単独操作のための従来型および閾値追跡経頭蓋磁気刺激試験
Summary
我々は、標準化された単一および対パルス経頭蓋磁気刺激(TMS)記録プロトコルのスイートを提示し、従来の振幅測定および閾値追跡のためのオプションを提供する。このプログラムは、磁気刺激装置の3つの異なるタイプを制御することができ、すべてのテストが単一のオペレータによって便利に実行されるように設計されています。
Abstract
ほとんどの単パルス経頭蓋磁気刺激(TMS)パラメータ(例えば、運動閾値、刺激応答機能、皮質サイレント期間)は、コルチコ脊髄興奮性を調べるために使用される。ペアドパルスTMSパラダイム(短いおよび長時間の皮質内阻害(SICI/LICI)、短間隔皮質内ファシリテーション(SICF)、短遅延および長遅延の異性阻害(SAI/LAI))は、皮質内阻害および進行性ネットワークに関する情報を提供します。これは、一定の強度の刺激に応答してモータ呼び起電位(MEP)の大きさの変化を測定する従来のTMS法によって長い間行われてきました。最近、ターゲット振幅の刺激強度を追跡する代替の閾値追跡アプローチが導入されました。筋萎縮性側索硬化症(ALS)における閾値追跡SICIの診断有用性は、以前の研究で示されている。しかし、しきい値追跡TMSは、容易に入手可能なソフトウェアの欠如だけでなく、従来のシングルパルスおよびペアパルスTMS測定との関係に関する不確実性のために、いくつかのセンターでのみ使用されています。
閾値追跡TMS技術の幅広い使用を促進し、従来の振幅測定との直接比較を可能にするために、半自動プログラムのメニュー駆動式スイートが開発されました。これらは、3種類の磁気刺激装置を制御し、一般的なシングルパルスおよびペアパルスTMSプロトコルの単一のオペレータによる記録を可能にするように設計されています。
本稿では、健康な被験者に関する単一パルスおよびペアドパルスTMSプロトコルの数を記録し、記録を分析する方法を示す。これらのTMSプロトコルは、高速かつ実行が容易であり、異なる神経疾患、特にALSなどの神経変性疾患において有用なバイオマーカーを提供することができる。
Introduction
運動皮質の経頭蓋磁気刺激(TMS)は、神経変性疾患を含む多くの神経学的状態の皮質生理学および病態生理を調べるための非侵襲的な方法である1。一次運動皮質は、上閾値TMSパルスを使用して刺激され、標的筋に運動応答を生じる。この応答は、モータ呼び起こす電位(MEP)と呼ばれます。TMSは皮質および潜在的に皮質下運動網2を尋問する有用な用具として役立つ。単パルスTMSは、皮質反応性、休止運動閾値(RMT)、MEP振幅、皮質サイレント期間(CSP)2を評価することができます。皮質阻害は、2-3 ms(SICI)または〜100 ms(LICI)3,4,5の間刺激間隔(ISI)でペアパルスTMSを使用してプローブすることができる。
SICIは、その薬理学によって示されるようにGABAB受容体によってガンマ-アミノ酪酸(GABA)AおよびLICIによって媒介される4,5.SICFの基礎となる回路は、グルタミン酸基底薬性N-メチル-D-アスパラギン酸(NMDA)受容体6,7によって部分的に媒介される。MeP振幅は、TMSが末梢感覚神経の電気刺激によって先行する場合に減少する。この効果は、アフェレント阻害と呼ばれ、末梢神経の電気刺激とTMS8,9,10の単一パルスとの間の200〜1000msのISIが〜20〜25msおよびLAIである場合、SAIと呼ばれる。SAIはコリン作動性活動によって変調される11;しかし、LAIは著しく研究されており、この現象の根底にある神経回路は10の原因とは不明である。
MEP振幅は可変であり、従来のTMS(cTMS)法では、通常、固定刺激強度で呼び起こされる10〜20応答の算術平均を使用します。別のアプローチは、20年以上前に最初に記述されたしきい値追跡TMSです12,13。この場合、連続した刺激の強度は、固定目標振幅応答を達成するために変化する。従来の手法としきい値追跡の両方の手法を、異なる ISI で使用できます。SICIに適用されたこのアプローチの最初のバージョン、すなわち「シリアル」閾値追跡(T-SICIs)では、神経興奮性検査で使用されたものと同様の追跡方法が使用されました:「しきい値」は最初に1つの刺激間隔(ISI)で推定され、次に連続したISIで連続的に追跡されました。この方法は、1つのグループによって広く使用されており、高い診断ユーティリティ14,15,16,17のためにALSの潜在的なバイオマーカーとして提唱されています。しかし、彼らの発見はまだ他の研究グループによって確認されていません14,15,16,17。
シリアルアプローチは、末梢神経のように基準閾値が安定している場合に効率的です。しかし、閾値が広く変動すると、コルチコ脊髄興奮性の場合と同様に、シリアルトラッキングはSICI18のISI依存性を深刻に歪めるという欠点を有することが判明した。したがって、SICI(T-SICIp)18,19および他のペアドパルスプロトコルでは、別の「並列」しきい値追跡パラダイムがより適切であり、異なるISIに対してしきい値が独立して並行して推定される場合があります。
その約束にもかかわらず、既存のTMS方法は、臨床試験における信頼性の高い診断検査またはバイオマーカーとして診療所でまだ受け入れられていない。これは、時間の消費、手動操作の需要、再現性の悪さなど、既存のTMS方法のいくつかの制限が原因である可能性があります。これらの制限を克服するために、この論文では、単独操作用に設計された、最近開発された自動、高速、単一および対パルスのTMSプロトコルのスイートについて説明し、従来のしきい値と並列のしきい値追跡アプローチを比較できるようにします。
