Frontiers in Neurology

Indledning

Amyotrofisk lateralsklerose (ALS) er en progressiv neurodegenerativ sygdom, der hovedsageligt er karakteriseret ved et motorisk syndrom med varierende udtryk for dysfunktion af nedre (LMN) og øvre (UMN) motoriske neuroner. El Escorial-kriterierne (1) kræver UMN- og LMN-involvering i en eller flere kropsregioner for at stille diagnosen definitiv ALS. UMN-tegn kan være spasticitet, forstærkede eller bevarede senereflekser og ekstensorplantarrespons. Der er gentagne gange blevet rapporteret om spejlbevægelser (MM) i ALS (2-4), men de er stadig ikke en del af de diagnostiske kriterier. MM’er er ufrivillige bevægelser kontralateralt i forhold til en tilsigtet fingerbevægelse. MM’er kan ses hos normale børn op til 10-årsalderen, men deres prævalens og intensitet falder efter denne alder (5-7), hvilket sandsynligvis afspejler modningen af corpus callosum (8). Vedvarende eller ny manifestation af MMs hos voksne kan skyldes en række forskellige etiologier. Persisterende medfødte MM’er er blevet beskrevet i forskellige tilstande, der spænder fra fravær af andre neurologiske abnormiteter til alvorlig medfødt hemiparese i forbindelse med cerebral parese (9). MM’er er også blevet rapporteret i forbindelse med en række andre erhvervede tilstande såsom Parkinsons sygdom (10, 11) eller slagtilfælde (12, 13). To hovedhypoteser for udviklingen af MM’er blev diskuteret: unormal udvikling af det primære motoriske system, der involverer den ipsilaterale kortikospinale bane, og mangel på contralaterale motoriske cortex-hæmningsmekanismer, hovedsagelig gennem corpus callosum (9, 14). Det patofysiologiske grundlag for MM’er i alle disse erhvervede kliniske tilstande menes at være resultatet af en fremherskende ændring af de callosale projektionsveje. Ikke desto mindre synes en yderligere eller allerede eksisterende kortikal eller pyramidal funktionsfejl at være nødvendig for udviklingen af MMs (2). Desuden har MM’er vist sig at være forbundet med nedsat transcallosal hæmning (TI) som målt ved transkraniel magnetisk stimulation (TMS) i ALS, PD og slagtilfælde (3, 4, 15-17). Uanset den nøjagtige patofysiologiske mekanisme for MM’er er det vigtigste kliniske aspekt, at de afspejler CNS-involvering af den underliggende patologiske tilstand. Diffusions-MRI-teknikker som f.eks. diffusionstensorbilleddannelse (DTI) er blevet etableret til at undersøge integriteten af neuronale baner in vivo i den menneskelige hjerne. DTI-undersøgelser har fundet ændringer i fiberbanernes integritet ved neurodegenerative sygdomme som Alzheimers sygdom og ALS (18-21), herunder callosal involvering (22-24). I en observationsundersøgelse blev der fundet en konsekvent reduktion i den fraktionelle anisotropi i corpus callosum hos ALS-patienter, der strækker sig rostralt og bilateralt til regionen for de primære motoriske cortexer (23). En nyere undersøgelse, der anvender DTI og TMS til karakterisering af neurodegeneration i ALS og konkluderede en komplementær rolle som diagnostiske biomarkører for UMN-dysfunktion (25). Ellis og kolleger fandt en signifikant stigning i den gennemsnitlige diffusivitet og reduktion af den fraktionelle anisotropi langs den kortikospinale bane hos ALS-patienter med korrelation til sygdommens sværhedsgrad og UMN-involvering (26). Ingen af disse undersøgelser fokuserede på MMs eller funktionel konnektivitet i ALS.

Derfor undersøgte vi foreninger af funktionelle TMS-målinger med diffusionsmarkører for strukturel integritet af corpus callosum og cerebrospinal tractus i en prospektiv prøve af ALS-patienter, der viser MMs, for at belyse de patofysiologiske koncepter af MMs i ALS. Vi antog, at ALS-patienter med MMs ville vise nedsat funktionel integritet af corpus callosum, der er forbundet med nedgang af strukturelle integritetsmarkører. Sådanne fund ville understøtte den rolle, som callosal dysfunktion og strukturel svækkelse spiller for MMs i ALS.

