Rheobase
Rheobase är ett mått på membranpotential excitabilitet . Inom neurovetenskap är rheobase den minimala strömamplituden av oändlig varaktighet (i praktisk mening, cirka 300 millisekunder) som resulterar i att depolarisationströskeln för cellmembranen nås, såsom en aktionspotential eller sammandragning av en muskel. På grekiska översätter roten rhe till "ström eller flöde", och basi betyder "botten eller fundament": således är rheobasen den minsta strömmen som kommer att producera en aktionspotential eller muskelkontraktion.
Rheobase kan bäst förstås i samband med styrka-varaktighetsförhållandet (fig. 1). Hur lätt ett membran kan stimuleras beror på två variabler: stimulans styrka och hur länge stimulansen appliceras. Dessa variabler är omvänt relaterade: när styrkan på den applicerade strömmen ökar, minskar tiden som krävs för att stimulera membranet (och vice versa) för att bibehålla en konstant effekt. Matematiskt motsvarar rheobase hälften av strömmen som behöver appliceras under chronaxie, vilket är en styrka-varaktighetskonstant som motsvarar den tid som framkallar ett svar när nerven stimuleras med två gånger reobasisk styrka.
Styrka-varaktighetskurvan upptäcktes först av G. Weiss 1901, men det var inte förrän 1909 som Louis Lapicque myntade termen rheobase . Många studier görs i relation till reobasvärden och de dynamiska förändringarna under mognad och mellan olika nervfibrer. Tidigare användes styrka-varaktighetskurvor och reobasbestämningar för att bedöma nervskada ; idag spelar de en roll i klinisk identifiering av många neurologiska patologier, inklusive diabetisk neuropati , CIDP , Machado-Josephs sjukdom och ALS .
Styrka-varaktighetskurva
Styrka-varaktighetstidskonstanten (chronaxi) och rheobase är parametrar som beskriver styrka-varaktighetskurvan - kurvan som relaterar intensiteten av en tröskelstimulus till dess varaktighet. När varaktigheten av en teststimulus ökar, minskar styrkan på strömmen som krävs för att aktivera en enstaka fiberverkanspotential.
Styrka-varaktighetskurvan är en kurva över tröskelströmmen (I) kontra pulslängden (d) som krävs för att stimulera exciterbar vävnad . Som nämnts är de två viktiga punkterna på kurvan reobas (b) och kronaxi (c), som korrelerar med två gånger reobas (2b). Styrka-varaktighetskurvor är användbara i studier där strömmen som krävs ändras när pulslängden ändras.
Lapicques ekvation
1907 föreslog Louis Lapicque, en fransk neuroforskare , sin exponentiella ekvation för styrka-varaktighetskurvan. Hans ekvation för att bestämma ström I :
där b hänför sig till rheobasvärdet och c hänför sig till kronaxivärdet över varaktigheten d .
Lapicques hyperboliska formel kombinerar tröskelamplituden för ett stimulus med dess varaktighet. Detta representerar den första hanterbara med fysiologiskt definierade parametrar som kan jämföra excitabilitet hos olika föremål, vilket återspeglar ett akut behov vid 1900-talets början. Lapicque använde konstantström, kondensatorurladdningspulser för att erhålla kronaxi för en mängd olika exciterbara vävnader. Rheobase i Lapicques ekvation är asymptoten för den hyperboliska kurvan vid mycket långa varaktigheter.
Weiss ekvation
År 1901 föreslog G. Weiss en annan linjär ekvation med en laddnings Q- varaktighetskurva. Den elektriska laddningen Q kan beräknas med följande ekvation:
- eller
igen, där I är mäts strömmen i ampere multiplicerat med varaktigheten d . b hänför sig till reobasvärdet och c hänför sig till kronaxivärdet.
Rheobase i Weiss-formeln är grafens lutning . X -avsnittet för Weiss-ekvationen är lika med bxc , eller rheobase times chronaxie.
Denna ekvation antyder att en graf över tröskelstimulans styrka kontra stimulans varaktighet bör visa en avklingning mot noll när stimulans varaktighet ökas, så stimulansstyrkan som krävs för att nå tröskelvärdet förutsägs öka under mer utdragen stimulering. Styrka-varaktighetskurvan för ett typiskt nervmembran är något skevt från den förutsagda grafen, i det att kurvan planar ut som svar på upprepad stimulering och når en asymptot som representerar reobas. När varaktigheten av en stimulans förlängs, stiger laddningsöverföringen och membranpotentialen exponentiellt till en platå (istället för att öka linjärt med tiden). När rheobasen överstiger stimulansen, misslyckas stimuleringen att generera aktionspotentialer (även med stora värden på t); Om stimulansen är för liten, når således membranpotentialen aldrig tröskeln. Skillnaden mellan formen på styrka-varaktighetskurvan som förutsägs av Weiss ekvation och den som faktiskt observeras i neurala membran kan tillskrivas läckage av laddning som sker under fysiologiska förhållanden, ett särdrag hos membranets elektriska motstånd. Weiss ekvation förutspår förhållandet mellan stimulansstyrka och varaktighet för en idealisk kondensator utan läckagemotstånd.