ここで使用される装置はTMS機械、絶縁された線形双極定電流刺激装置、50-60 Hzの電気的干渉を除去する雑音エリミネーター、電気的な増幅器、およびデータ取得システムを含んでいる。ソフトウェアは、他のアンプ、刺激装置、および記録条件で動作するのに十分な汎用性があります。
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS測定は、記録ソフトウェアでプログラムされたように、高度に自動化された手順である。しかし、信頼性の高い結果を得るには特に注意が必要です。記録段階では、ホットスポット上で一貫したMEP応答を確保し、その後、全体の記録全体を通して被写体の頭蓋骨に対して同じ位置にコイルを維持することが重要です。警戒は皮質興奮性20に顕著な影響を及ぼすので、被験者をリラックスさせながら警戒するために特別な注意が必要である。
件名を警告するには、短い質問を定期的に提起する必要があります。さらに、検査者は、ターゲットの筋肉が刺激されているかどうかを確認するために筋肉の収縮に目を光らせる必要があります。さらに、審査官は、MEP振幅または閾値の変化が、水泳キャップの輪郭をチェックすることに加えて、コイル変位を示しているかどうかを観察するために画面を監視する必要があります。コイルが変位している場合、ユーザは図面を使用して位置に置き換える必要があります。これが失敗した場合は、録音を再開する必要があります。これらのプロトコルでは、コイル変位の影響は、ISIsの擬似ランダムな順序によって、また3つのペアの刺激の各セットの後にテスト単独の刺激を与えることによって最小限に抑えられます。リアルタイムでトラッキングされるTMSコイルの位置を可能にするもう一つの方法は、ニューロナビゲーションシステムです。このようなシステムは、市販され、有効です。ただし、高コストではその使用が制限されます。ALSまたは他の神経変性疾患の患者に関するデータは提供されていません。末梢運動ニューロンの喪失、自発的な活動、および非興奮性による低振幅など、これらの患者にさらなる課題が生じる可能性があります。
この研究のすべてのプロトコル(シングルパルスとペアパルス)は、Bistim2モジュールに接続された8個のコイル(Magstim、D70リモートコイル)で行われました。これは、Bistimモジュールを通過する際に刺激が減衰するため、プロトコル間の磁場の同等の強度を維持するために行われました。システムは、2つのMagstim 2002ユニットの個々の外部トリガを可能にする独立ビスティムトリガモードに設定されました。シングルパルスプロトコルの場合、ユニットの1つの強度は0%MSOに設定されました。録音は、ソフトウェアプログラムの一部である記録プロトコルを使用して行われます。他のタイプの磁気刺激装置では、1単位のみが必要です。
TMS法の制限は変動性です。これまでの研究では、同じ被験者に対する1日または日間変動よりも個人間変動が高いことが示された19,21。方法の標準化に注意を払い、信頼性に影響を与える可能性のある技術的なミスを排除する必要があります。TMSは、ペースメーカーやてんかん患者などの特定の条件では使用できません。安全に関する国際的な規則に従うべきである22。また、特に円形のコイル23が使用される場合には、若干の不快感が予想される。しかし、不快感は、多くの場合、最小限であり、試験の中止を引き起こす必要はありません。
この原稿に記載されている方法は、既存の方法と比較して、記録と分析の両方のために自動化されています。これにより、単一のオペレータが録音を実行することができ、オペレータはコイルを同じ場所に保つ以外の何かに干渉する必要はありません。各プロトコルは、10分ほどかかるため、1時間で複数のプロトコルを実行することが可能になり、既存の手動方式で1つのプロトコルにかかる時間が考えられます。磁気刺激は、この研究では4 sごとに提供されます。しかし、他の磁気デバイスは、より速い刺激を可能にし、各プロトコルの記録時間を5分未満に短縮することができます。ここで説明するソフトウェアは、異なるISI、各ISIの刺激の数、および調整刺激レベルの選択も可能にする。ここで説明する方法の大きな進歩は、被験者が緩和されていないときに自動的にトレースを削除する測定機能です。
結論として、ここで説明する方法は、いくつかの脳障害、特にALSなどの神経変性疾患の基礎的なメカニズムを理解するための貴重な情報を提供することができ、診断値を有し得る。従来のTMS対策と閾値追跡TMS対策の診断値を決定するためには、さまざまな患者集団とより大きなグループに対してさらなる研究が必要であり、これらの措置が神経変性疾患のバイオマーカーとして実際に使用される可能性があるかどうか。異なる筋肉と上下の両方の四肢でTMSを記録する研究も保証されています。
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、主にルンドベック財団(グラント番号R290-2018-751)とデンマーク独立研究基金(グラント番号:9039-00272B)からの2つの助成金によって財政的に支援されました。
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 |
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