Patienter og metoder

Folk

Nitten patienter med ALS og 20 sunde kontrolpersoner gennemgik en klinisk vurdering og MR-undersøgelser, herunder DTI. Detaljerede demografiske data og kliniske karakteristika for hele undersøgelseskohorten er vist i tabel 1. Alle forsøgspersoner var højrehåndede som vurderet ved Edinburgh Handedness Inventory (27). På undersøgelsestidspunktet viste 4 patienter decideret ALS, 8 sandsynlige ALS og 4 mulige ALS i henhold til de reviderede El Escorial-kriterier (1). Tre patienter udviste en variant af nedre motoriske neuroner. Den gennemsnitlige sygdomsvarighed var 34,8 ± 34,8 måneder. Den kliniske vurdering bestod af en neurologisk undersøgelse med særlig hensyntagen til håndledighed; MM’erne blev evalueret ved sekventielt fingertapping af den ene hånd uden optisk kontrol og observation af MM’erne i henhold til Woods og Teuber’s procedure (28) og evaluering af den reviderede ALS-funktionsskala (-R) (29). For at tage hensyn til involveringen af det øvre motoriske neuron (UMN) blev der desuden beregnet en UMN-“byrde” (UMNB) ved at summere antallet af patologiske UMN-tegn ved undersøgelsen (maksimal score 16) (30). Til kognitiv screening anvendte vi “Montreal Cognitive assessment” (MOCA) (31). MOCA-scoren varierede mellem 18 og 29 med et gennemsnit på 24,5 ± 4 for ALS-patienterne og mellem 27 og 29 med et gennemsnit på 27,6 ± 0,7 for kontrolpersonerne (P = 0,006). Kontrollerne havde ingen kognitive klager og scorede inden for 1,5 standardafvigelser af den MOCA-alders- og uddannelsesjusterede normværdi.

Patienter og kontrolpersoner blev kun inkluderet i undersøgelsen, hvis der var givet skriftligt samtykke. Undersøgelsen blev godkendt af Institutional Review Board of the Medical Faculty, University of Rostock (A-2011-0026, A 2012-0083).

Transcranial Magnetic Stimulation

Vi udførte TMS hos alle patienter og hos 10 af 20 raske kontroller. Central motorisk ledningstid (CMCT), amplitutter af motorisk fremkaldte potentialer (MEP) og contralateral silent period (cSP) blev bestemt hos alle ALS-patienter og kontrolpersoner. MEP’er blev optaget fra den første dorsale interosseusmuskel (FDI) og fra den forreste tibialmuskel (TA) ved hjælp af en standard cirkulær spole (udvendig diameter 9 cm), der var forbundet med en Magstim 200-stimulator (Magstim Co., Whitland, Dyfeld, UK). Til dataindsamling blev der anvendt et kommercielt tilgængeligt MEP-system (Brain Quick System Plus, Inomed, Erlangen, Tyskland). Undersøgelse af den ipsilaterale tavse periode (iSP) blev udført med en fokal spole (ekstern loopdiameter 7 cm). Spolen blev orienteret for at inducere en posteriort-anteriorrettet strømstrøm til håndområdet i den motoriske cortex; punktet for optimal excitabilitet (POE) af FDI-musklen blev bestemt over den kontralaterale motoriske cortex; TMS blev anvendt ved POE med 1,5 gange hvilemotorisk tærskel (RMT), mens forsøgspersoner udførte en maksimal tonisk aktivering af den ipsilaterale FDI-muskel, og mens de holdt den kontralaterale FDI-muskel afslappet som offentliggjort i detaljer tidligere (3). Til bestemmelse af iSP-latens og varighed blev der anvendt 10 forsøg for hver hemisfære. Efter offline retskrivning og midling af EMG-signalerne blev iSP-parametre analyseret.

MRI-optagelse

MRI-optagelser af hjernen blev udført ved hjælp af en 3-Tesla MRI-skanner med en 32-kanals phased-array hovedspole og parallelle billeddannelsesmuligheder (Magnetom Verio, Siemens, Erlangen, Tyskland, software syngo MR B17). Forsøgspersonerne blev scannet i en enkelt session uden at ændre deres position i scanneren. Følgende sekvenser blev anvendt: Vi erhvervede en sagittal højopløsningsT1-vægtet magnetiseringsforberedt hurtigt erhvervet gradienteko (MP-RAGE) 3D-sekvens, matrixstørrelse 256 × 256 × 192, isometrisk voxelstørrelse 1,0 mm3), TE/TI/TR på 4,82 ms/1.100 ms/2.500 ms, flipvinkel 7°. For at identificere læsioner i den hvide substans blev der udført en todimensionel T2-vægtet sekvens (Fluid Attenuation Inversion Recovery FLAIR, matrixstørrelse 384 × 187, 24 skiver med en skivetykkelse på 5,0 mm, TE/TI/TR på 94 ms/2 500 ms/9 000 ms, flipvinkel 150°). Diffusionsvægtet billeddannelse blev udført med en ekkoplanar billeddannelsessekvens (TE/TR 81 ms/12 700 ms) Diffusionsgradienter blev anvendt i 30 forskellige rumlige retninger. b-værdierne var 0 og 1.000 s/mm2. Billederne havde en matrixstørrelse på 128 × 128 mm, skivetykkelse på 2 mm, den resulterende voxelstørrelse var 2,0 × 2,0 × 2,0 × 2,0 mm2.

