B.U. Kleine 1,2, P. Praamstra 1,3, R. Oostenveld 1, M.J. Zwarts 1, D.F. Stegeman 1,4

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1 Zerlegung des Mehrkanal-Oberflächen-EMG-Signals: Entladungsmuster motrischer Einheiten nach transkranieller Magetstimulation zeigen Störung der kortikalen Hemmung bei Patienten mit M. Parkinson B.U. Kleine 1,2, P. Praamstra 1,3, R. Oostenveld 1, M.J. Zwarts 1, D.F. Stegeman 1,4 1 Institute of Neurology, Department of Clinical Neurophysiology, University Medical Centre Nijmegen; 2 Neurologische Universitätsklinik Tübingen; 3 Behavioural Brain Sciences Centre, University of Birmingham 4 FB Motorik, Institut für Pathophysiologie, Friedrich-Schiller-Universität Jena Einleitung Transkranielle Magnetstimulation (TMS) erregt nichtinvasiv und schmerzfrei kortikale Axone. Bei Stimulation des Hand/Arm-Areals des motorischen Kortex kommt es zur transsynaptischen Erregung von Pyramidenzellen, deren Axone zu spinalen Motoneuronen projizieren. Nach einem Stimulus im Bereich der motorischen Schwelle feuern kortikospinale Zellen eine Folge von Aktionspotentialen, sog. I-(indirekte)-Wellen. Bei höherer TMS-Intensität oder bei transkranieller Elektrostimulation erfolgt eine direkte Erregung der kortikospinalen Axone, die zu D-(direkten)-Wellen mit kürzerer Latenz führt. Sowohl D- als auch I-Wellen erregen die spinalen Motoneurone, die mit einer Aktiverung der dazugehörigen motorischen Einheit (ME) antworten. Die Überlagerung der Potentiale der motorischen Einheiten (PME), lässt sich elektromyographisch (EMG) als motorisch evoziertes Potential (MEP) über dem Muskel ableiten. Neben exzitatorischen werden durch TMS auch inhibitorische kortikale Neurone aktiviert. Inhibitorische Aktivität beendet die Folge von I-Wellen und blockiert kortikospinale Aktionspotentiale, so dass die willkürliche EMG-Aktivität zeitweilig unterbrochen wird (silent period, SP). Sowohl bei Patienten mit M. Parkinson als auch bei amyotrophischer Lateralsklerose (ALS) findet sich, neben anderen neurophysiologischen Veränderungen, eine Verkürzung der SP, die auf eine Störung der intrakortikalen Inhibition hinweist. Beim M. Parkinson werden die SP-Veränderungen durch dopaminerge Medikation oder Stimulation Globus pallidus p. int. normalisiert, was auf eine pathophysiolgische Bedeutung für Brady- und Akinese hindeutet. Aufgrund des kurzen Abstandes der I-Wellen von nur etwa 2 ms führt die Überlagerung der wesentlich längeren PME zur Phasenüberlagerung und -auslöschung. Der zeitliche Ablauf der D- und I-Wellen und deren Gesamtdauer lässt sich deshalb nur unzureichend aus dem MEP erschließen. Deshalb wurden von zahlreichen Autoren die regelmäßigen Entladungen von PME bei geringer Anspannung mit Nadelelektroden abgeleitet und deren Beeinflussung durch TMS gemessen. Mit Hilfe des peri-stimulus Zeithistogramms (PSTH) oder der interspike-interval change function (IICF) lässt sich die Veränderung des Entladungsmusters durch TMS quantifizieren. Bei ALS findet sich eine Verlängerung der I-Wellen, die mit gestörter kortikaler Inhibition erklärt wird (Awiszus und Feistner 1993; Kohara et al. 1996). Bei ähnlichen Veränderungen der kortikalen Inhibition bei ALS und M. Parkinson sollte die Hypothese geklärt werde, ob eine Verlängerung der TMS-induzierten I-Wellen auch beim M. Parkinson gefunden wird. Um eine nichtinvasive Ableitung von einzelnen ME zu ermöglichen, wurden 126 Kanäle high-density EMG vom M. biceps brachii abgeleitet und daraus die Entladungsmuster von bis zu fünf gleichzeitig aktiven ME isoliert. 136

