肌萎缩侧索硬化的运动单位估数和运动单位数量指数检测技术的研究进展

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肌萎缩侧索硬化的运动单位估数和运动单位数量指数

检测技术的研究进展

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作者：杨天米 曹蓓 商慧芳

       肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一种主要累及大脑和脊髓的运动神经元和锥体束，出现上运动神经元（upper motor neuron，UMN）和下运动神经元（lower motor neuron，LMN）系统同时受累的症状和体征的神经系统变性疾病。本病常为中年起病，以进行性肌肉无力和萎缩、构音障碍、吞咽困难、腱反射活跃和病理征等为特征，预后较差，中位生存期常为3~5年。ALS的LMN的病理改变主要表现为运动单位丢失。运动单位即肌肉收缩产生随意运动的基本功能单位，包括一个脊髓前角细胞或脑干运动神经元及其所支配的全部肌纤维。若能定量分析ALS患者的运动单位数目及其在疾病进展过程中的动态变化，不仅有助于早期诊断疾病，监测疾病进展和预测预后，还有利于探索研究发病机制。

       既往的电生理研究指出，束颤电位（fasciculation potentials）［1］，复合肌肉动作电位（compound muscle action potential，CMAP）和神经生理指数（neurophysiological index）等指标可以反映ALS的LMN损害［2］。但由于在ALS的疾病进展中，随着运动单位丢失，同时存在神经再支配的代偿机制，导致上述电生理技术均不能量化ALS病程中运动单位丢失的真实情况。近年来，随着电生理技术的不断进步，发展了多种定量反映运动单位丢失的运动单位计数相关技术应用于ALS的研究，主要包括运动单位估数（motor unit number estimation，MUNE）和运动单位数量指数（motor unit number index， MUNIX）。本文将对MUNE和MUNIX技术在ALS中的相关研究进展作一综述。

       我们在英文数据库Pubmed、Embase以及Web of Science和中文数据库万方数据库以及中国知网中进行检索。英文检索词包括“amyotrophic lateral sclerosis”“motor neuron disease”合并检索“motor unit number estimation”“motor unit number index”。中文检索词包括“运动神经元病”“肌萎缩侧索硬化”合并检索“运动单位估数”“运动单位数量指数”。发表时间的起始年限不限，截至2020年3月31日，文献类型不限，并对重点文献的参考文献进行人工检索。

       一、MUNE

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       （一）MUNE相关技术的发展

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       为准确估计特定肌肉中运动单位的数目，MUNE技术应运而生并得到迅速发展，形成一个新的电生理领域。MUNE技术的基本原理是：根据运动神经具备不同的兴奋阈值，通过逐渐递增电刺激强度，在目标肌肉上获取连续独立的运动单位电位（motor unit potential，MUP），并用兴奋全部运动单位的某参数如最大CMAP波的波幅或面积除以单个运动单位动作电位（single motor unit action potential，SMUP）相应参数的平均值，得出运动单位的数量（MUNE=最大CMAP波的波幅或面积/SMUP相应波幅或面积的平均值）［3］。McComas在1971年首次提出MUNE的概念并详细记录递增法检测趾短伸肌中运动单位数目的过程［3］。递增法操作简单，对远、近端肌肉均适用，但CMAP波幅的每次递增并不总是代表一个新的运动单位被激活，而可能是多个兴奋阈值相近的运动神经元轴突交替激活的结果［4, 5］。随后，Brown［4］应用多点刺激技术（the multipoint stimulation technique，MPS）改进“交替”问题，MPS所需刺激量小，但要求周围神经表浅且足够长，故在近端肌肉中应用受限。棘波触发平均技术（the spike-triggered averaging technique，STA）也可避免“交替”现象影响，但同时使用针电极与表面电极记录肌肉主动收缩的动作电位，故针电极插入深度以及表面电极记录位置等因素均可能影响测量结果的可重复性［6］。各类MUNE技术的主要差别在于获得SMUP的具体方法不同，直到运用统计学方法（the statistical method，STAT）避免了主观识别SMUP，而是在计算机控制刺激强度递增的过程中，通过泊松分析法［7］或贝叶斯法（Bayesian approach）［8］计算得出MUNE值。STAT更加客观可靠，但专门的计算机软件可能会使其不易推广。

