE будет увеличиваться в течение обрезки от polyneuronal в mononeuronal иннервации в течение первых двух неделис жизни в неонатальном мышей 5. Возможность проверить мышей в течение длительных периодов времени с этой техникой поддается изучению двигательных единиц ответ на периферических нервов, травмы наследственных заболеваний нервно-мышечных и старения.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 |
References
- McComas, A. J., Fawcett, P. R., Campbell, M. J., Sica, R. E. Electrophysiological estimation of the number of motor units within a human muscle. Journal of neurology, neurosurgery, and psychiatry. 34 (2), 121-123 (1971).
- Shefner, J. M. Motor unit number estimation in human neurological diseases and animal models. Clinical Neurophysiology. 112 (6), 955-964 (2001).
- Shefner, J. M., Cudkowicz, M. E., Brown, R. H. Comparison of incremental with multipoint MUNE methods in transgenic ALS mice. Muscle & Nerve. 25 (1), 39-42 (2002).
- Shefner, J. M., Cudkowicz, M., Brown, R. H. Motor unit number estimation predicts disease onset and survival in a transgenic mouse model of amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 34 (5), 603-607 (2006).
- Arnold, W. D., et al. Electrophysiological Biomarkers in Spinal Muscular Atrophy: Preclinical Proof of Concept. Annals of clinical and translational neurology. 1 (1), 34-44 (2014).
- Li, J., et al. A comparison of three electrophysiological methods for the assessment of disease status in a mild spinal muscular atrophy mouse model. PloS one. 9 (10), e111428 (2014).
- Srivastava, A. K., et al. Mutant HSPB1 overexpression in neurons is sufficient to cause age-related motor neuronopathy in mice. Neurobiology of disease. 47 (2), 163-173 (2012).
- Yalvac, M., Arnold, E., D, W., Hussain, S. R., et al. VIP-expressing dendritic cells protect against spontaneous autoimmune peripheral polyneuropathy. Molecular therapy: the journal of the American Society of Gene Therapy. 22 (7), 1353-1363 (2014).
- Gooch, C. L., et al. Motor unit number estimation: A technology and literature review. Muscle Nerve. 50 (6), 884-893 (2014).
- Arnold, W. D., Kassar, D., Kissel, J. T. Spinal muscular atrophy: diagnosis and management in a new therapeutic era. Muscle Nerve. , (2014).
- Swoboda, K. J., et al. Natural history of denervation in SMA: Relation to age, SMN2 copy number, and function). Annals of Neurology. 57 (5), 704-712 (2005).
- Finkel, R. S. Electrophysiological and motor function scale association in a pre-symptomatic infant with spinal muscular atrophy type I. Neuromuscular Disorders. 23 (2), 112-115 (2013).
- Kaufmann, P., et al. Prospective cohort study of spinal muscular atrophy types 2 and 3. Neurology. 79 (18), 1889-1897 (2012).
- Arnold, W. D., Burghes, A. H. Spinal muscular atrophy: The development and implementation of potential treatments. Annals of Neurology. 74 (3), 348-362 (2013).
- Li, J., Sung, M., Rutkove, S. B. Electrophysiologic biomarkers for assessing disease progression and the effect of riluzole in SOD1 G93A ALS mice. PloS one. 8 (6), e65976-65 (2013).
- Ngo, S. T., et al. The relationship between Bayesian motor unit number estimation and histological measurements of motor neurons in wild-type and SOD1 (G93A) mice. Clin Neurophysiol. 123 (10), 2080-2091 (2012).
- Shefner, J. M. Recent MUNE studies in animal models of motor neuron disease. Supplements to Clinical neurophysiology. 60, 203-208 (2009).
- Souayah, N., Potian, J. G., Garcia, C. C., et al. Motor unit number estimate as a predictor of motor dysfunction in an animal model of type 1 diabetes. American journal of physiology Endocrinology and metabolism. 297 (3), E602-E608 (2009).
- Zhou, C., et al. A method comparison in monitoring disease progression of G93A mouse model of ALS. Amyotrophic lateral sclerosis: official publication of the World Federation of Neurology Research Group on Motor Neuron Diseases. 8 (6), 366-3672 (2007).
- Feng, X. H., Yuan, W., Peng, Y., Ss Liu, M., Cui, L. Y. Therapeutic effects of dl-3-n-butylphthalide in a transgenic mouse model of amyotrophic lateral sclerosis. Chinese medical journal. 125 (10), 1760-1766 (2012).
- Mancuso, R., Santos-Nogueira, E., Osta, R., Navarro, X. Electrophysiological analysis of a murine model of motoneuron disease. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1660-1670 (2011).
- Lee, Y. i., Mikesh, M., Smith, I., Rimer, M., Thompson, W. Muscles in a mouse model of spinal muscular atrophy show profound defects in neuromuscular development even in the absence of failure in neuromuscular transmission or loss of motor neurons. Developmental biology. 356 (2), 432-444 (2011).