2 Methode Es wurden sieben Patienten mit M. Parkinson und fünf gesunde Kontrollen untersucht. Patienten wurden morgens nach einer medikamentenfreien Periode von mindestens 1 Stunden untersucht. Weiter Details finden sich bei Kleine et al. (21) EMG-Ableitung: Mit Hilfe eines rechteckigen 1 x 13 high-density EMG-Rasters (Elektrodenabstand 5 mm) wurden vom linken M. biceps brachii 126 Kanäle monopolar gegen eine Referenzelektrode am Olecranon abgeleitet. Die Signale wurden verstärkt, gefiltert (3-4 Hz), mit einer Auflösung von,5 µv (16 bit) und einer Rate von 2/s ADkonvertiert und auf einer PC-Festplatte gespeichert (Mark6, Biosemi Inc., Amsterdam, Niederlande). Sowohl zur Visualisierung während der Messung als auch zur weiteren Analyse wurden bipolare Ableitungen parallel zur Faserrichtung gebildet. Bipolare Ableitungen mit derart geringen Elektrodenabständen haben eine hohe räumliche Selektivität und erlauben damit die Separation einzelner PME. Während einer konstanten isometrischen Kontraktion mit geringer Kraft (weniger als 5% der Maximalkraft) wurden 1 magnetische Stimuli appliziert. Magnetstimulation: TMS wurde mit einem Magstim 2 (Magstim, Whitland, UK) und einer runden Standardspule über dem Vertex (Seite B) appliziert. Die Stimulusstärke wurde in Schritten von 5 % der Maximalleistung des Gerätes erhöht, bis ein deutliches MEP erkennbar wurde und dann wieder um 5 % reduziert. EMG-Zerlegung: Um den Einfluss von TMS auf das Entladungsmuster der ME zu analysieren, muss zuerst das EMG in die einzelen PME und ihre Entladungszeitpunkte zerlegt werden (EMG-decomposition). Von der Hautoberfläche abgeleitete PME unterschieden sich kaum in ihrem zeitlichen Verlauf, jedoch in ihrer Topografie. In einem ersten Schritt wird nur eine Reihe (1 Elektrodenpaare senkrecht zur Faserrichtung) bipolarer Signale analysiert. Von den topografischen Unterschieden, die hauptsächlich durch die Lage der Muskelfasern bedingt sind, wird bei dieser Auswahl der Kanäle optimal Gebrauch gemacht. Alle PME, die eine bestimmte Schwelle überschreiten werden in einer hierarchischen Clusteranalyse nach Ähnlichkeit sortiert. Idealerweise wird dabei für jede ME ein Cluster erzeugt. In einem interaktiven Schritt können diese Cluster nochmals editiert oder verworfen werden. Aus den Entladungzeitpunkten und der Clusterzuordung können nun die PME an allen Elektrodenpositionen (high-density template) ermittelt werden. Im zweiten Schritt kann eine Mustererkennung unter Verwendung aller 126 Kanäle erfolgen, in der nach und nach vom gemessenen EMG die PME abgezogen werden. Damit können auch die Überlagerungen von PME aufgelöst werden, im ersten Schritt verworfen wurden. Als Resultat entsteht eine Liste der Entladungszeitpunkte von bis zu 5 ME, deren Korrelation zur TMS untersucht werden kann. In einem letzten interaktiven Schritt können Fehler der automatischen Auswertung korrigiert werden. Dabei zeigt sich, dass PME mit hoher Amplitude, d.h. gutem Signal-Rausch-Verhältnis, fast fehlerfrei detektiert werden. Bei Superpositionen von PME mit geringer Amplitude kann es häufiger zu Verwechslungen kommen, die sich jedoch unter Zuhilfenahme der Physiologie eines Entladungsmusters korrigieren lassen. Methodische Details und eine Analyse der Fehlerhäufigkeiten finden sich bei Kleine et al. (2). Analyse des Entladungsmusters: Aus den korrigierten Entladungszeitpunkten wurden PSTH konstruiert. Dabei wird die Entladungshäufigkeit der ME im Zeitraum 1 ms vor bis 2 ms nach TMS mit einer Auflösung von 1 ms bestimmt. Nach Weber und Eisen (1999) wurde die Dauer und Synchronizität ersten Gipfels bestimmt. Aus dem Entladungsmuster jeder ME wurde die IICF, d.h. die mittlere Veränderung des Entladungsintervalles zu einem 137

