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神經電生理檢查的二三事:神經解剖學與生理學


神經電生理檢查 Electrodiagnostic studies EDX 是復健科常見的檢查方式,關於 EDX 的簡介可以參考:到底在電什麼,神經電生理檢查。要透過 EDX 達到診斷需要對基礎的神經解剖與電生理學有基本的知識。EDX 主要由兩大部分組成:神經傳導檢查 NCVs 與肌電圖檢查 EMG,要做好 NCS 需要對於周邊神經的分佈與其所支配的肌肉有一定程度的了解,而在 EMG 中要對於肌肉大致的解剖結構有一定的了解才能做出對的檢查。下文圖片取自 Electromyography and Neuromuscular Disorders 與復健及物理醫學。


解剖學

EDX 主要是用來檢查周邊神經系統 Peripheral nervous system, PNS 但是也可以鑑別這個問題到底是周邊還是中樞 Central nervous system, CNS 來的問題。PNS 與 CNS 的嚴格定義是來自他們周邊的支持細胞 Supporting cell,PNS 主要是 Schwann cells 許旺式細胞CNS 主要是 Glial cells 神經膠細胞

傳統上會將 PNS 定義為:

  • Nerve roots 神經根

  • Peripheral nerves 周邊神經

  • Primary sensory neurons 感覺神經元

  • Neuromuscular junctions (NMJs) 神經肌肉連結

  • Muscles 肌肉

簡單來說就是神經離開中樞系統之後(腦與脊髓)就算是周邊神經系統。雖然運動神經元 Primary motor neuron 位在脊髓的前角細胞 Anterior horn cell,一般來說也會將其納入 PNS 中。此外,第 3 到 12 對腦神經也被歸類為 PNS 的一部分,差別在於它們的運動神經元本體是在腦幹而非脊髓。

運動神經元 Primary motor neuron 源自在脊髓腹側灰質 Ventral gray matter 的前角細胞 Anterior horn cells,往腹側通過白質 White matter 之後穿出脊髓成為運動神經。和運動神經元不同,感覺神經元 Primary sensory neuron 位在脊髓外接近椎間孔 Interverterbral foramen的背根神經節 Dorsal root ganglion, DRG 會由脊髓的背側進入並傳導至大腦。由於 DRG 的位置不在脊髓內,所以在 DRG 之前與之後的受損會有不同的電生理學表現可以鑑別。

感覺神經跟與運動神經根會在 DRG 的遠端結合在一起變成混合的脊神經 Spinal nerve。依照脊椎的位階,總共有 31 條脊神經(頸 8 胸 12 腰 5 薦 5 尾 1)。

匯集成脊神經之後會再分枝出背支 Dorsal ramus 與腹支 Ventral ramus,和背根與腹根不同,背支與腹支同時具有感覺神經與運動神經纖維

背支會往後跑去支配該節脊椎旁邊的感覺與脊椎旁的肌肉 Paraspinal muscles腹支則隨著不同節段脊椎而有所不同:

  • 下頸椎與上胸椎(C5-T1):匯集形成臂神經叢 Brachial plexus

  • 胸椎:形成肋間神經 Intercostal nerve

  • 中段腰椎與薦椎:形成腰薦神經叢 Lumbosacral plexus

在神經叢的位階這些脊神經會彼此混合再重組成不同的周邊神經去支配肌肉與肌肉附近的感覺。所以來自同一個神經根的運動神經會支配不同的肌肉,來自同一個神經根的感覺神經也會支配不同位置的感覺。下圖可以看到從 C5 出來的脊神經最後分支出去之後會支配許多不同的肌肉(二頭肌 Biceps、三角肌 Deltoid、肱橈肌 Brachioradialis 等等)。

所有受到同一節神經根支配的肌肉稱之為肌節 Myotome受到同一節神經根支配的感覺區域稱之為皮節 Dermatome,這個在評估脊髓損傷的患者的受傷位階很常使用。

下面是脊髓損傷常用的評估表格,裡面就有提到 C5 神經根負責支配手肘的屈肌 Elbow flexor,但是要注意到身體的各個周邊神經通常都不會單純由單一神經根支配,所以通常發生在越靠近脊椎位置的病灶不太容易造成完全的感覺或力量喪失。舉例來說,如果 C6 的神經根受損會導致二頭肌 Bicpes 的力量下降,但因為 Biceps 同時也由 C5 神經根支配,所以不會看到完全無力的狀況。相反的,如果發生在越遠端或是越周邊的神經,那可能就會出現某動作顯著的無力或感覺異常,因為很多的皮節或肌節都會受到影響。

