Introduktion

Amyotrofisk lateralskleros (ALS) är en progressiv sjukdom som kännetecknas av att både övre och nedre motoriska neuronerna är involverade (UMNs och LMNs). Vid ALS påverkar muskelförtvining företrädesvis abductor pollicis brevis (APB) och första dorsala interosseus, med relativt bevarande av abductor digiti minimi (ADM). Detta specifika kännetecken för ALS har kallats “split-hand”-tecknet (Wilbourn, 2000). I allmänhet är omfattningen av förlusten av motoriska enheter betydligt större i APB än i ADM hos patienter med ALS (Kuwabara et al., 1999). Både kortikala och perifera mekanismer har föreslagits ligga bakom de olika nivåerna av atrofi bland de små handmusklerna vid ALS (Weber et al., 2000; Shibuya et al., 2013). Resultaten av studier med transkraniell magnetstimulering har visat att den kortikomotoneuronala insignalen till de spinala motoneuroner som innerverar thenarkomplexet är mer omfattande hos normala deltagare (Macdonell et al., 1999; Menon et al., 2014). En sådan skillnad i inflöden kan leda till att dessa spinala motoneuroner företrädesvis degenererar vid ALS genom en transsynaptisk anterograd excitotoxisk mekanism. Kortikomotoneuronala projektioner till thenarkomplexet påverkas företrädesvis vid ALS, vilket tyder på att kortikomotoneuronal dysfunktion bidrar till det delade handtecknet vid ALS (Weber et al., 2000). Studier av perifera nervers excitabilitet har föreslagit att de motoneuronaxon som innerverar APB är hyperexcitabla och benägna att degenerera vid ALS (Vucic och Kiernan, 2010; Shibuya et al., 2013). Hittills finns det dock få studier som direkt har jämfört dysfunktionen eller excitabiliteten hos motoneuroner som innerverar APB och ADM. F-vågen är ett sent svar med låg amplitud som återspeglar antidromisk aktivering av motoneuroner (Pastore-Olmedo et al., 2009). F-vågor kan ge ett oberoende mått på segmentell excitabilitet hos motoneuroner (Fisher, 1992; Milanov, 1992; Hachisuka et al., 2015). Det primära syftet med den här studien var att undersöka skillnaderna i dysfunktion mellan spinala motoneuroner som innerverar APB och ADM vid ALS med hjälp av F-vågor.

Material och metoder

Deltagare

Vi studerade 40 patienter med sporadisk ALS och 20 ålders- och könsmatchade normala deltagare. Alla patienter togs emot på neurologiavdelningen vid Peking Union Medical College Hospital mellan augusti 2013 och juni 2014. De ALS-patienter som uppfyllde de modifierade El Escorial-kriterierna för definitiv, sannolik eller sannolik laboratoriestödd ALS (Brooks et al., 2000) rekryterades konsekutivt till studien. Olika elektrofysiologiska undersökningar och kliniska egenskaper, såsom ålder vid inskrivning och tid från symtomdebut, analyserades hos dessa patienter. Ingen genetisk mutation hade identifierats hos någon av ALS-patienterna. UMN-inblandning i de övre extremiteterna antyddes av förekomsten av klonus, ökad tonus, snabba senreflexer och positiva Hoffman-tecken. ALS-patienterna tilldelades två grupper baserat på deras fysiska symtom. Patienterna i grupp 1 (20 ALS-patienter) hade svikt och svaghet i de intrinsiska handmusklerna. Patienterna i grupp 2 (20 patienter med ALS) uppvisade ingen svikt eller svaghet i de inre handmusklerna och uppvisade antingen ingen eller lindrig försämring av diskreta fingerrörelser. Uppgifterna för den mer påverkade handen analyserades för ALS-patienterna i grupp 1, medan uppgifterna för den mer intakta handen analyserades för ALS-patienterna i grupp 2. Uppgifterna för den vänstra handen analyserades för de normala kontrollerna (NC). ALS-patienterna klassificerades kliniskt med hjälp av ALS functional rating scale-revised (ALSFRS-R; Cedarbaum et al., 1999) och kategoriserades enligt platsen för sjukdomsdebuten. De elektrodiagnostiska egenskaperna hos alla ALS-patienter överensstämde med en diffus och progressiv degeneration av främre hornceller. Vid tidpunkten för undersökningen tog ingen av patienterna riluzol eller andra antispastiska läkemedel. Deltagare med sammanfallande karpaltunnelsyndrom eller cubitaltunnelsyndrom baserat på klinisk undersökning och nervledningsstudier exkluderades. Alla försökspersoner gav informerat skriftligt samtycke till att delta i undersökningen. Studien godkändes av etikkommittén för klinisk forskning vid Peking Union Medical College Hospital (Peking, Kina), och alla förfaranden utfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen.

