Introduktion

Amyotrofisk Lateral Sclerose (ALS) er en progressiv lidelse, der er karakteriseret ved involvering af både øvre og nedre motoriske neuroner (UMNs og LMNs). I ALS påvirker muskelsvind fortrinsvis abductor pollicis brevis (APB) og første dorsale interosseous, med relativ bevarelse af abductor digiti minimi (ADM). Dette særlige træk ved ALS er blevet kaldt “split-hand”-tegnet (Wilbourn, 2000). Generelt er omfanget af tabet af motoriske enheder betydeligt større i APB end i ADM hos patienter med ALS (Kuwabara et al., 1999). Både kortikale og perifere mekanismer er blevet foreslået at ligge til grund for de forskellige niveauer af atrofi blandt de små håndmuskler i ALS (Weber et al., 2000; Shibuya et al., 2013). Resultaterne af undersøgelser med transkraniel magnetisk stimulation har vist, at det kortikomotoneuronale input til de spinale motoneuroner, der innerverer det thenar-kompleks, er mere omfattende hos normale deltagere (Macdonell et al., 1999; Menon et al., 2014). En sådan forskel i input kan forårsage, at disse spinale motoneuroner fortrinsvis degenererer i ALS gennem en transsynaptisk anterograd excitotoksisk mekanisme. Kortikomotoneuronale projektioner til thenar-komplekset er fortrinsvis påvirket i ALS, hvilket tyder på, at kortikomotoneuronal dysfunktion bidrager til splithand-tegnet i ALS (Weber et al., 2000). Undersøgelser af perifere nervers excitabilitet har antydet, at de motoneuronaxoner, der innerverer APB, er hyperexcitable og tilbøjelige til at degenerere i ALS (Vucic og Kiernan, 2010; Shibuya et al., 2013). Indtil nu er der imidlertid kun få undersøgelser, der direkte har sammenlignet dysfunktionen eller excitabiliteten af motoneuroner, der innerverer APB og ADM. F-bølgen er et sent og lavamplitude respons, der afspejler antidromisk aktivering af motoneuroner (Pastore-Olmedo et al., 2009). F-bølger kan give et uafhængigt mål for segmental motoneuron excitabilitet (Fisher, 1992; Milanov, 1992; Milanov, 1992; Hachisuka et al., 2015). Det primære formål med denne undersøgelse var at undersøge forskellene i dysfunktion mellem spinale motoneuroner, der innerverer APB og ADM i ALS ved hjælp af F-bølger.

Materialer og metoder

Deltagere

Vi undersøgte 40 patienter med sporadisk ALS og 20 alders- og kønsmatchede normale deltagere. Alle patienter blev set på neurologisk afdeling på Peking Union Medical College Hospital mellem august 2013 og juni 2014. De ALS-patienter, der opfyldte de modificerede El Escorial-kriterier for sikker, sandsynlig eller sandsynlig laboratorieunderstøttet ALS (Brooks et al., 2000), blev konsekutivt indskrevet i undersøgelsen. Forskellige elektrofysiologiske undersøgelser og kliniske træk, såsom alder ved indskrivningen og tiden fra symptomdebut, blev analyseret hos disse patienter. Der var ikke blevet identificeret nogen genetisk mutation hos nogen af ALS-patienterne. UMN-involvering i de øvre lemmer blev antydet ved tilstedeværelsen af klonus, øget tone, raske senereflekser og positive Hoffman-tegn. ALS-patienterne blev inddelt i to grupper på grundlag af deres fysiske symptomer. Patienterne i gruppe 1 (20 patienter med ALS) havde udtynding og svaghed i de intrinsiske håndmuskler. Patienterne i gruppe 2 (20 patienter med ALS) udviste ingen svækkelse eller svaghed af de intrinsiske håndmuskler og udviste enten ingen eller let nedsat evne til at udføre diskrete fingerbevægelser. Dataene for den mest angrebne hånd blev analyseret for ALS-patienterne i gruppe 1, mens dataene for den mere intakte hånd blev analyseret for ALS-patienterne i gruppe 2. Dataene for den venstre hånd blev analyseret for de normale kontroller (NC’er). ALS-patienterne blev klinisk inddelt ved hjælp af ALS functional rating scale-revised (ALSFRS-R; Cedarbaum et al., 1999) og kategoriseret i henhold til stedet for sygdomsudbruddet. De elektrodiagnostiske træk hos alle ALS-patienterne var i overensstemmelse med en diffus og progressiv degeneration af forreste hornceller. På undersøgelsestidspunktet tog ingen af patienterne riluzol eller andre antispastiske lægemidler. Deltagere med tilfældigt karpaltunnelsyndrom eller cubitaltunnelsyndrom baseret på klinisk undersøgelse og nerveledningsundersøgelser blev udelukket. Alle forsøgspersoner gav informeret skriftligt samtykke til at deltage i undersøgelsen. Undersøgelsen blev godkendt af den etiske komité for klinisk forskning på Peking Union Medical College Hospital (Beijing, Kina), og alle procedurer blev udført i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen.