       每种MUNE技术各有优势与缺点，MUNE技术中以上述提到的递增法、MPS、STA和STAT法在ALS中的研究应用较广，且均建立规范操作与标准值［9］。国内学者在MUNE正常参考值及其可重复性研究中同样开展了大量工作，促进了MUNE技术在我国的应用和推广［10, 11, 12］。其中，刘明生等［10］于2008年在ALS患者和健康对照者中采用STAT法检测MUNE，开展可重复性研究，发现该方法具有较好的可重复性，但是在ALS患者中的可重复性低于正常对照；并建议在CMAP波幅较高的肌肉中进行统计法检测MUNE，从而利于随访。郑菊阳等［11］于2010年对80名中国健康人采用MPS法来探寻我国人群的MUNE正常值，发现MPS法检测MUNE可重复性较好。此外，徐迎胜等［12］对60例ALS患者和60名健康志愿者分别采用MPS法和递增法检测MUNE，发现两种方法检测MUNE值的差异无统计学意义，且具备较好的可重复性。随着电生理技术的不断改进，在传统MUNE技术的基础上结合自动化优势，可以连续记录和分析刺激强度递增过程中的肌肉电活动，即复合肌肉动作电位扫描（compound muscle action potential scan，CMAP scan）方法。CMAP scan具有快速、无创、可视化的特点，且能够全面反映LMN相关疾病中运动单位丢失、侧支神经重支配和残存运动神经元功能活动的3个过程［13］。Bostock［14］考虑到全部运动单位之间阈值与波幅的变异性，将记录到的CMAP scan与标准模型拟合比较，称为M波扫描匹配（MScan Fit MUNE， MScan），研究表明MScan操作耗时将进一步缩短到1.5 min，且MUNE值绝对误差小于7%，但由于MScan主要适用于肢体远端肌肉检测，并且需要专门的软件来记录分析CMAP波，可能限制了MScan技术的开展应用［15］。

       （二）MUNE与ALS诊断

       根据目前临床应用最为广泛的修订版EI Escorial诊断标准［16］，ALS确诊的关键是在延髓区域、颈段区域、胸段区域和腰骶段区域寻找UMN和LMN同时受累的证据，而针极肌电图检测到无临床症状的肌肉存在神经源性损害的意义等同于LMN损害的临床症状和体征，所以针极肌电图对于早期诊断和确诊ALS意义重大。但值得注意的是，肌电图是一种主要用于定性判断的有创检查，对操作者技术要求较高，并且在ALS中肌肉受累多呈非均一性分布，而肌电图单次插入针电极所能检测的范围较局限［17］。而MUNE可以定量反映整块肌肉中运动单位丢失的情况，从另一方面提供肌肉失神经，即LMN损害的信息。因此，MUNE在ALS早期的诊断与鉴别诊断方面具有可观的应用前景。

       国内宋红松等［18］使用自动递增法检测MUNE， 发现符合EI Escorial诊断标准确诊级别的ALS患者的大鱼际肌和小鱼际肌的MUNE值显著低于健康人，认为MUNE值有助于ALS的临床诊断。一项评价MUNE对ALS诊断有效性的临床研究，纳入了25例ALS患者和22名健康对照，在检测运动单位丢失的敏感度比较中，发现MPS（76%）和MScan（68%）均优于传统针极肌电图的MUP时程增宽（36%）及波幅增高（40%），使4例ALS患者的诊断级别从Awaji诊断标准中的“可能”提升为“很可能”［19］，这提示MUNE技术有助于提高诊断的敏感度。一项波兰的研究结果也表明肌电图联合MUNE可以提高ALS的诊断级别，在肌力较差的肌肉中，虽然肌电图没有发现异常自发电位，并且MUAP时限和波幅正常，但MUNE出现显著降低，可以提示肌肉为神经源性损害［20］。在无症状超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase， SOD1）基因突变携带者与健康人的随访研究中，未发现两组间相应肌肉的MUNE值存在明显差异。这可能与SOD1基因突变相关的ALS患者的运动单位的丢失模式有关，即可能在患者出现症状前突然出现运动单位的快速丢失［21, 22］。因此，基于MUNE对运动单位丢失检测的高敏感度，有学者建议MUNE可作为ALS诊断和分级的补充工具［19, 20］。

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       （三）MUNE与ALS疾病进展和预后的关系