Nervledningsstudier

De elektrofysiologiska testerna utfördes med hjälp av ett Viking IV elektromyografisystem (EEG) (Nicolet Biomedical, Madison, WI, USA). Compound muscle action potentials (CMAPs) registrerades från APB- och ADM-musklerna efter stimulering av median- eller ulnarnerven vid handleden. Hudtemperaturen för de studerade extremiteterna hölls på >32°C. Den distala motoriska latensen (DML), amplituden för CMAP från topp till topp, den motoriska ledningshastigheten (MCV) och förhållandet mellan ADM/APB CMAP-amplituden mättes.

F-vågsstudie

Alla försökspersoner låg på rygg och var avslappnade under hela försöket. F-vågorna från median- och ulnarnerverna registrerades med ytelektroder som fästes på huden över APB- och ADM-musklerna. De studerade nerverna stimulerades genom att ge 100 supramaximala stimuli med en frekvens på 1 Hz på en plats som låg 7 cm proximalt från den aktiva inspelningselektroden med katoden proximalt från anoden. Totalt 100 stimuli ansågs lämpliga för att utforska F-vågornas fulla potential (Fisher et al., 1994). Filterinställningarna var 20 Hz till 10 kHz, svephastigheten var 5 ms per division och förstärkarförstärkningen var 0,5 mV per division. A-vågor, som definierades som identiska sena svar med konstant latens som förekom i minst 8 av 20 spår, uteslöts från studien av F-vågor (Puksa et al., 2003). Följande F-vågsparametrar analyserades: minimal latens, genomsnittlig latens, maximal latens, F-vågens persistens, genomsnittlig amplitud, genomsnittligt F/M-amplitudförhållande och antal upprepade F-vågor. Amplituden från topp till topp för en F-våg mättes om amplituden var minst 40 μV. Medelvärdet för F/M-amplitudförhållandet beräknades genom att dividera medelvärdet för F-vågens amplitud med motsvarande maximala CMAP-amplitud. En repeterande neuron (RN) var en neuron som gav upphov till en serie F-vågor med identiska latenser, amplituder och former, och dessa F-vågor definierades som repeterande F-vågor. RN:er och repeater F-vågor upptäcktes genom visuell inspektion och överlagrades manuellt på de andra repeater F-vågorna. Repeater F-vågorna mättes med hjälp av följande index: index RN = 100 × antal RN/antal spår med olika F-vågsformer i en serie av 100 stimuli; index repeater F-vågor (Freps) = 100 × antal repeater F-vågor/totalt antal spår med F-vågor i samma nerv (Chroni et al., 2012).

Statistiska analyser

Shapiro-Wilk-testet användes för att bedöma datans normalitet. När P-värdet i variansanalysen uppnådde signifikans utfördes Student-Newman-Keuls-testet. Det oberoende t-testet användes för att bedöma skillnader mellan två grupper. För icke-parametriska data gjordes jämförelser mellan grupper med hjälp av Kruskal-Wallis H-testet. När nollhypotesen förkastades testades parvisa jämförelser av grupperna med Mann-Whitney U-testet och Bonferroni-korrigering med en signifikansnivå på P < 0,017. Skillnaderna i kategoriska variabler undersöktes med hjälp av Chi-square-testet. Den statistiska signifikansen fastställdes till P < 0,05. SPSS för Windows, version 21.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL, USA), användes för att utföra de statistiska analyserna.

