ヒトにおける皮質傷害性伝達の変化の非侵襲的評価
2017年5月24日
本研究の目的は、経頭蓋磁気刺激を繰り返した後のヒトの皮質神経動脈シナプスにおける透過の変化を評価することであった。この目的のために、経路特異的皮質脊髄伝達の評価、 すなわち、多シナプス接続からの速い直接的皮質脊髄路の識別を可能にする電気生理学的方法が導入される。
この神経生理学的実験の全体的な目標は、反復経頭蓋磁気刺激後のヒトの皮質神経シナプスでの伝達の変化を評価することです。H-Reflexコンディショニング技術は、神経可塑性の基本的なメカニズムと部位をよりよく理解するなど、神経科学の分野における問題を助け、精神に役立てることができます。特に興味深かったのは、皮質脊髄路と運動ニューロンである皮質神経細胞シナプスとの間の可塑性です。
この手法の主な利点は、測定電位や複合電位と比較して、脊髄運動ニューロンへの明確なコルチコ脊髄接続によって生成されるシナプス入力を測定できることです。複合電位と比較して、条件付きH反射には少なくとも2つの利点があります。第一に、弱い皮質脊椎ボレーの影響を検出することが可能であり、第二に、より長い待ち時間の皮質脊椎ボレーの影響を評価することが可能です。
実験に先立って、まず被験者に TMS の医学的リスク (てんかん発作の病歴など) をスクリーニングし、書面によるインフォームド コンセントを取得し、実験の目的について被験者に通知してください。ヒラメ筋の上に表面電極を配置するために、シェービング、プロパノールによる消毒、軽い皮膚擦過傷の適用により、皮膚を準備します。次に、表面電極を配置して電気生理学的応答を測定します。
被験者が足底と背屈を行っている間、画面上のEMG信号を確認します。H-Reflexのコンディショニングでは、まずテープを使用して、膝蓋骨のすぐ下にある膝の前面に5 x 5センチメートルの陽極を固定します。1ミリ秒続く矩形波パルスで刺激を加え、刺激に最適な位置が特定されるまで、膝窩窩上の陰極を動かします。
次に、皮膚に自己接着電極を置き、テープで固定します。実験に先立って、まずHMリクルートメント曲線を記録します。H-ReflexesとM-WavesをピークツーピークEMG振幅として記録ソフトウェアでオンラインで計算します。
H-Reflexのサイズを最大M-Waveの20%に調整します。まず、ニューロナビゲーションシステムのキャリブレーション手順を実行します。8の字コイルを使用して、配置された電極の反対側にある被験者の運動皮質領域を刺激します。
最適な刺激スポットを見つけるには、まずコイルを頂点の1センチ前に配置します。コイルのハンドルを後方に向けると、コイルの中心に誘導電流の後方から前方への磁束が呼び起こされます。運動誘発電位を最小の刺激強度で誘発できる位置を特定します。
この時点で、被験者の頭をテーブルに置き、硬いフォームを使用して動きを防ぎます。実験全体を通して、コイルとヘッドの位置を監視するために、画像誘導TMSナビゲーションシステムを使用します。次に、コイルをスタンドに固定し、被験者の頭を椅子に固定し、ベルクロストリップでコイルを頭に固定します。
次に、10回の連続した試行のうち6回で、ピークツーピークEMG振幅が50マイクロボルトを超えるモーター誘発電位を誘発するために必要な最小強度を決定します。これは、被験者の安静時運動閾値です。また、頸髄接合部にダブルコーン磁気コイルを配置して、皮質脊髄路の軸索を励起します。
誘導電流の1次導関数が頭蓋に向けられ、その中心位置がエニウム上または近くになるようにコイルを配置します。まず、実験中、コントロールH-Reflexのサイズが一定に保たれるように注意してください。偏差が検出された場合は、連続した試行の前に刺激強度を調整します。
次に、運動皮質上のTMSコイルの刺激強度を、被験者の運動閾値の90%から100%に調整します。また、頸髄刺激強度を最大刺激装置出力の100%に設定します。安静時の運動皮質に対する刺激でH-Reflexをコンディショニングすることから始めます。
TMSと末梢神経刺激を2つの刺激のタイミングを変化させることで、皮質神経伝達の変化を評価できるようにします。TMSの5秒前に末梢神経刺激が不正に行われることを意味する、マイナス5ミリ秒のインタースティミュラインターバルから始め、次にこのインターバルをマイナス5ミリ秒から1ミリ秒単位で変更します。間刺激間隔に応じて、H反射は下降ボレーに対して前方にシフトし、右にシフトできるため、より遅い皮質脊髄経路をテストできます。
試行ごとに間隔をランダムに変化させて、刺激の順序によるバイアスを排除し、刺激試行間の一時停止を4秒に設定します。早期のファシリテーションは、負の 4 ミリ秒から負の 2 ミリ秒の間隔で行う必要があります。次に、頸髄接合部に磁気刺激を使用してH-Reflexをコンディショニングします。
