اختبارات التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة التقليدية وتتبع العتبة للتشغيل بيد واحدة
Summary
نقدم مجموعة من بروتوكولات التسجيل الموحدة للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة أحادية النبض والمقترنة (TMS)، مع خيارات لقياسات السعة التقليدية وتتبع العتبة. هذا البرنامج يمكن السيطرة على ثلاثة أنواع مختلفة من المحفزات المغناطيسية، ويهدف إلى تمكين جميع الاختبارات التي يمكن أن يؤديها مريح من قبل مشغل واحد.
Abstract
معظم معلمات التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة أحادية النبض (TMS) (على سبيل المثال ، العتبة الحركية ، وظيفة التحفيز والاستجابة ، الفترة الصامتة القشرية) تستخدم لفحص استثارة القشرية. وتوفر نماذج TMS المقترنة بالنبض (مثل التثبيط غير الشبكي القصير والطويل الأمد (SICI/LICI)، والتيسير غير النمطي للفاصل الزمني القصير (SICF)، والتثبيط القصير والطويل الكمون (SAI/LAI)) معلومات عن شبكات المثبطة والميسرة غير النمطية. وقد تم ذلك منذ فترة طويلة من خلال الطريقة التقليدية TMS لقياس التغيرات في حجم الإمكانات التي تثيرها المحركات (أعضاء البرلمان الأوروبي) استجابة لمحفزات الكثافة المستمرة. وقد بدأ مؤخرا اتباع نهج بديل لتتبع العتبات يجري بموجبه تتبع كثافة التحفيز للسعة المستهدفة. وقد أظهرت فائدة تشخيصية من عتبة تتبع SICI في التصلب الجانبي الضموري (ALS) في الدراسات السابقة. ومع ذلك ، لم يتم استخدام TMS لتتبع العتبة إلا في عدد قليل من المراكز ، ويرجع ذلك جزئيا إلى عدم وجود برامج متاحة بسهولة ولكن ربما أيضا بسبب عدم اليقين بشأن علاقتها بقياسات TMS التقليدية أحادية النبض ومقترنة.
وقد تم تطوير مجموعة قائمة من البرامج شبه التلقائية لتسهيل الاستخدام الأوسع لتقنيات TMS لتتبع العتبة ولتمكين المقارنات المباشرة مع قياسات السعة التقليدية. وقد صممت هذه للسيطرة على ثلاثة أنواع من المحفزات المغناطيسية والسماح بالتسجيل من قبل مشغل واحد من بروتوكولات TMS واحد ونبض مقترن المشتركة.
توضح هذه الورقة كيفية تسجيل عدد من بروتوكولات TMS أحادية النبض والمقترنة حول الموضوعات الصحية وتحليل التسجيلات. هذه البروتوكولات TMS سريعة وسهلة الأداء ويمكن أن توفر علامات بيولوجية مفيدة في الاضطرابات العصبية المختلفة، وخاصة الأمراض العصبية مثل ALS.
Introduction
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) من القشرة الحركية هو طريقة غير الغازية لفحص علم وظائف الأعضاء القشرية والفيزيولوجيا المرضية للعديد من الحالات العصبية، بما في ذلك الأمراض العصبية التنكسية1. يتم تحفيز القشرة الحركية الأولية باستخدام نبضات TMS فوق الترخيفي لإنتاج استجابة محركية في العضلة المستهدفة. وتسمى هذه الاستجابة الإمكانات التي يثيرها المحرك (MEP). TMS بمثابة أداة مفيدة أن يستجوب الشبكات الحركية القشرية ويحتمل أن تكون تحت القشرية2. يمكن ل TMS أحادي النبض تقييم التفاعل القشري ، وعتبات المحرك يستريح (RMT) ، واتساع MEP ، والفترة الصامتة القشرية (CSP)2. يمكن فحص التثبيط القشري باستخدام TMS ثنائي النبض على فترات بين الترهيب (ISIs) من 2-3 مللي ثانية (SICI) أو ~ 100 مللي ثانية (LICI)3،4،5.
