Циклы восстановления мышечной скорости для изучения свойств мышечной мембраны
Summary
Представлен протокол для записи циклов восстановления мышечной скорости (MVRCs), новый метод изучения свойств мышечной мембраны. MVRCs позволяют in vivo оценку потенциала мышечной мембраны и изменения в функции ионного канала мышц в связи с патологией, и это позволяет демонстрацию деполяризации мышц в нейрогенных мышц.
Abstract
Хотя обычные исследования нервной проводимости (NCS) и электромиографии (ЭМГ) подходят для диагностики нервно-мышечных расстройств, они предоставляют ограниченную информацию о свойствах мембраны мышечного волокна и основных механизмах заболевания. Циклы восстановления мышечной скорости (MVRCs) иллюстрируют, как скорость потенциала мышечного действия зависит от времени после предыдущего потенциала действия. MVRCs тесно связаны с изменениями в мембранном потенциале, которые следуют потенциал действия, тем самым предоставляя информацию о свойствах мембраны мышечного волокна. MVRCs могут быть записаны быстро и легко путем прямой стимуляции и записи из нескольких волоконных расслоений in vivo. MVRCs были полезны в понимании механизмов болезни в нескольких нервно-мышечных расстройств. Исследования у пациентов с channelopathies продемонстрировали различные эффекты конкретных мутаций ионного канала на возбудимость мышц. MVRCs были ранее протестированы у пациентов с нейрогенными мышцами. В этом предыдущем исследовании, период относительной преломления мышц (MRRP) был продлен, и ранние сверхнормальные (ESN) и поздней супернормальности (LSN) были сокращены у пациентов по сравнению со здоровым ими контроля. Таким образом, MVRCs может обеспечить in vivo доказательства деполяризации мембраны в нетронутых человеческих мышечных волокон, которые лежат в основе их снижение возбудимости. Представленный здесь протокол описывает, как записывать MVRCs и анализировать записи. MVRCs может служить в качестве быстрого, простого и полезного метода для выявления механизмов заболевания в широком диапазоне нервно-мышечных расстройств.
Introduction
Исследования нервной проводимости (NCS) и электромиографии (ЕМГ) являются обычными электрофизиологическими методами, используемыми для диагностики нервно-мышечных расстройств. NCS позволяет обнаружить аксональной потери и демиелинизм в нервах1, в то время как ЭМГ может дифференцировать ли миопатия или нейрогенные изменения присутствуют в мышце из-за повреждения нерва. Тем не менее, NCS или EMG предоставляют ограниченную информацию о свойствах мембраны мышечного волокна и основных механизмов заболевания. Эта информация может быть достигнута с помощью внутриклеточных электродов в изолированных мышцах от биопсии мышц2,3,4. Тем не менее, это имеет клиническое значение для использования методологий с использованием записей из нетронутых мышц у пациентов.
Скорость второго действия мышечного волокна потенциальноизменения в качестве функции задержки после первых5, и эта функция восстановления скорости (или цикл восстановления) было показано, что изменения в дистрофических или деверватированных мышц. Выход таких записей из одномышечных волокон был, однако, слишком низким, чтобы быть в использовании в качестве клинического инструмента6. Тем не менее, З’Грагген и Босток позже обнаружили, что мульти-волоконные записи, полученные путем прямой стимуляции и записи из того же пучка мышечных волокон, обеспечивают быстрый и простой метод получения таких записей in vivo7. Последовательность парных импульсных электрических стимулов с различными интервалами интерстимула (ISIs) используется в этом методе7,8,9,10,11.
Оцененные параметры MVRC включают в себя следующее: 1) мышечный относительный огнеупорный период (MRRP), который является длительностью после потенциала мышечного действия до следующего потенциала действия может быть получен; 2) ранняя сверхнормальность (ESN); и 3) поздняя сверхнормальность (LSN). ESN и LSN – это периоды после огнеупорного периода, в течение которого потенциалы действия проводятся вдоль мышечной мембраны быстрее, чем обычно. Деполяризующий afterpotential, и накопление калия в т-трубах мышцы соответственно, предположили в качестве основных причин для двух периодов сверхнормальности.