3 bestimmten Zeitpunkt nach TMS bestimmt (Awiszus 1997). Die IICF folgt dem Verlaufs des TMS-induzierten excitatorische postsynaptischen Potentials (EPSP) im Motoneuron. Ergebnisse Sowohl Patienten als auch Probanden hatten keine Schwierigkeiten ein stabiles Entladungsmuster aus einigen ME über einige Minuten einzuhalten. Auf diese Weise konnten 16 ME von 7 Patienten und 17 ME von 5 Probanden bei jeweils einer Kontraktion und 1 TMS- Pulsen untersucht werden. A spikes/ms B Abbildung 1: Antwort einer regelmäßig entladenden ME auf TMS bei einem Patienten mit M. Parkinson (A,C) und bei einer Kontrollperson (B,D). Dargestellt als Peristimuluszeit- Histogramm (A,B) und als Interspike interval change function (C,D) C 4 D IICF [ms] Tabelle 1: Ergebnisse der PSTH-Analyse. Entladungsrate, Dauer des Gipfels, Synchroniät des Gipfels und Amplitude des EPSP bestimmt nach Weber und Eisen (1999). Mittelwerte ± SD M. Parkinson Kontrollen P TMS (% max) 35 ± 4 33 ± 5,52 Entladungsrate(Hz) 9,2 ± 1,6 11,2 ± 1,1 <,1 Peak-Duration (ms) 6,1 ± 2,3 4,8 ± 1,9,4 Peak-Synchrony,85 ±,2,98 ±,1,1 EPSP (mv) 2,4 ± 1, 2,7 ±,6,27 In beiden Gruppen wurde mit gleicher Intensität stimuliert und ein gleichstarkes EPSP in den spinalen Motoneuronen erzeugt. Jedoch zeigten sich deutliche Unterschiede in den PSTH und IICF (Abb. 1, Tabelle 1). Bei den Kontrollen führte TMS zu einem schnellen Anstieg der Entladungswahrscheinlichkeit, was zu einem scharfen Gipfel im PSTH führte. Bei den Patienten war dieser Gipfel flacher und breiter und nicht in allen Fällen von einer kompletten Suppression der Entladungen gefolgt. In der IICF entspricht dies einer längeren Dauer der Phase verkürzter Entladungsintervalle. Im Gruppenvergleich war bei Patienten mit M. Parkinson der Gipfel des PSTH signifikant länger und desynchronisiert. 138

4 A 3 IICF [ms] B Abbildung 2: A: Mittlere Interspike Interval Change Function (fett) der ME von Patienten mit M. Parkinson (grau) und von Kontrollen (schwarz). Dünne Linien geben der SEM an. B: Gleiche IICF auf anderer Zeitskala. In den innerhalb der Gruppen gemittelten IICF (Abb. 2) fand sich sowohl bei Probanden als auch bei Patienten eine Verkürzung der Entladungsintervalls um 2 ms etwas 1 ms nach TMS. Bei den Patienten begann die Verkürzung eher und entwickelte sich etwas langsamer. Außer einer verlangsamten Anstiegsphase fand sich eine längere Dauer der Entladungsintervall-Verkürzung, die einem verlängerten spinalen EPSP entspricht. Bei Latenzen von 5 bis 18 ms überwogen in beiden Gruppen inibitorische Effekte. Danach erreichten bei Probanden die Entladungsintervalle wieder den Ausgangswert, während sich beim M. Parkinson nochmals eine exzitatorische Periode bei Latenzen von 2 bis 25 ms anschließt. Diskussion Die meisten Untersuchungen einzelner ME mit TMS wurden an Handmuskeln durchgeführt, jedoch ließen sich die meisten TMS-Befunde, einschließlich der intrakortikalen Inhibition bei Doppelpuls-TMS, auch am M. biceps reproduzieren. Es kann angenommen werden, dass die Untersuchung des M. biceps konservativer ist als die der Handmuskeln, da der Einfluß der kortikospinalen Verbindungen hier schwächer ist. Für die Ableitung einzelner ME mittels Oberflächen-EMG wurde der M. biceps ausgewählt, da sich bei diesen Muskel die PME anhand der Topografie gut unterscheiden lassen. Vorraussetzung für die hier erfolgte Analyse der Entladungsmuster einzelner ME war die sichere Indentifizierung der Entladungen von PME. PME bei Nadelableitungen unterscheiden sich deutlich in ihrer Form, da diese von der Lage einzelner Muskelfasern zur Nadel abhängt. Bei Oberflächenelektroden ist der Abstand von der Elektrode relativ groß, so dass sich die ME in der Form des Potentialverlaufs kaum unterschieden. Dieses Problem lässt sich durch Mehrkanalableitungen von der Hautoberfläche lösen. Hier unterscheiden sich PME in der räumlichen Verteilung der Potentialamplituden. Beim M. biceps sind die