Trots denna begränsning ger Weiss ekvation den bästa passformen för styrka-varaktighetsdata och indikerar att reobas och tidskonstant (kronaxi) kan mätas från laddningsvaraktighetskurvan med en mycket liten felmarginal. Weiss använde rektangulära pulser med konstant ström och fann att tröskelladdningen som krävs för stimulering ökade linjärt med pulsens varaktighet. Han fann också att stimulansladdning , produkten av stimulansström och stimulans varaktighet är proportionell mot rheobase, så att endast två stimulustider är nödvändiga för att beräkna rheobas.
Mått
Användningen av styrka-varaktighetskurvor utvecklades på 1930-talet, följt av användningen av tröskelströmmätningar för studier av mänsklig axonal excitabilitet på 1970-talet. Användning av dessa metoder vid toxiska neuropatier har gjort det möjligt för forskare att utse skyddande faktorer för många perifera nervsjukdomar och flera sjukdomar i det centrala nervsystemet (se Klinisk betydelse ).
Nervexcitabilitetsundersökning kompletterar konventionella nervledningsstudier genom att tillåta insikt i biofysiska egenskaper hos axoner , såväl som deras jonkanalfunktion. Protokollet syftar till att ge information om nodala såväl som internodala jonkanaler, och indexen är extremt känsliga för axonmembranpotential . Dessa studier har gett insikt i tillstånd som kännetecknas av förändringar i vilopotential, såsom elektrolytkoncentration och pH , samt specifik jonkanal och pumpfunktion i normala och sjuka nerver. Dessutom har mjukvaruprogram som möjliggör beräkning av reobasiska och tidskonstantvärden från både normala och sjuka nerver nyligen gjort det möjligt för forskare att peka ut några viktiga faktorer för ett antal genomgripande nervstörningar, av vilka många involverar betydande demyelinisering (se Klinisk betydelse ) . Supraximal elektrisk stimulering och mätning av ledningshastighet och amplituder för sammansatta motoriska (CMAP) och sensoriska (SNAP) svar ger mått på antalet och ledningshastigheterna för stora myeliniserade fibrer. Dessutom tillåter flera mått på excitabilitet i TROND-protokollet bedömning av jonkanaler (transienta och persistenta Na + -kanaler, långsamma K + -kanaler) vid noder i Ranvier genom att beräkna stimulussvarskurvor, styrka varaktighetstidskonstant (kronaxi), reobase och återhämtningscykel efter passage av en aktionspotential. Detta uppnås genom att applicera långa polariserande strömmar på nerven och mäta inverkan av spänning på spänningsstyrda jonkanaler under myelin.
I neuroner
I neuroner definieras reobasen som den minsta injicerade stegströmmen, av oändlig varaktighet, som resulterar i en aktionspotential. I praktiken finns det flera utmaningar med att mäta reobasen. Det allmänna protokollet är att injicera strömmar av olika amplituder, observera om några aktionspotentialer producerades och sedan ytterligare förfina den injicerade strömstorleken tills gränsen mellan spik- och icke-spikbeteende identifieras.
Varaktighet
Eftersom det inte är möjligt att vänta en oändlig tid, injiceras provströmmar under begränsade varaktigheter. Den aktuella varaktigheten varierar mellan publikationerna, men är i storleksordningen 0,1-5 sekunder. Detta innebär dock också att en injicerad ström som inte resulterade i toppar kunde ha resulterat i toppar om varaktigheten var längre. Av denna anledning bör den aktuella varaktigheten anges när en cells reobas rapporteras.
Precision
Förutom nuvarande varaktighet är det inte möjligt att hitta det exakta reobasvärdet i en riktig cell. I publikationer är en vanlig metod att prova olika strömmar i några steg (t.ex. 10 pA), och hitta de två på varandra följande strömamplituderna som gör och inte resulterar i aktionspotentialer. Den minsta skillnaden mellan de nedre och övre strömmarna som används är rheobassökningsprecisionen: den "sanna" rheobasen är någonstans mellan de två testade strömvärdena.