Nervekonduktionsundersøgelse

De elektrofysiologiske tests blev udført ved hjælp af et Viking IV elektromyografi (EEG)-system (Nicolet Biomedical, Madison, WI, USA). Compound muscle action potentials (CMAP’er) blev optaget fra APB- og ADM-musklerne efter stimulation af median- eller ulnarnerven ved håndleddet. Hudtemperaturen for de undersøgte lemmer blev holdt på >32 °C. Den distale motoriske latenstid (DML), peak-to-peak CMAP-amplitude, motorisk ledningshastighed (MCV) og ADM/APB CMAP-amplitudeforholdet blev målt.

F-bølgeundersøgelse

Alle forsøgspersoner lå på ryggen og var afslappede under hele eksperimentet. F-bølgerne fra median- og ulnarnerverne blev registreret med overfladeelektroder, der var fastgjort til huden over APB- og ADM-musklerne. De undersøgte nerver blev stimuleret ved at afgive 100 supramaksimale stimuli med en frekvens på 1 Hz på et sted, der var 7 cm proximalt for den aktive optagelseselektrode med katoden proximalt for anoden. I alt 100 stimuli blev anset for passende til at udforske det fulde potentiale af F-bølger (Fisher et al., 1994). Filterindstillingerne var 20 Hz til 10 kHz, sweephastigheden var 5 ms pr. division, og forstærkerforstærkningen var 0,5 mV pr. division. A-bølger, som blev defineret som identiske sene responser med konstante latenser, der optrådte i mindst 8 ud af 20 spor, blev udelukket fra F-bølgeundersøgelsen (Puksa et al., 2003). Følgende F-bølgeparametre blev analyseret: minimal latenstid, gennemsnitlig latenstid, maksimal latenstid, F-bølgepersistens, middelamplitude, middel F/M-amplitudeforhold og antal gentagne F-bølger. Amplituden fra top til top af en F-bølge blev målt, hvis amplituden var mindst 40 μV. Det gennemsnitlige F/M-amplitudeforhold blev beregnet ved at dividere den gennemsnitlige F-bølgeamplitude med den tilsvarende maksimale CMAP-amplitude. En gentagende neuron (RN) var en neuron, der gav anledning til en række F-bølger med identiske latenser, amplituder og former, og disse F-bølger blev defineret som gentagende F-bølger. RN’er og repeater-F-bølger blev opdaget ved visuel inspektion og blev manuelt overlejret på de andre repeater-F-bølger. Repeater F-bølger blev målt ved hjælp af følgende indeks: indeks RN = 100 × antal RN/antal spor med forskellige F-bølgeformer i en serie på 100 stimuli; indeks repeater F-bølger (Freps) = 100 × antal repeater F-bølger/totalt antal spor med F-bølger i den samme nerve (Chroni et al., 2012).

Statistiske analyser

Shapiro-Wilk-testen blev anvendt til at vurdere dataenes normalitet. Når P-værdien i variansanalysen opnåede signifikans, blev Student-Newman-Keuls-testen udført. Den uafhængige t-test blev anvendt til at vurdere forskelle mellem to grupper. For ikke-parametriske data blev sammenligninger mellem grupper foretaget ved hjælp af Kruskal-Wallis H-testen. Når nulhypotesen var blevet forkastet, blev parvise sammenligninger af grupperne testet ved hjælp af Mann-Whitney U-test og Bonferroni-korrektion med et signifikansniveau på P < 0,017. Forskellene i kategoriske variabler blev undersøgt ved hjælp af chi-kvadrat-testen. Den statistiske signifikans blev fastsat til P < 0,05. SPSS for Windows, version 21.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL, USA), blev anvendt til at udføre de statistiske analyser.