Широкая применимость MVRCs к мышечным расстройствам было показано в обнаружении мембранной деполяризации в ишемии7,10,12 и почечной недостаточности13, а также предоставление информации о мышечной мембраны аномалии при критических заболеваний миопатии14 и включения тела миозит15. Частота рампы и прерывистый 15 Гц и 20 Гц моделирования протоколы с тех пор были введены. MVRCs, вместе с этими дополнительными протоколами, продемонстрировали различные эффекты на возбудимости мышечной мембраны, связанные с потерей функции или усиления функции мутаций в различных ионных каналов мышц в наследственных ионных каналов (т.е. натриевый канал миотонии, парамиотония congenita16, миотоническая дистрофия17, Андерсен-Tagenawil18, и миотонияconit0.
В недавнем исследовании, применимость MVRCs к нейрогенным мышцам было показано в первый раз. Термин “нейрогенная мышца” относится к вторичным изменениям в скелетных мышцах, которые развиваются как денервация и реиннервация после любого повреждения передних клеток рога или моторных аксонов. Денервация характеризуется в ЭМГ как спонтанная активность (т.е. фибрилляция и положительные острые волны), в то время как крупные потенциалы моторных единиц с длительной длительностью и повышенной амплитудой настоящего реиннервации21. Изменения ЭМГ проявляются в отрицаемых мышцах, но основные клеточные изменения в потенциале мембраны мышечного волокна были продемонстрированы только в экспериментальных исследованиях на изолированной мышечной ткани2,3,4. MVRCs обеспечивают дальнейшее понимание in vivo человеческих мышечных мембранных свойств в отношении процесса денервации.
В настоящем документе подробно описывается методология МВРЦ. Он также обобщает изменения в нейрогенных мышц в подгруппе пациентов из ранее сообщалось исследования22 и здоровых субъектов контроля, что позволяет определить, является ли метод подходит для запланированного исследования.
Записи выполняются с помощью протокола записи, который является частью программного обеспечения. Другое используемое оборудование представляет собой изолированный линейный биполярный стимулятор постоянного тока, шумоподалин 50 Гц, изолированный усилитель электромиографии и аналог цифрового преобразователя.
Protocol
Representative Results
Discussion
MVRCs, как запрограммировано в программном обеспечении для записи, является высокоавтоматизированной процедурой, но для получения надежных результатов необходимо внимательное обслуживание. На этапе записи, при регулировке игл, важно, чтобы избежать стимулирования зоны конца пластины и…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было финансово поддержано в основном двумя грантами от Фонда Лундбека (Грант номер R191-2015-931 и Грант номер R290-2018-751). Кроме того, исследование было финансово поддержано Novo Nordisk Foundation Challenge Program (Грант номер NNF14OC0011633) в рамках Международного консорциума диабетической нейропатии.
Materials
| 50 Hz Noise Eliminator | Digitimer Ltd | Humbug | |
| Analogue-to-Digital Converter | National Instruments | NI-6221 | |
| Analysing software program | Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) | QtracP, MANAL9 | |
| Disposable concentric needle electrode, 25 mm x 30G | Natus | Dantec DCN | |
| Disposable monopolar needle electrode, 25 mm x 26G | Natus | TECA elite | |
| Isolated EMG amplifier | Digitimer Ltd | D440 | |
| Isolated linear bipolar constant-current stimulator | Digitimer Ltd | DS5 | |
| Software and recording protocol | Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) | QtracW software, M3REC3 recording protocol written by Hugh Bostock, Istitute of Neurology, London, UK) |
References
- Tankisi, H., et al. Pathophysiology inferred from electrodiagnostic nerve tests and classification of polyneuropathies. Suggested guidelines. Clinical Neurophysiology. 116 (7), 1571-1580 (2005).
- Gregorio, C. C., Hudecki, M. S., Pollina, C. M., Repasky, E. A. Effects of denervation on spectrin concentration in avian skeletal muscle. Muscle and Nerve. 11 (4), 372-379 (1988).
- Kotsias, B. A., Venosa, R. Role of sodium and potassium permeabilities in the depolarization of denervated rat muscle fibers. Journal of Physiology. 392, 301-313 (1987).