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       在ALS相关的临床研究中，目前应用较多的评价疾病进展和预后的指标包括：ALS功能评分（ALS Functional Rating Scale，ALSFRS）及其修订版（Revised ALS Functional Rating Scale，ALSFRS-R）、英国医学研究理事会（the UK Medical Research Council， MRC）肌力分级、用力肺活量（forced vital capacity，FVC）等［13， 23］。由于ALS病程中存在侧支神经重支配，这种代偿机制常常导致运动单位丢失超过50%才出现相应部位的肌力下降［24］。因此，在疾病早期，上述反映患者功能的指标常不能敏感、客观地提示病情进展［13］。而MUNE能定量评估运动单位降低，且多项研究结果已证实其具有较好的敏感度与可重复性［9， 23， 19， 25, 26, 27, 28, 29］，为观察ALS疾病进展和评估药物疗效提供客观可靠的参考依据。

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       在纽约州立大学开展的一项肌酸治疗ALS的临床试验中， 首次将MUNE（STAT法）作为次要结局的指标之一，在6个月随访中MUNE下降率达24%，相比于最大自主收缩肌力和ALSFRS分数的下降率更显著，MUNE表现出较好的敏感度，可线性量化ALS的疾病进展过程［26］。Liu等［29］通过MUNE（递增法）对73例ALS患者进行为期1年的随访，发现MUNE值与ALSFRS评分及MRC评分之间均呈正相关，相关系数分别为0.244（P=0.018）和0.554（P<0.000 1）， 且前3个月内MUNE值下降程度较FVC、CMAP波幅、ALSFRS分数和MRC评分总分更为显著，可达基线数据的50.47%，这说明在ALS的疾病早期使用MUNE评估疾病进展更敏感。此外，有研究发现MScan与ALSFRS-R评分有较高的相关性（r=0.597， P<0.05），每月ALSFRS-R评分下降1.9%，MUNE（MScan）降低则可达8.7%，显示其较ALSFRS-R评分更敏感，这有助于更敏感地监测疾病的进展［25］。近年来，Shefner等［27］将递增法与MPS相结合发展为多点增量MUNE，该方法测得ALS患者的MUNE值平均下降率为61.8%/年，较CMAP波幅降率（平均为12.85%/年）和ALSFRS-R评分下降率（平均为3.18%/年）更敏感。另一随访研究同样表明多点增量MUNE值在评估ALS进展中的敏感度优于ALSFRS评分和MRC评分［23］。

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       值得一提的是，上述检测MUNE的多种方法均具有可靠的重复稳定性。如STAT法在肌酸治疗ALS临床试验中的重测变异度小于20%［26］；递增法在ALS患者随访中的变异系数为1.02%~11.55%［29］；在2名测量者对ALS患者和健康对照者进行的不同次检测中，MScan、MPS和MUNIX 3种检查方法的组间相关系数均大于0.94，且MScan的平均变异系数为12.3%，较MPS（24.7%）和MUNIX（21.5%）的一致性更好［28］；多点增量MUNE也具有较高的可重复性，其在ALS患者的多中心研究中的重测变异度仅为9%［27］。并且Shefner等［27］和Jagtap等［23］均认为多点增量MUNE在检测运动单位丢失中不仅具有敏感度高、可重复性好，而且具有耗时短、可操作性强的优势，可作为评估疗效的结局指标。2010年，徐迎胜等［30］对120例ALS患者进行纵向随访研究，发现在随访6个月时采用多点刺激法所得的MUNE数值高于递增法， 在随访12个月时两种检测方法所测得的MUNE值无差异，提示这两种方法检测MUNE均可用于ALS患者的随访研究，但在疾病的不同时期所得数值可以不同。然而，目前尚缺乏直接确定运动单位真实数目的“金标准”，因此多种MUNE技术估计运动单位数目的准确性以及各种技术间的可靠性比较有待进一步研究。但总体来说，MUNE可以敏感、稳定地反映ALS病程中的运动单位进行性丢失，在量化疾病进展与药物疗效评估中具有重要应用价值。

        在对SOD1G93A转基因小鼠的研究中发现MUNE变化的斜率与病程长短显著相关，通过斜率可以预测生存时间［31］。MUNE对ALS患者预测预后研究相对较少，但目前国内外研究结果较为一致，均认为早期MUNE下降较快预示ALS患者的生存期较短［32, 33］。