Resultater

De kliniske profiler for ALS-patienterne og NC-deltagerne er opsummeret i tabel 1. Alle ALS-patienterne var klinisk LMN-predominante. Alder ved undersøgelsen, kønsforhold og højde var sammenlignelige på tværs af de tre grupper. Blandt ALS-patienterne udgjorde sygdom med begyndende sygdom i de øvre lemmer 70 % af patienterne i gruppe 1 og 25 % af patienterne i gruppe 2. Der var 11 ALS-patienter i gruppe 1 og 10 i gruppe 2 med to berørte kropsregioner, og der var 9 generaliserede patienter i gruppe 1 og 10 i gruppe 2. Sygdomsvarigheden og ALSFRS-R-scorerne var ikke signifikant forskellige mellem ALS-patienterne i gruppe 1 og 2.

Tabel 2 viser resultaterne af nerveledningsundersøgelsen for ALS-patienterne og NC’erne. ADM/APB CMAP-amplitudeforholdet var signifikant forøget hos ALS-patienterne i gruppe 1 sammenlignet med NC-gruppen, hvilket blev observeret i overensstemmelse med split-hand-tegnet hos ALS-patienter (Kuwabara et al., 2008). Resultaterne af F-bølgeundersøgelsen for ALS-patienterne og NC’erne er vist i tabel 3. Den gennemsnitlige F-bølgeamplitude for APB var signifikant lavere i gruppe 1 end i gruppe 2, hvilket var sammenligneligt mellem gruppe 2 og NC’erne. De gennemsnitlige F-bølgeamplituder for ADM i gruppe 1 og 2 var signifikant forøget sammenlignet med dem hos NC’erne. F/M-amplitudeforholdet for APB og ADM i gruppe 1 var signifikant højere end i gruppe 2 og NC’erne, mens gruppe 2 og NC’erne viste tilsvarende F/M-amplitudeforhold. F-bølgepersistensen af APB, som var signifikant lavere hos ALS-patienterne end hos NC’erne, var sammenlignelig mellem gruppe 1 og 2. F-bølgepersistensen af ADM var signifikant lavere i gruppe 1 end i gruppe 2 og NC’er, mens F-bølgepersistensen af ADM var sammenlignelig mellem gruppe 2 og NC’er. Indeks RN og indeks Freps for APB var signifikant forøget i gruppe 1 og 2 sammenlignet med NC’erne, men disse indeks var sammenlignelige mellem gruppe 1 og 2. Indeks RN og indeks Freps for ADM var signifikant højere i gruppe 1 end i gruppe 2 og NC’erne, mens gruppe 2 og NC’erne viste lignende værdier for disse indeks. Figur 1 viser repræsentative eksempler på F-bølgespor for medianus- og ulnarisnerven optaget fra ALS-patienter i gruppe 1, 2 og NC’erne.

Tabel 4 viser den diagnostiske ydeevne af F-bølgen i ALS vs. NC’er. F-bølgen kan bruges til at hjælpe med at skelne ALS-patienter fra NC’er. Indeks RN og indeks Freps i APB viste sig at være pålidelige variabler til at differentiere ALS-patienter fra NC’er, idet arealet under kurven (AUC) for indeks RN (0,998, 95 % konfidensinterval (CI) 0,937-1,000) og indeks Freps (1,000, 95 % CI 0,940-1,000) viste “meget god” diagnostisk anvendelighed. Resten af F-bølgevariablerne havde lavere AUC-værdier end indeks RN og indeks Freps i APB og viste således mindre diagnostisk anvendelighed. ADM/APB CMAP-amplitudeforholdet viste en AUC på 0,766 (95 % CI 0,638-0,865, P < 0,001) og kunne i moderat grad differentiere ALS-patienter fra NC’er. Anvendelse af en cut-off-værdi på ADM/APB > 1,7 (Kim et al., 2015) til diagnosticering af ALS gav en moderat sensitivitet (52,5 %) og en høj specificitet (85,0 %) sammenlignet med kontroller. F-bølgepersistens (P = 0,002), indeks RN (P < 0,001) og indeks Freps (P < 0,001) i APB syntes at differentiere ALS-patienter fra NC’er mere robust end ADM/APB CMAP-amplitudeforholdet.