يتم بوساطة SICI بواسطة حمض غاما أمينوبوتيريك (GABA)A وLICI من قبل مستقبلات GABAB كما هو مبين في علم الأدوية4,5. يتم التوسط في الدوائر الكامنة وراء SICF جزئيا عن طريق مستقبلات حمض الجلوتاماترجي N-ميثيل-D-الأسبارتيك (NMDA)6,7. يتم تقليل سعة MEP إذا سبق TMS التحفيز الكهربائي للعصب الحسي المحيطي. ويسمى هذا التأثير تثبيط afferent ويعرف باسم SAI عندما ISI هو ~ 20-25 مللي ثانية وLAI في أطول ISIs من 200-1000 مللي ثانية بين التحفيز الكهربائي للعصب المحيطي ونبض واحد من TMS8،9،10. يتم تعديل SAI من خلال النشاط الكوليني11; ومع ذلك ، فإن LAI غير مدروس بشكل كبير ، والدوائر العصبية الكامنة وراء هذه الظاهرة غير واضحة 10.
السعة MEP متغيرة، وتقديرات نقطة النهاية في أساليب TMS التقليدية (cTMS) عادة ما تستخدم المتوسطات الحسابية من 10 إلى 20 استجابة التي أثارت مع كثافة التحفيز الثابتة. والنهج البديل هو تتبع العتبة TMS، الذي وصف لأول مرة منذ أكثر من 20 عاما12,13. في هذه الحالة ، تتنوع كثافة المحفزات المتتالية لتحقيق استجابة ثابتة للسعة المستهدفة. ويمكن استخدام تقنيات تتبع العتبات والتقليدية مع مختلف المؤسسات. وفي النسخة الأولى من هذا النهج المطبقة على اللجنة، وهي تتبع العتبة “التسلسلي” (T-SICIs)، استخدمت طريقة تتبع مماثلة لتلك المستخدمة في اختبار استثارة الأعصاب: فقد قدرت “العتبة” أولا بفاصل زمني واحد بين الترهيب ثم تعقبت تسلسليا في المؤسسات المستقلة خدمة المتعاقبة. وقد استخدمت هذه الطريقة على نطاق واسع من قبل مجموعة واحدة ودعا باعتبارها علامة بيولوجية محتملة ل ALS بسبب فائدتها التشخيصية العالية14,15,16,17. ومع ذلك، لم يتم تأكيد النتائج التي توصلوا إليها بعد من قبل أي مجموعة بحثية أخرى14,15,16,17.
النهج التسلسلي فعال عندما تكون العتبات المرجعية مستقرة ، كما هو الحال في الأعصاب الطرفية. ومع ذلك ، عندما تتقلب العتبات على نطاق واسع ، كما هو الحال بالنسبة للإثارة corticospinal ، تم العثور على تتبع المسلسل أن يكون من العيب تشويه خطير في الاعتماد على ISI من SICI18. ولذلك، قد يكون نموذج تتبع العتبة “الموازي” البديل أكثر ملاءمة لبروتوكول SICI (T-SICIp)18,19 وغيره من بروتوكولات النبض المقترن، حيث يتم تقدير العتبات بشكل مستقل، بالتوازي مع ذلك، لمختلف أجهزة الفضاء الدولية.
على الرغم من وعدهم، لم يتم قبول أساليب TMS الحالية في العيادات كاختبارات تشخيصية موثوقة أو علامات بيولوجية في التجارب السريرية. قد يكون هذا راجعا إلى عدة قيود على أساليب TMS الموجودة، مثل استهلاك الوقت، والطلب على التشغيل اليدوي، وضعف إمكانية إعادة الإنتاج. للمساعدة في التغلب على هذه القيود، تصف هذه الورقة مجموعة من بروتوكولات TMS الآلي والسريعة والفردية والمقترنة التي تم تطويرها مؤخرا، والمصممة للتشغيل بيد واحدة ولتمكين المقارنة بين النهج التقليدية والمسلسلة والموازية لتتبع العتبات.