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       二、MUNIX

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        （一）MUNIX技术

       MUNIX是基于CMAP和表面肌电图干扰相（surface electromyographic interference pattern， SIP）建立数学模型，以指数（index）形式反映运动单位数目变化的电生理指标［34］。相比于传统MUNE技术，MUNIX具有可操作性强、耗时短、无创、所需电刺激小、适用于远近端肌肉等突出优势［35］。但MUNIX技术仍存在一些局限性，如检查过程中需要受试者主动完成相应靶肌肉的动作，故不适用于肌力太差或者配合较差的受试者。此外，肌肉萎缩严重时，尤其是当CMAP波幅低于0.5 mV时，误差明显增大，不适合进行MUNIX检查［36］。但是在MUNIX的计算过程中，该技术还可以产生一种反映运动单位大小的指数（motor unit size index，MUSIX），结合MUNIX结果进行分析将有助于理解下运动神经元发生的病理生理变化［37, 38, 39］。研究发现MUNIX和MUSIX在正常人中的平均变异系数分别为17.5%和13.5%，组间相关系数分别为0.76和0.73，显示MUNIX和MUSIX结果均具有较高的可重复性［37］。在27家中心的真实世界研究中，对检查者进行规范化培训后，用MUNIX研究健康人群，发现MUNIX的变异系数与CMAP波幅相似，表明多中心的不同检查者之间检测的MUNIX结果具有较好一致性，可进行推广应用［40］。最新一项MUNIX和MUSIX的研究招募了大样本不同年龄段的成年健康志愿者，研究结果表明MUNIX和MUSIX在各个年龄段的可重复性好，对5块肌肉（拇短展肌、小指展肌、肱二头肌、胫骨前肌和斜方肌）建立了MUNIX和MUSIX的正常参考值范围，这将进一步促进MUNIX的临床应用［39］。

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       （二）MUNIX与ALS诊断MUNIX是在MUNE基础上发展起来的新的运动单位数目检测技术，在ALS诊断方面也具有较高的应用价值。

       近年来，日本一项纳入26例ALS患者和29例疾病对照者（胶原蛋白病或不明原因的感觉症状就诊者）的研究发现，在ALS患者肌力正常的肌肉中，MUNIX的失神经检出率为88.9%， 明显高于传统肌电图的检出率（22.2%）［17］；通过受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic，ROC）曲线分析发现，MUNIX用于鉴别诊断ALS患者和对照者的敏感度为94%，特异度为100%。该研究提示MUNIX可以在临床和肌电图均无异常的肌肉中发现肌肉失神经改变，有助于ALS患者的早期诊断。但该研究仅检测了第一骨间肌，未检测更多的肌肉，研究数据较少，对照组未设置易与ALS混淆的疾病，故有待未来更多的临床实践和研究来进一步支持MUNIX的早期诊断价值。

       分裂手现象被视为ALS的重要疾病特点［41］，即在ALS患者中， 常优先累及手内肌的大鱼际肌群，包括拇短展肌和第一骨间肌，而包括小指展肌在内的小鱼际肌群则相对豁免。Kim等［41］将MUNIX应用于ALS患者的分裂手现象进行研究，计算并比较基于MUNIX和CMAP所测得的分裂手指数（split-hand index， SI），即SIMUNIX和SICMAP。ROC曲线分析结果表明在鉴别ALS患者与健康人时，SIMUNIX（敏感度为95%，特异度为84.6%）的诊断价值优于SICMAP（敏感度为85%，特异度为79.5%），提示SIMUNIX有助于ALS的早期诊断。此外，有研究发现，在鉴别ALS与肌萎缩型颈椎病时，SIMUNIX的ROC曲线下面积比SICMAP更大（0.865比0.705，P<0.05）， 所以将MUNIX应用于分裂手将有助于早期鉴别诊断ALS与其他类似ALS的疾病［42］。

