CMAP

Centralni živčni sistem nadzoruje mišično krčenje z električnim aktiviranjem osnovnih funkcionalnih enot mišic, tako imenovanih motoričnih enot in s spreminjanjem njihove frekvence proženja. Vsako motorično enoto oživčuje motorični nevron, ki prenaša ukaze centralnega živčnega sistema. V mnogih zdravih in patoloških stanjih ostanejo živčno-mišična stičišča stabilna, zato delovanje posameznih motoričnih enot verodostojno odraža kode motoričnih nevronov. Skeletne mišice prostorsko razporedijo in ojačajo te živčne kode do te mere, da jih lahko zaznamo z igelnimi ali površinskimi elektrodami, ki jih prilepimo neposredno na kožo nad preučevano mišico. Dobljeni električni zapis mišične aktivnosti imenujemo elektromiogram (EMG).

S pomočjo računalniške dekompozicije lahko signale EMG razstavimo na prispevke posameznih motoričnih enot in s tem pridobimo vpogled v živčne kode, ki nadzirajo gibe pri ljudeh. Ta metodologija se vedno bolj uporablja v nevroznanosti, rehabilitaciji, protetiki, ergonomiji in naprednejših vmesnikih človek-stroj. Informacije o aktivnosti motoričnih enot so prispevale tudi k boljšemu razumevanju patologij, kot so kap in patološki tremor ter nevrofiziološkim raziskavam refleksov in staranja ljudi.

Sestavljeni mišični akcijski potencial (SMAP, ang. compound muscle action potential) je vsota APME v skeletni mišici, ki jo vzbudi električna stimulacija živcev ali mišic, ali pa transkranialna električna (TES) ali magnetna stimulacija (TMS) motoričnega korteksa. V zadnjem primeru se SMAP imenuje motorični evocirani potencial (MEP, ang. motor evoked potential). Analiza SMAP-a se rutinsko uporablja v kliničnih in nevrofizioloških študijah za neinvazivno in vivo ocenjevanje funkcionalnega stanja človeškega motoričnega sistema, za ocenjevanje integritete motoričnih traktov in za določanje odzivov živčnomišičnega sistema na trening, rehabilitacijo in degeneracijo zaradi različnih živčnomišičnih obolenj, v študijah kortikospinalne ekscitabilnosti in prevodnosti motoričnih živcev ter v analizi utrujenosti in biomehanskih odzivov skeletnih mišic.

Ob neinvazivnih meritvah na površini kože potujejo APME skozi nizko-prepustno sito podkožnega tkiva, ki se nahaja med motorično enoto in merilno elektrodo, njihova oblika pa odraža arhitekturo in geometrijo mišic , porazdelitev motoričnih enot v mišičnem tkivu, električne lastnosti podkožnega tkiva in lastnosti sistema za zajem elektromiogramskih (EMG) signalov. Začetna zakasnitev SMAP-a (latenca) glede na stimulans odraža hitrost električnega prevajanja najhitrejših mišičnih vlaken. Motorični nevroni in pripadajoča mišična vlakna prevajajo električne dražljaje z različnimi hitrostmi. Z utrujenostjo mišic nastopijo spremembe hitrosti prevajanja APME, ki se pri različnih vrstah mišičnih vlaken bistveno razlikujejo. To povzroči časovne spremembe porazdelitev APME v SMAP-u. Z razumevanjem teh časovnih razpršitev APME in z dekompozicijo SMAP-a na prispevke počasnih in hitrih mišičnih vlaken bi lahko sklepali o sestavi skeletnih mišic. Te informacije bi bile izredno pomembne za razumevanje staranja mišic, za boljše vodenje rehabilitacije in usposabljanja športnikov ter za zgodnje odkrivanje in objektivno spremljanje živčnomišičnih obolenj, na primer atrofij, ki selektivno vplivajo na določen tip mišičnih vlaken. Podobno bi lahko dekompozicijo SMAP-a na prispevke posameznih motoričnih enot uporabili za izboljšavo natančnosti v literaturi uveljavljene neinvazivne cenilke števila motoričnih živcev, ki oživčujejo mišico. S tem bi močno izboljšali naše zmožnosti objektivnega in dolgoročnega spremljanja razvoja miopatij in nevropatij.

RV submaksimalnih stimulacijah so vzbujeni SMAP-i zelo spremenljivi. Ta spremenljivost oblik SMAP-ov je predvsem posledica nepopolne stimulacije mišic ali prispevkov sosednjih mišic (t.i. mišičnega presluha), zlasti na območjih z visoko prostorsko gostoto mišic, kot je na primer na podlakti. Problem variabilnosti submaksimalnih SMAP-ov še ni bil sistematično raziskan, predvsem zaradi pomanjkanja tehnik za dekompozicijo SMAP-ov. Vemo, da distalni supramaksimalni električni dražljaj, ki se širi v antidromični smeri, povzroči električni odziv (tako imenovani F val) v približno 2–5 % celotne populacije motoričnih živcev. Poleg tega se motorični nevroni, ki sodelujejo pri generiranju vala F, razlikujejo od motoričnih nevronov, ki so aktivirani pri nizkih do zmernih stopnjah prostovoljnih mišičnih skrčitev. Podobno se vrstni red rekrutacije motoričnih enot v submaksimalnih ortodromičnih stimulacijah, ki generirajo M vale, razlikuje od tistega pri prostovoljnih mišičnih skrčitvah. Vendar je v praksi ta vrstni red odvisen od lokacija živca relativno glede na stimulacijske elektrode in od številnih drugih parametrov stimulacije, zato ga je potrebno v eksperimentalnih meritvah vedno znova preveriti. Ta dejstva dokazujejo obstoj potrebe po zanesljivih metodah za neposredno ocenjevanje aktivnosti posameznih motoričnih nevronov iz neinvazivno posnetih vzbujenih potencialov.

V projektu bomo razvili nove računalniško podprte tehnike za dekompozicijo SMAP-a, v signalih EMG na prispevke različnih tipov motoričnih enot (tip I, II) in posameznih APME. V ta namen bomo razvili, implementirali in validirali nove metodologije za:

  • analizo porazdelitve prevodne hitrosti APME v SMAP-ih;
  • kvantifikacijo mišičnih presluhov v SMAP-u, zlasti na območjih z večjim številom mišic;
  • dekompozicijo supramaksimalnih in submaksimalnih SMAP-ov na prispevke hitrih in počasnih motoričnih enot;
  • identifikacijo prožilnih vzorcev motoričnih enot v SMAP-ih;
  • primerjavo funkcionalnih lastnosti motoričnih enot v vzbujenih in prostovoljnih mišičnih skrčitvah.