從微觀來看神經與肌肉的解剖可以發現大致上都可以由外到內將其分為三個層次。神經可以

分為:

  • Epineurium 神經外膜:最外層的結構,與脊髓的硬膜相連

  • Perineurium 神經束膜:第二層結構,包裹在神經束的外圍

  • Endoneurium 神經內膜:最內層結構,包在神經纖維外

負責支配神經的血管就走在 Perineuriun 之間提供神經細胞養分。上面三層的結締組織共同提供神經一定的張力,大約可以承受 20-30 kg,但在神經根的附近準備進入脊髓的部位則是最脆弱的,大約只能承受 2-3 kg 的重量所以也容易因為一些外傷導致的拉扯而受傷。

圖片取自網路

和神經細胞相似,肌肉細胞的分層主要也有三層:

  • Epimysium 肌外膜:最外層結構,包裹在整束肌肉外圍

  • Perimysium 肌束膜:第二層結構,包裹在肌束外圍

  • Endomysium 肌內膜:最內層結構,包裹在單一肌肉纖維之外


生理學

神經有點像是電線一樣,傳遞著電訊號,但神經是透過一連串的電化學反應的傳導這些電訊號,下面簡單敘述一下這個電流的傳遞機制是如何達成以及一些名詞的介紹。


靜止膜電位

神經細胞有所謂的膜電位,也就是細胞膜內外的電位差。這個電位差主要是由細胞膜的通透性與上面的鈉鉀離子幫補共同維持。神經細胞膜對於帶電荷的離子是個半透膜,帶負電的大分子則完全無法穿透。鈉鉀幫補則是一個主動運輸的幫補,會將三個鈉離子運出細胞而兩個鉀離子運入細胞,在靜止膜電位時,細胞膜對鈉離子是相對不通透的,因而產生一個外正內負(細胞內鈉離子少鉀離子多)的狀況。一般來說靜止膜電位約在 -70 mV 若是相對遠端的神經則約 -90 mV。


動作電位

接下來就要講到造成神經衝動的動作電位的行程。動作電位的形成主要是和細胞膜上對電壓敏感的鈉離子通道有關。當神經受到一個電流刺激時將原本的膜電位提高(約 10-30 mV)去極化達到閥值的話(約 -55 mV)就會誘發鈉離子通道開啟,因為原本鈉離子在細胞外的濃度就比較高,而且膜內的電位是低的,所以兩者都會促使鈉離子大量流入細胞內導致膜電位急劇上升產生所謂的動作電位。反之,如果細胞的去極化無法使膜電位達到閥值,就無法產生不會有動作電位的產生。這就稱之為全有全無律(All or None),而不論大小,只要達到閥值,產生的動作電位大小是固定的

由於鈉離子通道的開啟有時間性,大約經過 1-2 ms 後就會關閉,此時就進入所謂的不反應期(Inactivation period)。不反應期分為兩種,一種為絕對不反應期,一種為相對不反應期,前面所指是的絕對不反應期,因為在這個階段無論刺激再大也無法產生動作電位,而相對不反應期會發生在過極化的階段。和鈉離子通道相同,去極化時鉀離子通道也會開啟,但開啟的時間較鈉離子通道來的晚且慢,當鉀離子通道打開時鉀離子會流出細胞配合鈉離子無法流入而使得細胞膜電位趨向於負值,這個過程稱之為再極化(Repolarization)。事實上,再極化的過程中細胞膜電位會降至低於 -70 mV,稱之為過極化(hyperpolarization),也就是所謂相對不反應期,這是因為鉀離子通道關閉的時間比較慢導致過多的鉀離子流出細胞使膜電位下降到靜止之下,最後再利用鈉鉀幫浦將細胞內外兩種離子濃度調回休息狀態使細胞膜電位又回到靜止膜電位

下面的圖表雖然很舊,但是我覺得可以很好地理解這些離子通道的作用。實際上電壓敏感的鈉離子通道有兩個門閥而鉀離子通道只有一個。在靜止狀況下時,Activaiton gate 呈現關閉而 Inactivation gate 呈現開啟的狀態,此時鈉離子是無法流入細胞。當動作電位產生的時候 Activaiton gate 會開啟,此時鈉離子大量流入細胞導致去極化,在這一開始的時候鉀離子通道尚未開啟。鈉離子通道的 Activaiton gate 開啟時間雖然較長(約 15 ms)但 Inactivation gate 的關閉時間卻很快(約 1 ms),所以在去極化不久後鈉離子便無法流入,剩下開啟和關閉都比較慢的鉀離子通道讓鉀離子流出細胞導致再極化。