負の9ミリ秒から負の3ミリ秒の間、1ミリ秒刻みで間刺激間隔を使用します。各試行でこれらの TMS 間隔を両方の場所に一緒に適用し、結果として得られる制御 H-Reflex 電位と運動誘発電位を記録します。コントロールH-ReflexをコンディショニングH-Reflexesとコントロールモーター誘発電位の基準として使用し、同等の刺激条件を確保します。
事前測定が完了したら、刺激強度を被験者の運動閾値の 1.2 倍に設定し、ゆっくりと反復的な TMS 介入を適用します。一次運動皮質を1ヘルツで20分間刺激し、皮質脊髄の興奮性を長期間抑制します。M1コンディショニング後のH-Reflexコンディショニングカーブ、CMSコンディショニング後のH-Reflexコンディショニングカーブを示しています。
一次運動皮質を介したTMSによる早期の促進は、負の3ミリ秒の刺激間隔の周りで発生します。CMSコンディショニング後の早期ファシリテーションは、約マイナス7ミリ秒のインタースティミュラス間隔で約3〜4ミリ秒早く発生していることに注意してください。ここでは、rTMS 介入前後の 1 人の代表的な被験者の 10 トレースの平均が表示されます。
早期の促進を表す条件付けされたH反射は、M1とCMSの両方の条件付け後に減少することがわかります。一方、コントロールのH反射神経は変わりません。そしてここでは、2人の被験者の平均が表示され、M1とCMSの両方でH-Reflexesにコンディショニングされた同じパターンの減少を示しており、コントロールのH-Reflexに変化はありません。
一度マスターすると、このプロトコルは約90〜120分で行うことができます。この手順を実行するときは、H-Reflexのサイズを一定に保つことが重要です。このビデオを見た後、一次運動皮質と頸髄接合部にコンディショニング刺激を適用する方法をよく理解しているはずです。
これは、最速の皮質脊髄接続によって媒介される脊髄運動ニューロンへのシナプス入力を表す早期促進を検出するために使用されます。
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概要
本研究では、反復経頭蓋磁気刺激（rTMS）後のヒトにおける皮質脊髄運動ニューロンシナプスの伝達変化について調査します。また、高速で直接的な皮質脊髄路と多シナプス結合を区別するための電気生理学的手法を紹介します。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- 電気生理学
- 神経可塑性
背景
- 皮質脊髄路ニューロンのシナプスは、運動制御において重要な役割を果たしています。
- 反復経頭蓋磁気刺激法は、神経可塑性を研究するために用いられます。
- H反射条件付け法は、シナプス伝達に関する知見を提供します。
- これらのメカニズムを理解することで、運動ニューロン機能に関する知識を深めることができます。
研究目的
- rTMS後のシナプス伝達の変化を評価すること。
- 直接的な皮質脊髄路と間接的な皮質脊髄路を区別すること。
- 皮質運動ニューロンシナプスにおける可塑性を探究すること。
使用された手法
- 皮質脊髄路伝達の電気生理学的評価。
- シナプス入力を評価するためのH反射条件付け法。
- 高速の直接路と多シナプス接続の比較。
- 皮質脊髄路のボレーによる影響の解析。
主な結果
- 脊髄運動ニューロンへの異なる皮質脊髄路接続の同定。
- 微弱な皮質脊髄路ボレーの検出。
- 潜時が長い皮質脊髄路ボレーの評価。
- シナプスにおける神経可塑性のメカニズムへの知見。
結論
- 本研究は、皮質運動ニューロンのシナプス伝達に関する理解を深めるものである。
- 得られた知見は、神経可塑性のメカニズムに関する知識に寄与する。
- 電気生理学的手法を用いることで、シナプス経路を効果的に区別することが可能である。
よくある質問
産業上の重要性
皮質運動ニューロンレベルでのシナプス伝達を理解することは、中枢神経系（CNS）の創薬におけるターゲットバリデーションに関連する神経可塑性メカニズムへの機序的な洞察を与えます。H反射条件付け法を用いることで、速い経路と多シナプス性の皮質脊髄路を区別することが可能となり、運動回路の変調を伴う治療仮説のリスク低減を支援します。このアプローチは、前臨床モデルとヒトの生理学との間のトランスレーショナルな架け橋となり、ターゲットへの結合および経路変調における予測の信頼性を高めます。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： 異なる皮質脊髄路接続から脊髄運動ニューロンへのシナプス入力を評価することにより、治療仮説の検証を可能にする。