MRI-databehandling

DTI-data blev forbehandlet ved hjælp af DTI-værktøjskassen i FSL-softwaren (http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/, FMRIB, Oxford, UK, version 4.1) (32). Vi anvendte først korrektioner for hvirvelstrømme og hovedbevægelse. Kraniet blev fjernet ved hjælp af Brain Extraction Tool til differentiering af hjernevæv og ikke-hjernevæv ved hjælp af en binær maske (tærskel 0,15-0,3), og diffusionstensorerne blev tilpasset til dataene med DTI fit (FMRIB Image Analysis Group, Oxford, UK). Fraktionel anisotropi (FA) og gennemsnitlig diffusivitet (MD) kort samt axial diffusivitet (AD) og radial diffusivitet (RD) kort blev oprettet.

TBSS-analyse (tract based spatial statistics) blev udført ved hjælp af FMRIB-software (version 4.1 www.fmrib.ox.ac.uk/fsl) (33). TBSS muliggør rumlig reorientering af FA-kort til et standardrum uden systematiske virkninger af rumlig transformation på fiberbanens retningsbestemthed og uden behov for at vælge en rumlig udglatningskerne, der kan påvirke de ønskede virkninger (22). Behandlingen af diffusivitetskort bestod af følgende trin: FA-kort blev transformeret til MNI-rum (Montreal Neurologic Institute). Normaliserede FA-kort for alle forsøgspersoner blev gennemsnitliggjort og skeletoniseret med en standardiseret tærskelværdi på 0,2. Baseret på undersøgelsen specifik med stofskeletter blev der oprettet et individuelt skelet for hvert emne.

For specifik analyse af ændringer i diffusivitet af individuelle fiberbaner udførte vi en region of interest (ROI) analyse. Udvælgelsen af ROI’er fra JHU blev udført som beskrevet tidligere (34). Baseret på JHU-atlaset for hvidt stof (35) definerede vi syv regioner: corpus callosum med subregioner genu, truncus og splenium, corticospinalbane og crus posterior af den indre kapsel på begge sider. Databehandlingen blev udført ved hjælp af Matlab-software 2013a (MathWorks Inc., MA, Natrick, USA) (figur 1) (figur 1).

For analyse af korrelation mellem TMS-værdier og DTI-målinger udførte vi en region of interest (ROI)-analyse ved hjælp af MarsBaR (36) for at udtrække middelværdier fra henholdsvis corpus callosum og venstre og højre corticospinal tractus.

Statistisk analyse

Statistisk analyse blev udført for de kliniske scorer, TMS-målinger og ROI-data i SPSS (version IBM SPSS statistics 20). Til analysen af hele hjernen blev der anvendt værktøjskassen “Randomize” under TBSS i FMRIB (version 4.1 www.fmrib.ox.ac.uk/fsl). Alle kliniske scorer og TMS-parametre viste en normalfordeling, hvilket blev testet ved hjælp af Kolmogorov Smirnov-test (P > 0,1). Forskelle i TMS-parametre blev sammenlignet mellem grupperne ved hjælp af Student’s t-test. Resultaterne af iSP-målinger blev dikotomiseret i patologisk vs. ikke-patologisk og analyseret ved hjælp af Chi2-test.

For ROI-analyse blev gruppesammenligninger af FA for patienter og kontroller udført i henhold til resultaterne af patologisk iSP og ikke-patologisk iSP i en univariat variansanalyse og efterfølgende post-hoc-test. Endvidere blev der beregnet korrelationer mellem iSP-fund og ALSFRS og FA-parametre for alle undersøgte ROI’er. Til korrelationsanalyse blev Spearman-Rank-korrelation anvendt, og signifikans blev fastsat til P < 0,05. Til analyse af hele hjernen undersøgte vi gruppeforskelle i fraktionel anisotropi og gennemsnitlig diffusivitet ved hjælp af den generelle lineære model på voxelbasis. Der blev udført analyser af hele hjernen for alle diffusionsparametre. FA-, MD-, RD- og AD-kort blev sammenlignet ved univariat variansanalyse (faktor: gruppe, covariat: ALSFRS-R og UMNB). For at undgå overvurdering af signifikansen blev der anvendt en test af multiple sammenligninger (familievis fejlmetode), og signifikansen blev fastsat til P < 0,05.