Precisionen påverkas också av termiskt brus och jonkanalers stokastiska natur. Om en cell inte tillförlitligt spetsar vid en viss strömamplitud, kan sökmetoden modifieras för att inkludera flera upprepade ströminjektioner för att hitta sådan ström som tillförlitligt resulterar i toppar.
Maximalt strömamplitudområde
När man söker efter reobasen måste ett lämpligt strömamplitudområde väljas. Om den maximala strömmen som används är för liten kommer inga spikar att produceras. Om den är för stor kan cellhälsan äventyras. Innan sökningen påbörjas kan cellens membraningångsresistans (från negativa ströminjektioner) mätas och användas för att uppskatta den ström som krävs för att aktivera cellen (t.ex. om -10pA minskar potentialen med 20mV, då kommer en cell som vilar vid -60mV att sannolikt spika minst en gång som svar på +30pA-injektioner).
Negativ Rheobase
Standarddefinitionen av reobas antar att en given cell inte spetsar när en ström inte injiceras. Vissa celler spikar dock spontant (t.ex. hjärtpacemakerceller) . För sådana celler kommer en negativ (hämmande) ström att tysta dem, medan en något mindre negativ ström kommer att resultera i aktionspotentialer. I sådana fall kommer stimuleringsprotokoll som använder reobasen och antar att spikhastigheten är proportionell mot reobasen att ge nonsensresultat (t.ex. spikfrekvensen som svar på 2X rheobasen kommer inte att vara större än vid 1,5X rheobasen).
Sprängda celler
Sprängande celler kommer att producera flera spikar när de väl har aktiverats. För sådana celler kan det vara mycket svårt att hitta strömmen som bara producerar en enda spik inom en given tidsram. För sådana celler kunde det användas att hitta gränsen mellan strömmar som resulterar i skurar och inga skurar.
Celler med subtröskeloscillationer
Celler som uppvisar oscillationer under tröskelvärdet kommer att uppvisa fasberoende reobas. Om det aktuella stegstarten sammanfaller med toppen av en subtröskeloscillation (cellen är närmare avfyrningströskeln), kommer en mindre ström att behövas för att framkalla en spik. Omvänt, om stegstarten sammanfaller med svängningens dal (längre bort från tröskeln), kommer en större ström att behövas för att producera en spik. Användning av olika fördröjningar före start och upprepning av de aktuella injektionerna kan användas för att hitta den ström som garanterar att en spik kommer att produceras oavsett svängningsfas under tröskelvärdet.
Temperatur
Skivtemperaturen kan påverka jonkanalkinetiken och ändra reobasen. Detta betyder att en ström som producerar en topp under en temperatur kanske inte ger några toppar under en annan temperatur. Av denna anledning bör skivans temperatur anges när en cells reobas rapporteras.
Neurobiologisk betydelse
Egenskaperna hos det nodala membranet bestämmer till stor del axonens styrka-varaktighetsegenskaper, och dessa kommer att förändras med förändringar i membranpotential, med temperatur och med demyelinisering , eftersom det exponerade membranet effektivt förstoras genom införandet av paranodalt och intermodalt membran. Styrka-varaktighetstidskonstanten är således en återspegling av ihållande Na + -kanalfunktion och påverkas dessutom av membranpotential och passiva membranegenskaper. Som sådan beror många aspekter av nervexcitabilitetstestning på natriumkanalfunktioner : nämligen styrka-varaktighetstidskonstanten, återhämtningscykeln, stimulus-svarskurvan och ström-tröskelförhållandet. Mätning av svar i nerver som är relaterade till nodal funktion (inklusive styrka-varaktighet tidskonstant och rheobase) och internodal funktion har möjliggjort insikt i normal axonfysiologi såväl som normala fluktuationer av elektrolytkoncentrationer .
Rheobase påverkas av excitabiliteten hos nodalmembranet, som ökar med hyperpolarisering och minskar med depolarisering . Dess spänningsberoende följer beteendet hos ihållande natriumkanaler som är aktiva nära tröskeln och har snabbt aktiverande, långsamt inaktiverande kanalegenskaper. Depolarisering ökar Na + -strömmen genom de ihållande kanalerna, vilket resulterar i en lägre reobas; hyperpolarisering har motsatt effekt. Styrka-varaktighetstidskonstanten ökar med demyelinisering, eftersom det exponerade membranet förstoras genom inkludering av paranodalt och internodalt membran. Funktionen hos den senare av dessa är att upprätthålla vilomembranpotential , så internodal dysfunktion påverkar avsevärt excitabiliteten i en sjuk nerv. Sådana implikationer diskuteras vidare i Clinical Significance .