- 運用的価値： 微弱な皮質脊髄路のボルリーの影響を検出し、より長い潜時を持つ経路を評価することで、わずかな神経薬理学的効果に対する感度を高める。
- トランスレーショナル価値： 2箇所（運動皮質および頚髄延髄接合部）での刺激を用いて皮質効果と脊髄効果を区別し、中枢神経系ターゲットのメカニズム的なリスク低減を支援する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- アッセイの準備状態：ベースラインのH反射大きさが維持されている場合、試行間で安定し再現性のある定量的電気生理学的読み取り値（H反射条件付け曲線）を提供します。
- スクリーニングへの応用：反復経頭蓋磁気刺激、行動訓練、または薬理学的調節などの介入後における皮質脊髄路伝達の変化を、信頼性高く評価することが可能です。
- プラットフォームの有用性：運動機能障害、加齢、または神経リハビリテーションのモデルを含む、疾患に関連するシステムにおける神経可塑性メカニズムの評価をサポートします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 疾患との関連性： 病理学的状態、加齢、または治療的介入後の皮質脊髄路伝達の変化の解析に適用可能であり、バイオマーカーに基づいたターゲット検証を支援します。
- 前臨床段階の連続性： 侵襲的な動物電生理学的手法と非侵襲的なヒト評価を橋渡しし、中枢神経系（CNS）作用化合物のトランスレーショナルな予測能を向上させます。
- リスク調整済みの進展： 運動回路調節の重要部位である皮質運動ニューロンシナプスにおけるシナプス伝達の変化を定量化することで、開発継続（go/no-go）の意思決定を支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、ターゲットバリデーションから前臨床バリデーションに至る創薬の連続的なプロセスに適合しており、特に運動制御、神経可塑性、または神経修復メカニズムに焦点を当てたCNSプログラムに適しています。
- 探索生物学：単シナプスおよび多シナプス皮質脊髄路からのシナプス入力を測定することで仮説検証をサポートし、神経調節ターゲットの作用機序を明らかにします。
- スクリーニング：アッセイにそのまま利用可能な定量的出力（条件付けH反射振幅）を提供し、時点間または治療群間での介入効果の比較を可能にします。
- 分析：電気生理学的測定値（H反射条件付け曲線、ピーク間振幅）を生成し、異なる刺激条件下でのシナプス伝達の統計的比較を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ：種を超えて保存されている運動ニューロン調節部位である皮質運動ニューロンシナプスにおける伝達を評価することで、前臨床研究へと繋げます。
- エンタープライズ再利用：運動路変調に関わる複数のCNS探索プロジェクトに適用可能な、標準化された非侵襲的電気生理学的手法を提供します。
運用および企業への影響
- 科学的価値： 皮質運動ニューロンシナプスにおけるシナプス伝達の変化を単離することで、ターゲットバリデーションにおける予測信頼性を提供し、運動回路変調におけるメカニズム的な曖昧さを低減する。
- 運用的価値： 固定されたH反射サイズの制御と2部位刺激プロトコルにより、標準化と再現性を確保し、研究間の比較可能性を可能にする。
- 戦略的価値： ヒューマンリレバントな神経回路におけるターゲットエンゲージメントの早期検出を可能にすることで資本効率を向上させ、CNS開発における後期の失敗リスクを低減する。
- ポートフォリオへの影響： 特定のシナプス部位における神経可塑性の効果を定量化することで、リスク調整後の優先順位付けに情報を与え、バイオマーカー駆動の推進決定を支援する。
実施上の考慮事項
- 神経生理学、TMS安全スクリーニング、および筋電図信号の取得と解析に関する専門知識が必要です。
- ナビゲーションTMSシステム、末梢神経刺激装置、および高精度EMG記録セットアップを含む専門的な装置に依存します。
- 一貫したプロトコルの実行とデータ解釈のため、神経内科、電気生理学、および薬理学チーム間でのクロスチーム標準化が必要です。
- 異なる筋肉群や、ベースラインの皮質脊髄興奮性が変化している患者群に適用する場合、適応上の検討が必要になります。
- 実用上の制限として、安定したベースラインH反射の制御が必要であることや、再現性に影響を及ぼす可能性がある被験者の状態（注意、疲労など）への感受性が挙げられます。