Resultater

TMS Resultater

TMS-undersøgelse hos ALS-patienter afslørede en gennemsnitlig iSP-latens på 41,3 ± 5,4 ms/40,9 ± 5,7 ms (højre/venstre), hvilket var længere end hos de raske kontroller 39,0 ± 4,6/37,7 ± 6,3 (højre/venstre) (p = 0,006/0,012). Der blev ikke fundet nogen forskelle for iSP-varigheden mellem ALS-patienterne og kontrolpersonerne. Tolv ALS-patienter (63,2 %), men ingen af kontrolpersonerne viste tab af iSP. cSP var numerisk kortere hos ALS-patienter end hos kontrolpersoner uden at nå signifikans. ALS-patienterne havde en signifikant lavere gennemsnitlig RMT sammenlignet med kontrollerne (TMS-resultaterne er vist i detaljer i tabel 2 og figur 2).

Gruppeforskelle i fraktionel anisotropi og gennemsnitlig diffusivitet

Med hensyn til analyserne af præspecificerede ROI’er var FA-værdierne af CST signifikant lavere hos ALS-patienter sammenlignet med kontroller. FA-værdierne af de forskellige ROI’er i corpus callosum (genu, splenium og krop) var ikke forskellige mellem de to grupper (tabel 3). AD- og RD-værdier viste lignende resultater. Helhjerneanalyser viste ingen forskelle i FA, MD, RD og AD mellem ALS-patienter og kontroller på et FWE-korrigeret signifikansniveau.

Korrelation mellem kliniske parametre, TMS-parametre og DTI-målinger

Vi fandt signifikante negative korrelationer af FA-værdier af CST med RMT-værdier på begge sider hos ALS-patienter, men ikke hos kontroller (Tabel 4). Der var ingen signifikant korrelation mellem FA-værdier og iSP-parametre (Tabel 4). Derimod var der en signifikant korrelation mellem ALS-FRS-R-scoringer og FA-værdier af CST på begge sider (r CST-højre, ALS-FRS-R = 0,58, p = 0,009 og r CST-venstre, LS-FRS-R = 0,05, p = 0,02), men ikke med FA-værdier af corpus callosum.

Diskussion

Dysfunktion af de nedre og øvre motoriske neuroner er et klinisk kendetegn for ALS. Udover involvering af primære motoriske områder er der også blevet foreslået en tidlig callosal dysfunktion i ALS (37). MM’er kan være et klinisk tegn på dysfunktionelle transcallosale veje og kunne observeres hos ~30% af ALS-patienterne. Yderligere beviser for fortolkningen af MMs som markører for callosal dysfunktion kommer fra en række TMS-undersøgelser, der viser callosal dysfunktion som indikeret af nedsat transcallosal hæmning (2-4, 15) i forbindelse med tilstedeværelsen af MMs i ALS og andre tilstande som Parkinsons sygdom (16). Desuden har flere DTI-undersøgelser vist mikrostrukturelle ændringer ikke kun i pyramidalbanen, men også i corpus callosum i ALS (22, 23, 38). Callosal involvering er blevet vist at være et relativt konsekvent træk ved ALS, selv uden klinisk UMN-involvering, og kan afspejle interhemisfærisk spredning af patologi og en forringet strukturel motorisk konnektivitet (23, 24).