Sensoriska nerver vs motoriska nerver
Nervexcitabilitetsstudier har fastställt ett antal biofysiska skillnader mellan mänskliga sensoriska och motoriska axoner. Även om diametrarna och ledningshastigheterna för de mest exciterbara motor- och sensoriska fibrerna är likartade, har sensoriska fibrer betydligt längre styrka-varaktighetstidskonstanter. Som ett resultat har sensoriska nerver en längre styrka-varaktighet tidskonstant och en lägre reobas än motoriska nerver.
Många studier har föreslagit att skillnader i uttrycket av tröskelkanaler kan förklara de sensoriska-motoriska skillnaderna i styrka-varaktighet tidskonstant. Skillnaderna i styrka-varaktighetstidskonstant och reobas för normala sensoriska och motoriska axoner tros återspegla skillnader i uttryck för en ihållande Na + -konduktans . Dessutom rymmer sensoriska axoner mer till långvariga hyperpolariserande strömmar än motoraxoner, vilket tyder på ett större uttryck för de hyperpolarisationsaktiverade inåtriktarkanalerna. Slutligen är det elektrogena Na + /K + -ATPaset mer aktivt i sensoriska nerver, som har ett större beroende av denna pump för att upprätthålla vilomembranpotential än motoriska nerver.
Ökningar i styrka-varaktighetstidskonstanten observeras när denna konduktans aktiveras genom depolarisering eller hyperventilering . Emellertid kan demyelinisering , som exponerar internodalt membran med en högre membrantidskonstant än den för den ursprungliga noden, också öka styrka-varaktighetstidskonstanten.
Styrka-varaktighetstidskonstanten för både kutan och motorisk afferent minskar med åldern, och detta motsvarar en ökning av reobas. Två möjliga orsaker till denna åldersrelaterade minskning av tidskonstanten för styrka och varaktighet har föreslagits. För det första kan nervgeometrin förändras med åldern på grund av axonal förlust och neural fibros . För det andra kan den ihållande Na + -konduktansen minska mognad . Signifikanta minskningar av tröskeln för sensoriska och motoriska fibrer har observerats under ischemi . Dessa sänkningar av tröskeln var vidare förknippade med signifikanta ökningar i hållfasthets-varaktighetstidskonstanten, vilket avsevärt indikerar en signifikant minskning av reobasströmmen. Dessa förändringar tros vara resultatet av icke-inaktiverande, spänningsberoende Na + -kanaler , som är aktiva vid vilopotential .
Klinisk signifikans
Axonal degeneration och regenerering är vanliga processer vid många nervsjukdomar. Som en konsekvens av myelinombyggnad är den internodala längden känd för att förbli ihållande kort. Lite är känt om hur neuroner klarar det ökade antalet noder förutom att det kan finnas en kompensatorisk ökning av Na + -kanaler så att den internodala tätheten återställs. Ändå hävdar de flesta befintliga forskningsrön att regenererade axoner kan vara funktionellt bristfälliga, eftersom tillgången till K + -kanalen under det paranodala myelinet kan ökas.
I den kliniska miljön kan internodens funktion endast utforskas genom excitabilitetsstudier (se Mätning ) . Experimentella observationer som använder tröskelmätningar för att bedöma excitabiliteten hos myeliniserade nervfibrer har visat att funktionen hos regenererade internoder verkligen förblir ihållande onormal, med regenererade motoraxoner som visar ökad reobas och minskad kronaxi - förändringar som är förenliga med onormala aktiva membranegenskaper. Dessa studier har vidare fastställt att aktivitetsberoende ledningsblock i myelinisering berodde på hyperpolarisering, såväl som onormalt ökade Na + -strömmar och ökad tillgänglighet av snabba K + -likriktare. Nedan listas fynd om förändringar i nervexcitabilitet, och därmed styrka-varaktighetskonstanten, som har observerats inom flera av de mest genomgripande nervsjukdomarna.
Amyotrofisk lateral skleros
Amyotrofisk lateralskleros (ALS) påverkar övre och nedre motoriska system, med symtom som sträcker sig från muskelatrofi, hyperreflexi och fascikulationer , som alla tyder på ökad axonal excitabilitet. Många studier har dragit slutsatsen att onormalt minskad K + -konduktans resulterar i axonal depolarisering , vilket leder till axonal hyperexcitabilitet och generering av fascikulation. ALS-patienter i dessa studier visade längre styrka-varaktighet tidskonstanter och lägre värden för rheobase än hos kontrollpersoner .