圖片取自小小整理網站 SMALLCOLLACTION


神經傳導速度

神經傳導速度基本上符合大小原則,直徑越大的神經傳導速度越快。另一個會影響到傳導速度的結構是包裹在神經外的髓鞘。神經髓鞘細胞是由許旺式細胞所構成,在所有快速傳導的纖維中都可以看到。一個單一的許旺式細胞會纏繞在神經纖維的外側,被纏繞的部分稱為節點(Internode),沒有被纏繞的部分則是蘭氏結(Nodes of Ranvier)。動作電位只會在蘭氏結產生,所以稱之為跳躍式傳導(Saltatory conduction) ,可以增加傳導速度。沒有被髓鞘包覆的神經細胞傳導速度就會比較慢,約為 0.2-1.5 m/s,有髓鞘包覆的神經細胞則是 35-75 m/s


運動單位 Motor Unit

一條神經纖維到末端會進行分支,支配到下面的許多肌肉。從這條運動神經元位在脊髓前角細胞的本體到軸突以及下面所連接的所有神經肌肉統稱為一個運動單位。當這條神經被去極化產生動作電位時,整個運動單位的肌肉都會一起收縮,同樣是一種全有全無律。而在 EDX 上就會產生一個運動單位動作電位 Motor unit action potential (MUAP),分析它的波形是肌電圖檢查中很重要的一環。


神經肌肉連結 Neuromuscular Junction, NMJ

在神經纖維進入肌肉細胞時,中間還有一個構造稱之為神經肌肉連結。這個構造簡單來說是個電化學連結,由兩個膜所組成(一個在神經末梢,一個在肌肉表面),中間稱為所謂的突觸間隙(synaptic cleft)。當動作電位傳導至 NMJ 時會引發大量的鈣離子流入,而鈣離子濃度提高會導致乙醯膽鹼被胞吐出來。當乙醯膽鹼連接到突觸後的受器時,如同神經一樣就會導致鈉離子流入肌肉細胞產生去極化。當這個過程達到閾值時就會引發肌肉細胞的動作電位並且導致後續的肌肉收縮。



分類

神經的分類方式有很多種,最常見的有以下的分類法:

  • 是否有髓鞘包覆

  • 體神經或自律神經

  • 運動神經或感覺神經

  • 直徑大小

這些分類法有些直接和 EDX 的檢查結果有關,例如上面提到的有沒有髓鞘包覆以及神經直徑的大小都會直接影響到傳導速度。大的神經且有髓鞘包覆的傳導速度最快,也是我們做 NCS 神經傳導檢查中檢查到的神經。直徑小但有髓鞘包覆的神經(Aδ, B fiber)與沒有髓鞘包覆的神經(C fiber)通常是用來傳遞自律神經的訊息、疼痛與溫覺感受。這些神經是不會在常規 EDX 中被檢查,因為透過電刺激我們會先看到的是傳導速度快的神經。所以 EDX 檢查可能無法檢查出一些只影響小神經的疾病。

例行性的感覺神經傳導檢查主要是記錄那些在表皮的感覺神經,這些神經的傳導速度其實和下面的運動神經傳導速度接近,所以在判讀的時候要特別注意。

周邊神經系統中,最粗最快速的 Aα fibers(Ia fibers) 其實是不會被記錄到的,這些神經存在於肌梭中去調控牽張反射,只有在混合神經檢查(mixed nerve studies) 中才會被檢查到,因為只有在這個檢查時會刺激到整條混合神經。因為這類神經的直徑最粗最大,所以對於一些病灶的表現也是最早(神經壓迫如腕隧道症候群等)。


紀錄

在 EDX 檢查中,我們所記錄的都是細胞外的電位變化NCVs 是記錄神經細胞的電位變化,通常是使用表面電極來做紀錄。EMG 則是記錄肌肉細胞的電位變化,通常是透過針極電極的方式來做紀錄。Volume conduction 體積傳導效應指的是細胞內的電位傳導至細胞外的過程,主要可以分為 Near-field 與 Far-field potentials 兩種。Near- field potentials 只可以在這些電位變化的來源被偵測到,偵測的結果也和電位變化來源(動作電位)和記錄電極(Recording electrodes)之間的距離有關。基本上要看到 Near-field potentials 的前提是紀錄電極必須要在動作電位產生的位置附近,越靠近所記錄到的波幅(Amplitude)就越大。在 EDX 中我們紀錄的:

  • 複合肌肉動作電位 Compound muscle action potentials, CMAP

  • 感覺神經動作電位 Sensory nerve action potentials, SNAP

  • 運動單元動作電位 Motor unit action potentials, MUAP

都是屬於 Volume-conducted near-field potentials,在神經傳導檢查中我們主要看 CMAP 與 SNAP 兩種電位而肌電圖檢查則是看 MUAP。CMAP 和 SNAP 的差異在於一個是紀錄電極下方所有肌肉纖維的動作電位,另一個是紀錄電極下所有感覺神經纖維的動作電位。CMAP 和 MUAP 的差別在於 CMAP 是由很多個 MUAP 共同組合而成的結果。MUAP 是指該運動單元內所有的肌肉纖維的動作電位經過時間與空間加成產生的結果。但因為一個運動單元所支配的肌肉纖維通常是分散的(避免單一運動單元受傷後整個區域都失去功能),所以其實通常 MUAP 呈現的是一至兩個肌纖維的動作電位

這些波形的特徵會隨著紀錄電極和動作電位產生處的相對位置有關。一般來說這些波會呈現三個相位 Triphasic waveform 分別對應到動作電位接近、穿過、遠離紀錄電極的三種狀態。

在 EDX 中我們將正定義為向下,而負定義為向上,至於原因為何 Dr. M 自己也不太知道,但我認為這和前面提到我們實際紀錄的是細胞外的電位但我們想知道的其實是細胞本身的電位變化有關。在紀錄端我們所看到的結果是神經去極化後經過 Volume conduction 而來的。

在第一個正向波 Initial positive wave 出現的時候我們認為這時就是動作電位首先達到紀錄電極的時刻,這也是我們用來測量 Onset latency 的起始點。在一些感覺神經傳導檢查中,一開始的這個正向波未必會出現,那就以一開始出現的負波當作動作電位開始的時間點。

如果我們的紀錄電極準確地擺放在動作電位產生的位置也就是所謂的 Motor point(神經細胞進入肌肉細胞的位置),因為去極化就發生在那個位置,所以一開始就會出現負波(下圖上)而沒有正波的出現。相反的如果紀錄電極並沒有在動作電位產生的正上方,那一開始就會出現一個初始正波 Initial positive deflection 後面接續典型的三相波(下圖中),如果去極化產生在遠端而且都沒有經過我們的紀錄電極,那就只會產生一個小小的正波(下圖下)。

另外一種 Volume-conducted potential 就是 Far-field potential。Far-field potentials 指的是傳導較廣且即時的電位訊號。通常兩個紀錄電極,一個距離訊號較近一個較遠,兩者會同時接收到一樣的訊號。通常是在做 Evoked-potential studies 時才比較會考量,但在一般的 NCSs 中有些時候也很重要。像是在所有 NCSs 檢查一開始都會看到一個刺激假象 Stimulus artifact 就是 Far-field potential 的例子。下圖是 Median nerve motor study 的截圖,上面是刺激在手腕的部位,而下面則是 Antecubital fossa 也就是手肘附近。後面所記錄到的 CMAP 的 Onset latency 就不同,因為刺激位置的不同,但在最一開始的一正向波在兩者上都是相同的,這些和距離無關的電位變化通常都是所謂的 Far-field potentials。



總結

這個章節是 Barbara 的第二章,主要在講述基本的神經解剖與電生理學。在執行 EDX 檢查的時候需要對基本的神經電生理與解剖學有一定的了解,才不會不知道自己到底在操作什麼。比較重要的一點應該是要理解呈現在 NCS 或是 EDX 上的東西代表的意義為何,例如:CMAP、SNAP、MUAP 彼此之間的差異是什麼,以及一些波型所代表的意義為何。若要探究店生理的細節,其實還有很多的學問,Dr. M 自己說實在也沒有完全搞懂,但是大致了解這個章節的內容,應該對於檢查上是綽綽有餘。


Dr. M 我們下次見!


References

1. Preston DC, Shapiro BE. Electromyography and Neuromuscular Disorders E-Book: Clinical-Electrophysiologic-Ultrasound Correlations: Elsevier Health Sciences; 2020.

2. 復健及物理醫學 第二版


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