Resultat

De kliniska profilerna hos ALS-patienterna och NC-deltagarna sammanfattas i tabell 1. Alla ALS-patienter var kliniskt LMN-predominanta. Ålder vid undersökningen, könsfördelning och längd var jämförbara i de tre grupperna. Bland ALS-patienterna utgjorde sjukdom med början i övre extremiteterna 70 % av patienterna i grupp 1 och 25 % av patienterna i grupp 2. Det fanns 11 ALS-patienter i grupp 1 och 10 i grupp 2 med två drabbade kroppsregioner, och det fanns 9 generaliserade patienter i grupp 1 och 10 i grupp 2. Sjukdomsdurationen och ALSFRS-R-poängen skiljde sig inte signifikant åt mellan ALS-patienterna i grupperna 1 och 2.

Tabell 2 visar resultaten av nervledningsstudien för ALS-patienterna och NC. ADM/APB CMAP-amplitudförhållandet var signifikant förhöjt hos ALS-patienterna i grupp 1 jämfört med NC-gruppen, vilket observerades konsekvent med split-hand-tecknet hos ALS-patienter (Kuwabara et al., 2008). Resultaten av F-vågsstudien för ALS-patienterna och NC-grupperna visas i tabell 3. Den genomsnittliga F-vågsamplituden för APB var signifikant lägre i grupp 1 än i grupp 2, vilket var jämförbart mellan grupp 2 och NCs. Den genomsnittliga F-vågsamplituden för ADM i grupperna 1 och 2 var signifikant ökad jämfört med den hos NCs. F/M-amplitudförhållandena för APB och ADM i grupp 1 var signifikant högre än i grupp 2 och NCs, medan grupp 2 och NCs uppvisade liknande F/M-amplitudförhållanden. F-vågsperspektivet i APB, som var betydligt lägre hos ALS-patienterna än hos NCs, var jämförbart mellan grupp 1 och 2. ADM:s F-vågsperspektiv var signifikant lägre i grupp 1 än i grupp 2 och NC, medan ADM:s F-vågsperspektiv var likartat mellan grupp 2 och NC. Index RN och index Freps för APB var signifikant förhöjda i grupperna 1 och 2 jämfört med NC, men dessa index var jämförbara mellan grupperna 1 och 2. Index RN och index Freps för ADM var signifikant högre i grupp 1 än i grupp 2 och NCs, medan grupp 2 och NCs uppvisade liknande värden för dessa index. I figur 1 visas representativa exempel på F-vågsspår för median- och ulnarnerven som registrerats från ALS-patienter i grupperna 1, 2 och NCs.

Tabell 4 visar den diagnostiska prestandan hos F-vågorna i ALS jämfört med NC. F-vågen skulle kunna användas för att hjälpa till att skilja ALS-patienter från NCs. Index RN och index Freps i APB verkade vara tillförlitliga variabler för att skilja ALS-patienter från NCs, eftersom arean under kurvan (AUC) för index RN (0,998, 95 % konfidensintervall (KI) 0,937-1,000) och index Freps (1,000, 95 % KI 0,940-1,000) visade “mycket god” diagnostisk användbarhet. Resten av F-vågsvariablerna hade lägre AUC-värden än index RN och index Freps i APB och visade därmed mindre diagnostisk nytta. Förhållandet mellan ADM/APB CMAP-amplituden visade en AUC på 0,766 (95 % CI 0,638-0,865, P < 0,001) och kunde i måttlig grad skilja ALS-patienter från NCs. Användning av ett gränsvärde på ADM/APB > 1,7 (Kim et al., 2015) för att diagnostisera ALS gav en måttlig sensitivitet (52,5 %) och en hög specificitet (85,0 %) jämfört med kontroller. F-vågsperspektivet (P = 0,002), index RN (P < 0,001) och index Freps (P < 0,001) i APB verkade differentiera ALS-patienter från NC mer robust än förhållandet mellan ADM/APB CMAP-amplituden.