Diskussion

Det primære formål med denne undersøgelse var at anvende F-bølgemål til at fastslå forskellene i dysfunktion mellem APB- og ADM-motoneuroner hos patienter med ALS. I henhold til et foreslået stadieinddelingssystem for ALS (Roche et al., 2012) var sygdomsstadierne sammenlignelige mellem gruppe 1 og 2. Forskellen i procentdelen af udbrud i de øvre lemmer mellem gruppe 1 og 2 kan ligge til grund for et forskelligt mønster for sygdomsforløbet mellem de to grupper. Det estimerede antal motoriske enheder og CMAP-amplituder er nyttige parametre til vurdering af motoneurontab, mens F-bølgen kan være en direkte sonde for dysfunktion eller ustabilitet i anterior hornceller (Hachisuka et al., 2015). F-bølgens persistens er relateret til antallet af LMN’er og motoneuron excitabilitet (Schiller og Stalberg, 1978; de Carvalho et al., 2002; Argyriou et al., 2006). De foreslåede mekanismer, der ligger til grund for repeater F-bølger, er øget excitabilitet i bestemte forreste hornceller, nedsat excitabilitet i nogle motoneuroner eller motoneurontab (Schiller og Stalberg, 1978; Petajan, 1985; Peioglou-Harmoussi et al., 1987; Hachisuka et al., 2015). Efterhånden som motoneuroner går tabt, kan repeater F-bølger fra individuelle motoneuroner lettere genkendes; det er dog blevet hævdet, at den lave frekvens af backfiring af individuelle motoneuroner gør mekanismen temmelig usandsynlig (Chroni et al., 2012). Fysiologisk var der signifikante forskelle i F-bølgepersistens og antallet af repeater F-bølger mellem APB og ADM. Disse fund kan være forbundet med et lavere antal funktionelle motoneuroner, der innververververer APB (Gooch et al., 2014), eller øget kortikal inhiberende modulation af APB (Menon et al., 2014).

I ALS udvikler dysfunktion af spinal motoneuroner sig gradvist før udbruddet af åbenlyse symptomer (Bradley, 1987). I den foreliggende undersøgelse viste ALS-patienterne, der manglede påviselig svækkelse eller svaghed i hænderne, signifikant reduceret F-bølgepersistens og højere index RN- og index Freps-værdier for APB sammenlignet med NC’ernes værdier. Desuden viste disse ALS-patienter relativt normale F-bølgeværdier i ADM. Disse data er i overensstemmelse med en præferentiel dysfunktion af spinale motoneuroner, der innerverer APB i ALS (Baumann et al., 2012). I ALS kan de spinale motoneuroner, der innerverer APB, imidlertid være mere aktive end dem, der innerverer ADM, og CMAP-amplituden har muligvis ikke tilstrækkelig følsomhed til at detektere motoneurontab, fordi de resterende motoneuroner kan yde kompenserende kollateral reinnervation af denerverede muskelfibre (van Dijk et al., 2010). Analyse af F-bølger, især F-bølger i medianusnerverne, kunne bidrage til at påvise subtile ændringer af forreste hornceller selv hos ALS-patienter uden kliniske symptomer og kan således være en nyttig tilgang til evaluering af sygdomsprogressionen.

LMN-skader har vist sig at reducere amplituden af F-bølger (Fisher, 1992). Muskelatrofi kan føre til et svagere muskelrespons ved delvist at neutralisere hyperexcitabiliteten i motoneuronpuljen (Drory et al., 1993). I den foreliggende undersøgelse viste ALS-patienterne, der præsenterede split-hand-tegn, signifikant reducerede F-bølgeamplituder, reduceret F-bølgepersistens og et øget antal repeater F-bølger i APB sammenlignet med ADM, hvilket sandsynligvis afspejler en mere alvorlig skade på de spinale motoneuroner, der innerverer APB. Dannelsen af store motoriske enheder efter reinnervation kan bidrage til stigninger i F-bølgeamplituden (Drory et al., 2001). En signifikant øget F-bølgeamplitude i ADM sammenlignet med APB hos ALS-patienterne er i overensstemmelse med et langsommere motoneurontab i ADM-motoneuronpuljen (Baumann et al., 2012). F/M-amplitudeforholdet kvantificerer andelen af motoneuronpuljen, der er aktiveret under en serie F-bølger (Drory et al., 2001). Det signifikant øgede F/M-amplitudeforhold i APB sammenlignet med det i ADM hos ALS-patienter afspejler en øget tendens hos de motoneuroner, der innerverer APB, til at generere F-bølger. Omvendt understreger kombinationen af den nedsatte gennemsnitlige F-bølgeamplitude og det øgede F/M-amplitudeforhold i APB den foretrukne involvering af APB i ALS. Repeater F-bølger indikerer patologiske ændringer i motoriske enheder (Hachisuka et al., 2015). Den signifikante stigning i antallet af repeater F-bølger i APB kan indebære en større grad af hyperexcitabilitet i de spinale motoneuroner, der innerverer APB (Fang et al., 2015).