En annan studie har visat att sensoriska reobaser inte var annorlunda hos patienter från de hos åldersmatchade kontrollpersoner, medan motoriska reobaser var signifikant lägre. Att upptäcka att motoraxoner har både en lägre reobas och en längre tidskonstant för styrka och varaktighet i ALS har lett till slutsatsen att motorneuroner är onormalt exciterbara i ALS, med egenskaper som mer liknar sensoriska neuroner . Förändringar i nervens geometri på grund av förlust av axoner inom den perifera nerven orsakar sannolikt denna förändring i reobas. En logisk slutsats av föreliggande data är att det finns en större ihållande Na + -konduktans i vila i motoraxoner hos patienter med ALS än normalt.
Machado-Josephs sjukdom
Machado-Josephs sjukdom (MJD) är en triplettsjukdom som kännetecknas av cerebellär ataxi , pyramidala tecken , oftalmoplegi och polyneuropati . Eftersom muskelkramper är en frekvent förekomst vid MJD, har axonal hyperexcitabilitet ansetts spela en roll i sjukdomen. Forskning har visat att styrka-varaktighetstidskonstanten hos MJD-patienter är betydligt längre än hos kontroller, och detta motsvarar en signifikant minskning av reobase. I kombination med fynd om Na + -kanalblockerare , tyder dessa data på att kramperna i MJD sannolikt orsakas av den ökade ihållande Na + -kanalkonduktansen som kan vara oreglerad under axonal reinnervation (som är ett resultat av långvarig axonal degeneration).
Diabetisk polyneuropati
Det kännetecken som kännetecknar diabetisk polyneuropati är en blandning av axonal och demyeliniserande skada, som är resultatet av mekanisk demyelinisering och kanal-/pumpdysfunktioner. Diabetespatienter har visat sig uppleva en signifikant kortare styrka-varaktighetstidskonstant och en mycket högre reobas än normala patienter.
Mätning av sensorisk ledning i distala nervsegment har visat framträdande defekter hos diabetespatienter, vilket tyder på att funktionen av ihållande Na + -kanaler är nedsatt hos diabetiker. Dessa experiment har dessutom öppnat nya vägar för förebyggande läkemedelseffektivitet. Mätning av chronaxi och rheobase i sura sensoriska fibrer har avslöjat milda minskningar i excitabilitet hos diabetiker, vilket framgår av signifikanta minskningar i ledningshastighet och kronaxi av sensoriska fibrer med motsvarande ökningar i rheobas. Dessa effekter tillskrivs den minskade Na + -K + -ATPas-aktiviteten i axon hos diabetespatienter, vilket gör att Na + -joner ackumuleras intracellulärt, såväl som en efterföljande minskning av den transmembrana Na + -gradienten.
Charcot–Marie–Tooths sjukdom
Charcot–Marie–Tooths sjukdom (CMT) är den vanligaste formen av ärftlig neuropati och kan delas upp ytterligare i två typer: typ 1: demyeliniserande och typ 2: axonal. Mätning av kronaxi och reobas för dessa sjuka nerver har kommit fram till att elektrofysiologiskt visar en patient med demyeliniserande (Typ I) CMT långsam nervledningshastighet , ofta åtföljd av minskade amplituder av motoriska och sensoriska aktionspotentialer ; dessutom kan axonal (Typ II) CMT tillskrivas försämrad interaktion mellan Schwann-celler och axoner. Förändringar i excitabilitetsmått är vanligtvis universella och varierar lite mellan patienter, och detta beror sannolikt på den diffusa fördelningen av demyelinisering, vilket tyder på ändrade kabelegenskaper associerade med korta internoder.
Multifokal motorneuropati
Multifokal motorneuropati ( MMN) är ett sällsynt kliniskt fall som nästan helt kännetecknas av muskelsvaghet , atrofi och fascikulationer . En viktig egenskap hos MMN är att styrka-varaktighetskonstanten är signifikant liten, vilket motsvarar en avsevärd ökning av reobas. Båda mätningarna har visat sig normaliseras efter intravenös immunglobulinbehandling .
Kronisk inflammatorisk demyeliniserande polyneuropati
Kronisk inflammatorisk demyeliniserande polyneuropati (CIDP) är en immunologisk demyeliniserande polyneuropati . Som ett resultat av ökad paranodal kapacitans från demyelinisering upplever patienter ökad stimuleringströskel, kortare styrka-varaktighetskonstant och ökad reobase.