Nicht-invasive Magnetomyografie mittels optisch gepumpter Magnetometer (OPM) – Charakteristika des Muskelaktionspotenzials

Zusammenfassung

Das Muskelaktionspotenzial ist ein Aktionspotential, die an der neuromuskulären Endplatte entsteht und sich über die Muskelfasern ausbreitet. Mittels der Magnetomyografie (MMG) ist es möglich, die Ausbreitung des Muskelaktionspotenzials entlang des Muskels nachzuverfolgen. Obwohl die Methode der MMG seit 1970 bekannt ist, konnte sie bisher wegen physikalischer Limitationen nicht weiterverfolgt werden. Diese Limitationen konnten in den letzten Jahren durch die technische Entwicklung von sogenannten optisch gepumpten Magnetometern (OPM) größtenteils überwunden werden, sodass man jetzt untersuchen kann, ob die MMG als eine neue oder zusätzliche neurophysiologische Methode sinnvoll angewendet werden kann. Wesentliche Vorteile der MMG bestehen darin, dass sie völlig kontaktlos und referenzfrei ist, eine räumliche Darstellung erlaubt und die magnetischen Signale nicht durch Haut oder Fettgewebe abgeschwächt werden. Die folgende Studie untersucht daher ein grundlegendes physiologisches Phänomen: Das Muskelaktionspotential nach der Auslösung eines Muskeleigenreflexes. Hierdurch wird eine allgemeine Einführung in die sich gegenwärtig etablierende Methode der MMG ermöglicht. Dabei wird gezeigt, dass die MMG nicht nur zusätzliche Informationen im Sinne einer räumlichen Darstellung ermöglicht, sondern auch neue und noch unbekannte Signale erfassen kann, die Ausdruck der Muskelkontraktion selbst sein könnten.

Abstract

The muscle action potential is an action potential that originates at the neuromuscular endplate and propagates along the muscle fibers. Using magnetomyography (MMG), it is possible to measure the propagation of the muscle action potential along the muscle. Although the method of MMG has been known since 1970, it could not be pursued due to physical limitations. These limitations have been largely overcome in recent years by the technical development of so-called optically pumped magnetometers (OPM), so that it can now be investigated whether MMG can serve as a new or additional neurophysiological method. The main advantages of MMG are that it is completely contactless and reference-free, allows spatial visualization, and the magnetic signals are not attenuated by skin or adipose tissue. The following study therefore investigates a basic physiological phenomenon – the muscle action potential after triggering a muscle intrinsic reflex – and introduces the general reader to the currently emerging method of MMG. We show that MMG not only provides additional information in terms of spatial representation, but also captures new and yet unknown signals that could be correlates of muscle contraction itself.

Schlüsselwörter

OPM - MMG - EMG - Muskelaktionspotenzial - Charakteristika

Key words

OPM - MMG - EMG - muscle action potential - characteristics

Publication History

Article published online:
25 November 2021

• Literatur

• 1 Hopkins PM. „Skeletal muscle physiology“. Continuing Education in Anaesthesia Critical Care & Pain. Bd. 6, Nr. 1, S 16 Feb 2006
• 2 Brandes R, Lang F, Schmidt RF. Physiologie des Menschen: mit Pathophysiologie. 2. Aufl Springer-Lehrbuch, Springer; Berlin: 2019
• 3 Stålberg E. u. a. „Standards for quantification of EMG and neurography“ Clin Neurophysiol. Bd. 130, Nr. 9, S. 1688-1729 Sep 2019
• 4 Bischoff C. Das EMG-Buch: EMG und periphere Neurologie in Frage und Antwor. 4. Aufl Thieme; 2015
• 5 Jørgensen K, Fallentin N, Krogh-Lund C. et al. „Electromyography and fatigue during prolonged, low-level static contractions“. Europ. J. Appl. Physiol. Bd. 57, Nr. 3, S 316-321 Mai 1988
• 6 Götz-Neumann K. Gehen verstehen: Ganganalyse in der Physiotherapie 4. Aufl. 2015
• 7 Cohen D, Givler E. „Magnetomyography: magnetic fields around the human body produced by skeletal muscles“. Appl. Phys. Lett. Bd. 21, Nr. 3, S 114-116 Aug 1972
• 8 Garg A. Classical Electromagnetism in a Nutshell. Princeton University Press; 2012
• 9 Reincke M. Magnetomyographie mit dem SQUID [Magnetomyography with the SQUID]. Biomed Tech (Berl) 1993 Nov; 38(11) 276-81 German
• 10 Boto E. u. a., „A new generation of magnetoencephalography: Room temperature measurements using optically-pumped magnetometers“. Neuroimage Bd. 149, S 404-414 Apr 2017
• 11 Broser PJ. u. a. „Optically Pumped Magnetometers for Magneto-Myography to Study the Innervation of the Hand“. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. Bd. 26, Nr. 11, S 2226-2230 2018;
• 12 Zhang R. u. a. „Recording brain activities in unshielded Earth’s field with optically pumped atomic magnetometers“. Science Advances. Bd. 6, Nr. 24, S eaba8792 Juni 2020
• 13 Broser PJ, Middelmann T, Sometti D. et al. „Optically pumped magnetometers disclose magnetic field components of the muscular action potential“. J Electromyogr Kinesiol. Bd. 56, S 102490 Nov. 2020.
• 14 Rosenfalck P. „Intra- and extracellular potential fields of active nerve and muscle fibres. A physico-mathematical analysis of different models“. Acta Physiol Scand Suppl Bd. 321, S 1-168 1969;
• 15 Henneberg K-Å, Roberge FA. „Simulation of propagation in a bundle of skeletal muscle fibers: Modulation effects of passive fibers“. Ann Biomed Eng. Bd. 25, Nr. 1, S 29 45. Jan 1997
• 16 Sikdar S, Lebiedowska M, Eranki A. et al. „Measurement of rectus femoris muscle velocities during patellar tendon jerk using vector tissue doppler imaging“. Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. Bd. 2009, S 2963-2966 2009.