وتشمل المعدات المستخدمة هنا جهاز TMS، ومحفز خطي معزول ثنائي القطب للتيار الثابت، ومزيل للضوضاء لإزالة التداخل الكهربائي 50-60 هرتز، ومكبر للصوت الكهربائي، ونظام الحصول على البيانات. البرنامج متعدد الاستخدامات بما يكفي للعمل مع مكبرات الصوت الأخرى ، والمحفزات ، وظروف التسجيل.
Protocol
Representative Results
Discussion
قياس نظام إدارة الرسائل ، كما هو مبرمج في برنامج التسجيل ، هو إجراء مؤتمت للغاية. ومع ذلك، يلزم إيلاء اهتمام خاص للحصول على نتائج موثوقة. في مرحلة التسجيل ، من المهم ضمان استجابة MEP متسقة عبر النقطة الساخنة ومن ثم الحفاظ على الملف في نفس الوضع بالنسبة لجمجمة الموضوع طوال التسجيل بأكمله. كما اليقظة لها تأثير بارز على استثارة القشرية20، هناك حاجة إلى رعاية خاصة للحفاظ على هذا الموضوع استرخاء ولكن في حالة تأهب.
للحفاظ على تنبيه الموضوع، يجب طرح أسئلة قصيرة بانتظام. بالإضافة إلى ذلك، يجب على الفاحص مراقبة تقلصات العضلات للتأكد مما إذا كان يتم تحفيز العضلات المستهدفة. وعلاوة على ذلك، يجب على الفاحص مراقبة الشاشة لمراقبة ما إذا كانت سعة MEP أو تغييرات العتبة تشير إلى أي نزوح لفائف، بالإضافة إلى التحقق من المخطط التفصيلي على غطاء السباحة. إذا تم إزاحة الملف، يجب على المستخدم محاولة استبداله في موضعه باستخدام الرسم. إذا فشل هذا، يجب إعادة تشغيل التسجيل. يتم تقليل تأثير إزاحة لفائف في هذه البروتوكولات من قبل النظام الزائف ل ISIs وإعطاء حافز اختبار وحده بعد كل مجموعة من ثلاثة محفزات مقترنة. طريقة أخرى لتمكين موقف لفائف TMS ليتم تعقبها في الوقت الحقيقي هو من قبل نظام الخلايا العصبية. وهذه النظم متاحة تجاريا وفعالة؛ ومع ذلك، فإن التكلفة العالية تحد من استخدامها. يرجى ملاحظة أنه لا توجد بيانات هنا عن المرضى الذين يعانون من مرض القاعدة في الدم أو الاضطرابات العصبية الأخرى. قد تنشأ تحديات إضافية في هؤلاء المرضى مثل انخفاض السعة بسبب فقدان الخلايا العصبية الحركية الطرفية، والنشاط العفوي، وعدم إمكانية الإصابة.
تم تنفيذ جميع البروتوكولات في هذه الدراسة (نبض واحد ومقترن) مع لفائف من ثمانية أرقام (Magstim ، D70 لفائف عن بعد) متصلة بوحدة Bistim2 . وقد تم ذلك للحفاظ على قوة مماثلة للمجال المغناطيسي بين البروتوكولات حيث يتم تخفيف التحفيز عند المرور عبر وحدة Bistim. تم تعيين النظام إلى وضع التشغيل Bistim المستقلة السماح الفردية الخارجية اثار من وحدتين Magstim 2002 . بالنسبة لبروتوكولات النبض الواحد ، تم تعيين كثافة إحدى الوحدات إلى 0٪ MSO. يتم إجراء التسجيلات باستخدام بروتوكول تسجيل ، وهو جزء من برنامج. بالنسبة للأنواع الأخرى من المحفزات المغناطيسية ، هناك حاجة إلى وحدة واحدة فقط.