- Kirsch, G. E., Anderson, M. F. Sodium channel kinetics in normal and denervated rabbit muscle membrane. Muscle and Nerve. 9 (8), 738-747 (1986).
- Stalberg, E. Propagation velocity in human muscle fibers in situ. Acta Physiologica Scandinava Supplementum. 287, 1 (1966).
- Mihelin, M., Trontelj, J. V., Stalberg, E. Muscle fiber recovery functions studied with double pulse stimulation. Muscle and Nerve. 14 (8), 739-747 (1991).
- Z’Graggen, W. J., Bostock, H. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials and their sensitivity to ischemia. Muscle and Nerve. 39 (5), 616-626 (2009).
- Bostock, H., Tan, S. V., Boerio, D., Z’Graggen, W. J. Validity of multi-fiber muscle velocity recovery cycles recorded at a single site using submaximal stimuli. Clinical Neurophysiology. 123 (11), 2296-2305 (2012).
- Z’Graggen, W. J., Troller, R., Ackermann, K. A., Humm, A. M., Bostock, H. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials: repeatability and variability. Clinical Neurophysiology. 122 (11), 2294-2299 (2011).
- Lee, J. H. F., Boland-Freitas, R., Ng, K. Sarcolemmal excitability changes in normal human aging. Muscle and Nerve. 57 (6), 981-988 (2018).
- Lee, J. H. F., Boland-Freitas, R., Ng, K. Physiological differences in sarcolemmal excitability between human muscles. Muscle and Nerve. 60 (4), 433-436 (2019).
- Humm, A. M., Bostock, H., Troller, R., Z’Graggen, W. J. Muscle ischaemia in patients with orthostatic hypotension assessed by velocity recovery cycles. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 82 (12), 1394-1398 (2011).
- Z’Graggen, W. J., et al. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials in chronic renal failure. Clinical Neurophysiology. 121 (6), 874-881 (2010).
- Z’Graggen, W. J., et al. Muscle membrane dysfunction in critical illness myopathy assessed by velocity recovery cycles. Clinical Neurophysiology. 122 (4), 834-841 (2011).
- Lee, J. H., Boland-Freitas, R., Liang, C., Ng, K. Sarcolemmal depolarization in sporadic inclusion body myositis assessed with muscle velocity recovery cycles. Clinical Neurophysiology. 19 (31205-2), 1388 (2019).
- Tan, S. V., Z’Graggen, W. J., Hanna, M. G., Bostock, H. In vivo assessment of muscle membrane properties in the sodium channel myotonias. Muscle and Nerve. 57 (4), 586-594 (2018).
- Tan, S. V., et al. In vivo assessment of muscle membrane properties in myotonic dystrophy. Muscle and Nerve. 54 (2), 249-257 (2016).
- Tan, S. V., et al. Membrane dysfunction in Andersen-Tawil syndrome assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 46 (2), 193-203 (2012).
- Tan, S. V., et al. Chloride channels in myotonia congenita assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 49 (6), 845-857 (2014).
- Boland-Freitas, R., et al. Sarcolemmal excitability in the myotonic dystrophies. Muscle and Nerve. 57 (4), 595-602 (2018).
- Stalberg, E., et al. Standards for quantification of EMG and neurography. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1688-1729 (2019).
- Witt, A., et al. Muscle velocity recovery cycles in neurogenic muscles. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1520-1527 (2019).
- Kristensen, R. S., et al. MScanFit motor unit number estimation (MScan) and muscle velocity recovery cycle recordings in amyotrophic lateral sclerosis patients. Clinical Neurophysiology. 130 (8), 1280-1288 (2019).
- Marrero, H. G., Stalberg, E. V. Optimizing testing methods and collection of reference data for differentiating critical illness polyneuropathy from critical illness MYOPATHIES. Muscle and Nerve. 53 (4), 555-563 (2016).
- Allen, D. C., Arunachalam, R., Mills, K. R. Critical illness myopathy: further evidence from muscle-fiber excitability studies of an acquired channelopathy. Muscle and Nerve. 37 (1), 14-22 (2008).