Diskussion

Det primära syftet med den här studien var att använda F-vågsmått för att fastställa skillnaderna i dysfunktion mellan APB- och ADM-motoneuroner hos patienter med ALS. Enligt ett föreslaget stadieindelningssystem för ALS (Roche et al., 2012) var sjukdomsstadierna jämförbara mellan grupp 1 och 2. Skillnaden i andelen debut i de övre extremiteterna mellan grupperna 1 och 2 kan ligga bakom ett annat mönster för sjukdomsutvecklingen mellan de två grupperna. Det uppskattade antalet motoriska enheter och CMAP-amplituderna är användbara parametrar för att utvärdera förlusten av motoneuroner, medan F-vågen kan vara en direkt sond för dysfunktion eller instabilitet i främre hornceller (Hachisuka et al., 2015). F-vågens persistens är relaterad till antalet LMNs och motoneuronernas excitabilitet (Schiller och Stalberg, 1978; de Carvalho et al., 2002; Argyriou et al., 2006). De föreslagna mekanismerna bakom repeater F-vågor är ökad excitabilitet i vissa främre hornceller, minskad excitabilitet i vissa motoneuroner eller förlust av motoneuroner (Schiller och Stalberg, 1978; Petajan, 1985; Peioglou-Harmoussi et al., 1987; Hachisuka et al., 2015). När motoneuroner går förlorade kan repeterande F-vågor från enskilda motoneuroner lättare kännas igen; det har dock hävdats att den låga frekvensen av backfiring hos enskilda motoneuroner gör mekanismen ganska osannolik (Chroni et al., 2012). Fysiologiskt sett fanns det betydande skillnader i F-vågars persistens och antalet repeterande F-vågor mellan APB och ADM. Dessa fynd kan vara förknippade med ett lägre antal funktionella motoneuroner som innerverar APB (Gooch et al., 2014) eller ökad kortikal hämmande modulering av APB (Menon et al., 2014).

I ALS utvecklas dysfunktion av spinala motoneuroner gradvis före uppkomsten av uppenbara symtom (Bradley, 1987). I den här studien visade ALS-patienterna som saknade påvisbar svikt eller svaghet i händerna signifikant minskad F-vågsperspektivitet och högre index RN- och index Freps-värden för APB jämfört med NC-patienterna. Dessutom uppvisade dessa ALS-patienter relativt normala F-vågsvärden i ADM. Dessa data stämmer överens med en preferentiell dysfunktion av spinala motoneuroner som innerverar APB vid ALS (Baumann et al., 2012). Vid ALS kan dock de spinala motoneuroner som innerverar APB vara mer aktiva än de som innerverar ADM, och CMAP-amplituden kanske inte har tillräcklig känslighet för att upptäcka motoneuronförlust eftersom de kvarvarande motoneuronerna kan ge kompensatorisk kollateral reinnervation av denerverade muskelfibrer (van Dijk et al., 2010). Analys av F-vågor, särskilt F-vågor i medianusnerven, skulle kunna bidra till att upptäcka subtila förändringar av främre hornceller även hos ALS-patienter utan kliniska symtom och kan därmed utgöra ett användbart tillvägagångssätt för att utvärdera sjukdomsprogressionen.

LMN-skador har visat sig minska amplituden av F-vågor (Fisher, 1992). Muskelatrofi kan leda till ett svagare muskelrespons genom att delvis neutralisera hyperexcitabiliteten hos motoneuronpoolen (Drory et al., 1993). I den aktuella studien uppvisade ALS-patienterna som visade tecken på delad hand signifikant minskade F-vågsamplituder, minskad F-vågsuthållighet och ett ökat antal repeterande F-vågor i APB jämfört med ADM, vilket troligen avspeglar allvarligare skador på de spinala motoneuronerna som innerverar APB. Bildandet av stora motoriska enheter efter reinnerveringen kan bidra till ökningar av F-vågsamplituden (Drory et al., 2001). En signifikant ökad F-vågsamplitud i ADM jämfört med APB hos ALS-patienterna överensstämmer med en långsammare motoneuronförlust i ADM-motoneuronpoolen (Baumann et al., 2012). Förhållandet mellan F/M-amplituden kvantifierar andelen av motoneuronpoolen som aktiveras under en serie F-vågor (Drory et al., 2001). Det signifikant ökade F/M-amplitudförhållandet i APB jämfört med det i ADM hos ALS-patienter återspeglar en ökad tendens hos de motoneuroner som innerverar APB att generera F-vågor. Omvänt understryker kombinationen av den minskade genomsnittliga F-vågsamplituden och det ökade förhållandet mellan F/M-amplituden i APB den preferentiella involveringen av APB vid ALS. Repeater F-vågor indikerar patologiska förändringar i motoriska enheter (Hachisuka et al., 2015). Den signifikanta ökningen av antalet repeater F-vågor i APB kan innebära en större grad av hyperexcitabilitet inom de spinala motoneuroner som innerverar APB (Fang et al., 2015).