Muskelfasern parallel zur Oberfläche angeordnet, so dass sich durch bipolare Ableitung (Differenzbildung proximal-distal, in Faserrichung) eine räumliche Selektivität für oberflächennahe fortgeleitete Potentiale erreichen lässt. Die PME unterscheiden sich dann entsprechend der Lage der Muskelfasern in der Amplitudenverteilung in medial-lateraler Richtung. Der größte Teil der topographischen Information ist deshalb bereits in einer gut ausgewählten Reihe von 1 bipolaren Kanälen enthalten. Diese wird im ersten Schritt zur Isolation der PME mittels Clusteranalyse verwendet. Erst im folgenden Schritt wird die Auswertung auf alle Kanäle ausgedehnt, die jetzt auch die Separation überlagerter PME 139

5 erlaubt. Dabei wird von der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch mehr Kanäle Gebrauch gemacht. Das Hauptergebnis der vorliegenden Studie war die Verlängerung des durch TMS im spinal Motoneuron induzierten EPSP, die sich in einer Verbeiterung des Gipfels im PSTH und IICF niederschlägt. Das verlängerte EPSP wird am ehesten durch eine Verlängerung der Folge kortikaler I-Wellen ausgelöst. Diese ist wahrscheinlich Folge gestörter inhibitorischer Vorgänge im motorischen Kortex, die auch zur Verminderung der intrakortikalen Inhibition bei Doppelpuls-TMS und zur Verkürzung der SP beim M. Parkinson führen. Die beschriebenen Ergebnisse unterstützen das Konzept der Übererregbarkeit des motorischen Kortex beim M. Parkinson, jedoch muss die Relation zur Bewegungsstörung spekulativ bleiben. Die Dauer des spinalen EPSP ist etwa 1 ms länger als bei Kontrollen. Unterschiede in den Bewegungszeiten bewegen sich jedoch im Bereich bis zu einigen hundert ms. Wenn jedoch angenommen wird, dass das Ausgangssignal anderer kortikaler Areale in gleicher Weise verlängert ist, dann könnte sich die Dispersion der Entladungen innerhalb der kortikalen motorischen Netzwerke verstärken. Die Verlängerung der kortikal induzierten EPSP könnte damit zur verlangsamten Kraftentwicklung und zur verlangsamten Relaxation beim M. Parkinson beitragen. Schlußfolgerungen Das high-density Oberflächen-EMG kann topografische Unterschiede zwischen PME verwenden, um EMG zu Zerlegen. Aus dem Einfluss von TMS auf das Entladungsverhalten einzelner ME kann der Zeitverlauf des EPSP im spinalen Motoneuron bestimmt werden. Die beim M. Parkinson gestörte kortikale Inhibition verlängert die Folge der durch TMS ausgelösten I-Wellen, was zur Verlängerung des spinalen EPSP führte. Literatur Awiszus F (1997) Spike train analysis. J Neurosci Methods 74: Awiszus F, Feistner H (1993) Abnormal EPSPs evoked by magnetic brain stimulation in hand muscle motoneurons of patients with amyotrophic lateral sclerosis. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 89: Kleine BU, Blok JH, Oostenveld R, Praamstra P, Stegeman DF (2) Magnetic stimulation induced modulations of motor unit firings extracted from multi-channel surface EMG. Muscle Nerve 23: Kleine BU, Praamstra P, Stegeman DF, Zwarts MJ (21) Impaired motor cortical inhibition in Parkinson s disease: motor unit responses to transcranial magnetic stimulation. Exp Brain Res: DOI 1.17/s Kohara N, Kaji R, Kojima Y, Mills KR, Fujii H, Hamano T, Kimura J, Takamatsu N, Uchiyama T (1996) Abnormal excitability of the corticospinal pathway in patients with amyotrophic lateral sclerosis: a single motor unit study using transcranial magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 11:32-41 Weber M, Eisen A (1999) Assessment of upper and lower motor neurons in Kennedy s disease: implications for corticomotoneuronal PSTH studies. Muscle Nerve 22: Kontaktadresse: Bert Kleine, Neurologische Universitätsklinik Tübingen, Hoppe-Seyler-Str. 3, 7276 Tübingen, bert.kleine@uni-tuebingen.de 14