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       （三）MUNIX与ALS疾病进展以及随访研究选择敏感可靠的指标反映疾病进展和药物疗效，对于药物临床试验至关重要。近年来多项研究已经证实MUNIX可作为监测ALS疾病进展的电生理标志物［43］。Neuwirth等［44］首次将MUNIX应用于ALS的多中心纵向研究，对51例ALS患者的6组远、近端肌肉进行MUNIX检查并随访15个月，结果表明，MUNIX每月降低率较ALSFRS-R明显（3.2%比2.3%，P<0.02）；在延髓起病、上肢起病以及下肢起病的不同亚组间，ALSFRS-R每月下降1.9%~2.8%不等，而MUNIX每月降低率稳定在3.2%左右。因此，MUNIX可以更敏感、可靠地反映ALS不同亚型的病程发展。另一项研究选择ALS患者肌力正常的肌肉进行随访，发现在出现肌力下降前，MUNIX 每月下降均值可达5%；随着疾病病情加重，相应肌肉受累出现肌力下降后，MUNIX每月下降均值为5.6%，显著高于ALSFRS-R和CMAP的降低程度（P=0.024）［45］，说明MUNIX可以敏感地反映亚临床阶段的疾病进展。

       Nandedkar等［46］对13例ALS患者的双侧小鱼际肌进行1年的随访研究，发现相比于基线资料，在CMAP波幅降低仅为8%的肌肉中，已经可以检测到MUNIX值显著降低32%，且MUSIX增加50%；在CMAP波幅快速下降的肌肉中，发现CMAP波幅的下降幅度（58%）基本平行于MUNIX（65%）和MUSIX（76%）的变化幅度。国内一项研究结果显示，在ALS患者的三角肌、小指展肌、股四头肌和胫骨前肌中，所检出的MUNIX数值异常率均显著高于相应神经的CMAP波幅异常率［47］。现有研究证据充分表明MUNIX技术可以敏感地反映运动单位丢失和神经重支配，适用于不同进展速度的ALS患者的纵向随访。

       MUNIX不仅可以敏感地反映疾病的进展，也可以展示出较好的可重复性和稳定性。在Neuwirth等［44］开展的ALS多中心纵向研究中，发现不同检查者间MUNIX值的平均相关系数为0.89，同一检查者的不同检查次间MUNIX值的平均相关系数为0.80。德国一项纳入30例ALS患者的MUNIX可重复性的研究发现，MUNIX的组间相关系数≥0.946，且变异系数为13.90%~32.95%，提示MUNIX可重复性好，可以用于跟踪ALS的疾病进展［48］。为进一步提高MUNIX的可重复性，Escorcio-Bezerra等［49］对ALS病例组和健康对照组的胫骨前肌、拇短展肌和小指展肌进行MUNIX检测，该研究对每块肌肉进行3次测定并计算出MUNIX的平均值，发现平均MUNIX值相比单次MUNIX值的变异系数更小。尽管采用该方法可能耗时相对较长，但平均MUNIX可以使研究结果更可靠。

       三、局限性

       用于定量检测运动单位数目变化的多种MUNE技术不断改进，检测结果更加客观、敏感、可靠，MUNIX技术弥补了传统MUNE技术的许多不足，具有早期、快速、可重复性好、肢体远近段肌肉均适用的突出优势。需要注意的是，MUNE和MUNIX也有一些应用的局限性，如不同MUNE技术检测的MUNE值有差异，而且大多数的MUNE检测方法操作较费时，部分方法受限于肌肉在肢体远近端的分布或检测设备、分析软件的特殊要求，运动轴突交替激活也可能会使MUNE值重复性降低。MUNIX在检测过程中，调整电极位置获取最大CMAP波幅以及在准确采集SIP的过程中对检查者的操作技术和受检者的皮肤温度都有一定的要求，不适用于萎缩较重的肌肉（CMAP波幅低于0.5 mV）或配合较差的受检者［36］；另外，MUNIX也不适用于评估肌源性CMAP波幅降低的肌肉疾病［50］。

       因此，在临床实践和科学研究中需考虑到各种检测技术的应用特点，结合自身实际情况和研究目的进行合理选择。

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       四、总结与展望

综上所述，越来越多的研究证据表明MUNE尤其是MUNIX技术可以精准量化运动单位的进行性丢失，即为ALS病程中的LMN变性提供直接信息，这对深入探索ALS的病理生理机制、早期诊断与鉴别诊断、观察疾病进展及判断预后均有重要的提示作用，在评估药物疗效的临床试验中具有重要得参考价值和应用前景。

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原文链接：【综述】肌萎缩侧索硬化的运动单位估数和运动单位数量指数检测技术的研究进展

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