أحد قيود أسلوب TMS هو التباين. وأظهرت الدراسات السابقة أن التباين بين الأفراد أعلى من التغير خلال اليوم أو بين الأيام في نفس الموضوع19,21. وينبغي إيلاء الاهتمام لتوحيد الأسلوب والقضاء على الأخطاء التقنية المحتملة التي يمكن أن تؤثر على الموثوقية. لا يمكن استخدام TMS في حالات معينة مثل المرضى الذين يعانون من جهاز تنظيم ضربات القلب أو الصرع. وينبغي اتباع القواعد الدولية للسلامة(22). بالإضافة إلى ذلك، قد يكون من المتوقع عدم الراحة طفيف، لا سيما إذا تم استخدام coil23 دائرية. ومع ذلك ، فإن عدم الراحة غالبا ما يكون ضئيلا ولا يحتاج إلى إيقاف الفحص.
الأساليب الموصوفة في هذه المخطوطة مؤتمتة للتسجيلات والتحليلات مقارنة بالطرق الموجودة. وهذا يسمح بالتسجيلات ليتم تنفيذها من قبل مشغل واحد، والمشغل لا تحتاج إلى تتداخل مع أي شيء آخر غير الحفاظ على لفائف في نفس المكان. وقد تم تصميم كل بروتوكول لاتخاذ ~ 10 دقيقة ، مما يجعل من الممكن لتشغيل بروتوكولات عدة في ساعة واحدة ، والوقت الذي سيستغرق على الارجح لبروتوكول واحد مع الأساليب اليدوية القائمة. يتم تسليم المحفزات المغناطيسية كل 4 ق في هذه الدراسة; ومع ذلك، تسمح الأجهزة المغناطيسية الأخرى بالتحفيز الأسرع، مما يسمح بتخفيض مدة التسجيل لكل بروتوكول إلى أقل من 5 دقائق. يسمح البرنامج الموصوف هنا أيضا باختيار مختلف أجهزة ISIs ، وأعداد المحفزات لكل ISI ، ومستوى تحفيز التكييف. تقدم كبير في الطريقة الموضحة هنا هو وظيفة gating ، والتي تزيل الآثار تلقائيا عندما لا يكون الموضوع مسترخيا.
في الختام، يمكن أن توفر الطرق الموصوفة هنا معلومات لا تقدر بثمن لفهم الآليات الأساسية للعديد من اضطرابات الدماغ، وخاصة الاضطرابات العصبية، مثل ALS، وقد يكون لها قيمة تشخيصية. ومن الضروري إجراء مزيد من الدراسات لمختلف مجموعات المرضى والمجموعات الأكبر لتحديد القيمة التشخيصية لتدابير TMS التقليدية وتتبع العتبات، وما إذا كان يمكن بالفعل استخدام هذه التدابير كمؤشرات بيولوجية للاضطرابات العصبية. كما أن الدراسات التي تسجل TMS في عضلات مختلفة والأطراف العلوية والسفلية لها ما يبررها أيضا.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة ماليا بشكل رئيسي من خلال المنحتين المقدمتين من مؤسسة لوندبيك (رقم المنحة R290-2018-751) وصندوق الأبحاث المستقل الدنمارك (رقم المنحة: 9039-00272B).
Materials
| 50 Hz Noise Eliminator | Digitimer Ltd | Humbug | |
| Analogue-to-Digital Converter | National Instruments | NI-6221 | |
| Recording program | Digitimer Ltd (copyright University College London) | QtracS.EXE | |
| TMS recording protocol | Digitimer Ltd (copyright QTMS Science) | QTMSG-12 recording protocol | |
| Disposable surface recording electrodes | AMBU | Ambu® BlueSensor NF | |
| Figure-of-8 coil | Magstim Co. Ltd, Whiteland, Wales, UK | Magstim® D70 Remote Coil | |
| Isolated EMG amplifier | Digitimer Ltd | D440 | |
| Isolated linear bipolar constant-current stimulator | Digitimer Ltd | DS5 | |
| TMS device | Magstim Co. Ltd, Whiteland, Wales, UK | Magstim® 2002 stimulators (2 MagStim units are required ) | |
| Analysis and plotting program | Digitimer Ltd (copyright University College London) | QtracP.EXE |
References
- Rawji, V., Latorre, A., Sharma, N., Rothwell, J. C., Rocch, L. On the use of TMS to investigate the pathophysiology of neurodegenerative diseases. Frontiers in Neurology. 11, 584664 (2020).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Ziemann, U., Rothwell, J. C., Ridding, M. C. Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex. Journal of Physiology. 496, 873-881 (1996).