Intrigant nok viste ALS-patienter, der manglede påviselig håndmuskelatrofi, en gennemsnitlig F-bølgeamplitude for APB, der var signifikant højere end den for de ALS-patienter, der præsenterede split-hand-tegn. Den gennemsnitlige F-bølgeamplitude for ADM var imidlertid sammenlignelig mellem de to ALS-patientgrupper, uanset håndmuskelatrofi, men den var signifikant højere hos ALS-patienterne end hos NC’erne. Forskellene i F-bølgekarakteristikken mellem APB og ADM kan tilskrives de konkurrerende virkninger af degeneration og regeneration inden for den motoriske enhed. Ved degeneration af motorneuroner kompenserer de overlevende motorneuroner ved at reinnervere de denerverede muskelfibre gennem axonal spiring (Ibrahim og el-Abd, 1997). I ALS kan den denerveringsprocessen begynde tidligere og skride hurtigere frem i den thenarregion. Degenerationshastigheden var langsommere i de motoneuroner, der innerverede ADM, end i de motoneuroner, der innerverede APB. Der er behov for yderligere undersøgelser for at klarlægge de mekanismer i ALS, der bidrager til forskellene i motoneuron-dysfunktion mellem motoneuroner, der innerverer APB og ADM. Vi mistænkte, at kortikale mekanismer, perifere axonale mekanismer eller spinal segmental dysfunktion, især i spinale inhiberende kredsløb, kunne bidrage til den foretrukne degeneration af spinale motoneuroner, der innerverer APB (Turner og Kiernan, 2012; Ramírez-Jarquín et al., 2014).

Tidligere forskning viste, at split-hand-tegnet observeres hyppigere i ALS, og det øgede ADM/APB CMAP-amplitudeforhold er næsten specifikt for ALS. Den foreliggende undersøgelse viste, at det neurofysiologiske kriterium for ADM/APB på et CMAP-amplitudeforhold >1,7 (Kuwabara et al., 2008) har en moderat sensitivitet og høj specificitet ved differentiering af ALS fra NC’er, hvilket er i overensstemmelse med tidligere undersøgelser (Kim et al., 2015). I denne undersøgelse kunne F-bølgeparametre bidrage til pålideligt at differentiere ALS-patienter fra de normale deltagere. Desuden kunne F-bølgepersistens, indeks RN og indeks Freps i APB pålideligt differentiere ALS-patienter fra NC’erne, da disse mål viste større AUC-værdier end ADM/APB CMAP-amplitudeforholdet.

Vores analyse har flere begrænsninger. Dette var en tværsnitsundersøgelse, og et relativt lille antal deltagere blev inkluderet. En opfølgende undersøgelse med en større population er nødvendig for specifikt at bestemme omfanget af spinal dysfunktion forbundet med split-hand-tegnet i ALS. En anden potentiel begrænsning er manglen på en patientkontrolgruppe bestående af patienter med syndromer, der efterligner ALS. En sådan gruppe ville være nyttig til at vurdere den kliniske værdi af F-bølgen med hensyn til at skelne ALS fra lidelser, der efterligner ALS. Desuden bør der udføres yderligere elektrofysiologiske undersøgelser, der anvender metoderne til evaluering af UMN-dysfunktion samt excitabiliteten af de motoriske axoner, på de samme patientgrupper for at kaste mere lys over patofysiologien bag dette fænomen.

Sammenfattende viser vores resultater forskelle i F-bølgekarakteristika mellem APB og ADM hos patienter med ALS. Disse ændringer i F-bølgerne er karakteristiske for ALS-patienter og kan være nyttige til at skelne ALS fra visse lidelser, der efterligner ALS. Opklaring af de patofysiologiske mekanismer, der ligger til grund for de forskellige niveauer af atrofi i de små håndmuskler, vil kaste lys over patogenesen af ALS.

Author Contributions

JF og LC: udtænkte, udførte og designede eksperimenterne. JF, LC, ML og YG: analyserede dataene. ML, YG, XL, DL, BC, DS og QD: bidrog med reagenser/materialer/analyseredskaber. JF og LC: bidrog til at skrive manuskriptet.

Interessekonflikter

Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller finansielle relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.

Anerkendelser

Vi vil gerne takke de ALS-patienter og de raske frivillige, som deltog i denne undersøgelse.