I den aktuelle undersøgelse forventede vi en signifikant korrelation mellem DTI-målinger og TMS-fund, der afspejler transcallosal hæmning hos ALS-patienter med MM’er. I overensstemmelse med vores forventning fandt vi en forringet transcallosal hæmning i op til 68% af tilfældene, hvilket er i overensstemmelse med tidligere offentliggjorte data fra uafhængige kohorter (3, 4). I modsætning hertil viste ALS-patienter med MM’er i den nuværende prøve imidlertid ikke mikrostrukturel involvering af corpus callosum, hvilket er i modsætning til nogle (22, 34), men ikke alle tidligere undersøgelser (39). En fortolkning af manglen på corpus callosum-forandringer i vores undersøgelse kan være, at vores patienter udviste en tidligere funktionel forstyrrelse, der potentielt gik forud for de mikrostrukturelle fund i transcallosale veje. Således omfattede de to tidligere undersøgelser, der fandt diffusionsændringer i corpus callosum (23, 41), funktionelt mere avancerede tilfælde (gennemsnitlig ALSFRS-R score henholdsvis 33,1 og 36,5 sammenlignet med 38,5 i den aktuelle undersøgelse). En nyere undersøgelse påviste øget AD i corpus callosum og reduktion af FA i højre CST i ALS uden hensyntagen til MM’er (25). Undersøgelsen af Geraldo et al. havde ikke fokus på elektrofysiologiske ændringer i de transcallosalt projicerende baner, men kortikal excitabilitet og CST-ledningsegenskaber blev testet ved undersøgelse af den hvilemotoriske tærskel (RMT) som mål for kortikal excitabilitet og den centrale motoriske ledningstid (CMCT). I betragtning af at Geraldo og kolleger brugte en anden lille håndmuskel som målmuskel (abductor digiti minimi vs. første dorsale interosseus-muskel i vores undersøgelse), var RMT lidt lavere i vores undersøgelse, hvilket afspejler en større kortikal excitabilitet i vores kohorte med MM’er. CMCT-målinger viste sammenlignelige værdier som i vores undersøgelse. Ved at udvide disse tidligere resultater til ALS-patienter med MM’er kunne vi replikere FA-reduktion af CST i forbindelse med TMS-ændringer i ALS uden virkninger i corpus callosum. En anden forklaring på den manglende signifikans af DTI-fund i corpus callosum i vores prøve kan være den relativt store heterogenitet af patienterne, som udgør en begrænsning af vores undersøgelse. En anden begrænsning er det lave antal patienter. En væsentlig årsag til denne omstændighed kan være den relative sjældenhed af MM’er, som kun kunne observeres hos ca. 30 % af ALS-patienterne. På grund af begrænsninger i de tilgængelige personaleressourcer kunne undersøgelsesperioden ikke forlænges.

Det kan konkluderes, at dette er den første undersøgelse, der undersøger en kohorte af ALS-patienter, som alle udviste MM’er. Den foreliggende undersøgelse replikerer og udvider tidligere resultater om reduceret fiberbanearbejdseintegritet hos patienter med ALS med MMs, men undlod at vise mikrostrukturelle ændringer, der ledsager spejlbevægelser og forstyrret transcallosal inhibition. Affektion af de pyramidale baner synes at være en vigtig forudsætning for udvikling af MMs. Denne undersøgelse tilføjer yderligere beviser til forståelsen af forringet konnektivitet hos ALS-patienter. Derfor er der behov for yderligere undersøgelser i større og mere homogene kohorter.

Datatilgængelighedserklæring

Deidentificerede deltagerdata vil blive delt, såvel som undersøgelsesprotokollen og de statistiske analyser, efter rimelige anmodninger.

Ethisk erklæring

Studierne, der involverer menneskelige deltagere, blev gennemgået og godkendt af Institutional Review Board of the Medical Faculty, University of Rostock (A-2011-0026, A267 2012-0083). Patienterne/deltagerne gav deres skriftlige samtykke til at deltage i denne undersøgelse.

Author Contributions

MW: konception, design, udarbejdelse af manuskript, indsamling af data og endelig godkendelse af manuskriptet. NW, AG og EK: Indsamling af data, revision af manuskriptet og endelig godkendelse af manuskriptet. ST: koncept, design, analyse og fortolkning af data, udarbejdelse af manuskript, revision af manuskript og endelig godkendelse af manuskriptet.

Interessekonflikt

ST har udført nedenstående anførte arbejder (alle i Tyskland): MSD Sharp & Dohme GmbH, Lindenplatz 1, 85540 Haar

11.09.2018-Kvalitetscirkel for læger i Kühlungsborn, Foredrag: “Demens og diabetes-aktuel rapport”

14.11.2018-MSD Expert-forum: NAB Alzheimer i München, deltager som konsulent

13.08.2019-Event “Diabetes og demens” i Rostock, Foredrag: “Demens og diabetes-aktuel rapport” ROCHE Pharma AG, Emil-Barell-Str. 1, 79639 Grenzach-Wyhlen

12.09.2019–3. National Advisory-Board i Frankfurt am Main, deltagelse som konsulent

27.09.2019-ROCHE Symposium på DGN-kongressen i Stuttgart, Talk: “Amyloid as target for diagnosis and treatment in Alzheimer’s disease.”

De resterende forfattere erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller økonomiske forbindelser, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.