- Ziemann, U., Tergau, F., Wischer, S., Hildebrandt, J., Paulus, W. Pharmacological control of facilitatory I-wave interaction in the human motor cortex. A paired transcranial magnetic stimulation study. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 109 (4), 321-330 (1998).
- Premoli, I., et al. Short-interval and long-interval intracortical inhibition of TMS-evoked EEG potentials. Brain Stimulation. 11 (4), 818-827 (2018).
- Ilic, T. V., et al. Short-interval paired-pulse inhibition and facilitation of human motor cortex: the dimension of stimulus intensity. Journal of Physiology. 545 (1), 153-167 (2002).
- Peurala, S. H., Muller-Dahlhaus, J. F., Arai, N., Ziemann, U. Interference of short-interval intracortical inhibition (SICI) and short-interval intracortical facilitation (SICF). Clinical Neurophysiolology. 119 (10), 2291-2297 (2008).
- Tokimura, H., et al. Short latency inhibition of human hand motor cortex by somatosensory input from the hand. Journal of Physiology. 523, 503-513 (2000).
- Chen, R., Corwell, B., Hallett, M. Modulation of motor cortex excitability by median nerve and digit stimulation. Experimental Brain Research. 129 (1), 77-86 (1999).
- Turco, C. V., et al. long-latency afferent inhibition; uses, mechanisms and influencing factors. Brain Stimululation. 11 (1), 59-74 (2018).
- Di Lazzaro, V., et al. Effects of lorazepam on short latency afferent inhibition and short latency intracortical inhibition in humans. Journal of Physiolology. 564, 661-668 (2005).
- Fisher, R. J., Nakamura, Y., Bestmann, S., Rothwell, J. C., Bostock, H. Two phases of intracortical inhibition revealed by transcranial magnetic threshold tracking. Experimental Brain Research. 143 (2), 240-248 (2002).
- Awiszus, F., Feistner, H., Urbach, D., Bostock, H. Characterisation of paired-pulse transcranial magnetic stimulation conditions yielding intracortical inhibition or I-wave facilitation using a threshold-hunting paradigm. Experimental Brain Research. 129 (2), 317-324 (1999).
- Vucic, S., Kiernan, M. C. Novel threshold tracking techniques suggest that cortical hyperexcitability is an early feature of motor neuron disease. Brain. 129, 2436-2446 (2006).
- Vucic, S., et al. Utility of threshold tracking transcranial magnetic stimulation in ALS. Clinical Neurophysiolology Practice. 3, 164-172 (2018).
- Vucic, S., Kiernan, M. C. Axonal excitability properties in amyotrophic lateral sclerosis. Clinical Neurophysiolology. 117 (7), 1458-1466 (2006).
- Vucic, S., Howells, J., Trevillion, L., Kiernan, M. C. Assessment of cortical excitability using threshold tracking techniques. Muscle Nerve. 33 (4), 477-486 (2006).
- Tankisi, H., et al. Short-interval intracortical inhibition as a function of inter-stimulus interval: Three methods compared. Brain Stimululation. 14 (1), 22-32 (2021).
- Samusyte, G., Bostock, H., Rothwell, J., Koltzenburg, M. Short-interval intracortical inhibition: Comparison between conventional and threshold-tracking techniques. Brain Stimululation. 11 (4), 806-817 (2018).
- Noreika, V., et al. Alertness fluctuations when performing a task modulate cortical evoked responses to transcranial magnetic stimulation. Neuroimage. 223, 117305 (2020).
- Boroojerdi, B., Kopylev, L., Battaglia, F., et al. Reproducibility of intracortical inhibition and facilitation using the paired-pulse paradigm. Nerve. 23 (10), 1594-1597 (2000).
- Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert Guidelines. Clinical Neurophysiolology. 132 (1), 269-306 (2021).
- Ørskov, S., et al. Comparison of figure-of-8 and circular coils for threshold tracking transcranial magnetic stimulation measurements. Neurophysiologie Clinique. 51 (2), 153-160 (2021).