Intressant nog uppvisade ALS-patienter som saknade påvisbar handmuskelatrofi en genomsnittlig F-vågsamplitud för APB som var signifikant högre än för de ALS-patienter som uppvisade tecken på delad hand. Den genomsnittliga F-vågsamplituden för ADM var dock jämförbar mellan de två ALS-patientgrupperna, oavsett handmuskelatrofi, men var signifikant högre hos ALS-patienterna än hos NC:arna. Skillnaderna i F-vågsegenskaperna mellan APB och ADM kan tillskrivas de konkurrerande effekterna av degeneration och regeneration inom den motoriska enheten. Vid degeneration av motorneuroner kompenserar de överlevande motorneuronerna genom att reinnervera de denerverade muskelfibrerna genom axonal spiring (Ibrahim och el-Abd, 1997). Vid ALS kan denerveringsprocessen börja tidigare och fortskrida snabbare i thenarregionen. Degenerationstakten var långsammare i de motoneuroner som innerverade ADM än i de som innerverade APB. Ytterligare studier är nödvändiga för att belysa de mekanismer i ALS som bidrar till skillnaderna i motoneurondysfunktion mellan motoneuroner som innerverar APB och ADM. Vi misstänkte att kortikala mekanismer, perifera axonala mekanismer eller spinal segmentell dysfunktion, särskilt i spinal inhiberande kretsar, kan bidra till den preferentiella degenerationen av spinala motoneuroner som innerverar APB (Turner och Kiernan, 2012; Ramírez-Jarquín et al., 2014).

Preciär forskning har visat att split-hand-tecknet observeras oftare vid ALS, och att det ökade förhållandet mellan ADM/APB CMAP-amplitudkvoten är nästan specifikt för ALS. Den aktuella studien visade att det neurofysiologiska kriteriet för ADM/APB med ett CMAP-amplitudförhållande >1,7 (Kuwabara et al., 2008) har en måttlig sensitivitet och hög specificitet när det gäller att skilja ALS från NC, vilket stämmer överens med tidigare studier (Kim et al., 2015). I den här studien kunde F-vågsparametrarna bidra till att på ett tillförlitligt sätt skilja ALS-patienter från de normala deltagarna. Dessutom kunde F-vågens persistens, index RN och index Freps i APB på ett tillförlitligt sätt skilja ALS-patienter från NCs, eftersom dessa mått visade större AUC-värden än förhållandet mellan ADM/APB CMAP-amplituden i ADM/APB.

Vår analys har flera begränsningar. Detta var en tvärsnittsstudie och ett relativt litet antal deltagare ingick. En uppföljningsstudie med en större population är nödvändig för att specifikt fastställa omfattningen av spinal dysfunktion i samband med split-hand-tecknet i ALS. En annan potentiell begränsning är avsaknaden av en patientkontrollgrupp bestående av patienter med syndrom som efterliknar ALS. En sådan grupp skulle vara användbar för att bedöma F-vågens kliniska värde när det gäller att skilja ALS från sjukdomar som efterliknar ALS. Dessutom bör ytterligare elektrofysiologiska studier som använder metoderna för att utvärdera UMN-dysfunktion samt excitabiliteten hos de motoriska axonerna utföras på samma patientgrupper för att kasta mer ljus över patofysiologin hos detta fenomen.

Sammanfattningsvis visar våra resultat på skillnader i F-vågsegenskaperna mellan APB och ADM hos patienter med ALS. Dessa förändringar i F-vågorna är karakteristiska för ALS-patienter och kan vara till hjälp för att skilja ALS från vissa sjukdomar som efterliknar ALS. Att klarlägga de patofysiologiska mekanismer som ligger till grund för de olika nivåerna av atrofi i de små handmusklerna skulle kasta ljus över patogenesen för ALS.

Författarbidrag

JF och LC: utformade, utförde och designade experimenten. JF, LC, ML och YG: analyserade data. ML, YG, XL, DL, BC, DS och QD: bidrog med reagenser/material/analysverktyg. JF och LC: bidrog till skrivandet av manuskriptet.

Intressekonfliktförklaring

Författarna förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

Vi vill tacka ALS-patienterna och de friska frivilliga som deltog i denna studie.