P.D.L. Kuypers – Magnetoneurografic evaluation of peripheral nerve regeneration

Summary:

In the study underlying this thesis peripheral nerve regeneration was examined in a rabbit model based on a Magnetoneurografic (MNG) recording technique. First it was demonstrated that the signals measured with the MNG technique are far more reproducible than those measured with the conventional Electroneurografic technique and that they can be used to quantify the number of functional neuronal units in a nerve.

Subsequently, the MNG technique was used to study nerve regeneration in the rabbit. For this purpose the common peroneal nerve was unilaterally transected and reconstructed and MNG signals were measured after various regeneration times with a maximum of 36 weeks. The MNG signals were measured in the reconstructed nerve at 40 mm proximal to the anastomosis while stimulating the nerve at 10 mm proximal and distal to the anastomosis; signals from the intact contralateral nerve served as control values. Stimulation in the proximal segment should thus yield the percentage of excitable neuronal units, whereas stimulation in the distal segment gives the fraction of excitable neuronal units that regenerated across the anastomosis. Prior to the recording operation, functional recovery was measured for each animal using the toe-spread test. Furthermore the number of myelinated axons in the proximal segment of the reconstructed nerve and in the contralateral nerve was counted histologically after 20 weeks of regeneration time.

The results demonstrate that the motor function starts to recover after 6 weeks of regeneration time. The signals measured when stimulating the distal segment increase from absent to 20% of those measured from the contralateral nerve, between 4 and 12 weeks after the reconstruction. The correlation between these changes is statistically significant. This led us to the conclusion that measuring MNG signal amplitude while stimulating the distal segment of a reconstructed nerve is a suitable method to predict, in an early stage, eventual functional recovery.

The signal amplitude measured after stimulation in the proximal segment decreased after the reconstruction, to reach approximately 45% of the amplitude measured from the control nerve after 8 weeks of regeneration time. From then on, the amplitude did not increase significantly till the end of the experiment at 36 weeks after the reconstruction. The CV decreased in the first 8 weeks after the reconstruction to approximately 65% of the value measured from the control nerves. The correlation between the decreases in the signal amplitude and in CV during the first 8 weeks after the reconstruction is statistically significant. This can be explained by the decrease in axon diameter known to occur during the nerve regeneration phase.

Between 8 and 12 weeks the CV increases to normal values again. During that period, changes in CV parallel those in functional recovery, such that the correlation between the CV and the functional recovery from the 8th week on is statistically significant. This relation seems to be due to the increasing axon diameter caused by the maturation of the neuronal units which reach their target organs.

At 20 weeks after the reconstruction the histological axon count in the proximal segment of the transected nerve had decreased with approximately 5% when compared to the axon counts in the contralateral control nerve. Thus 95% of the initially available neuronal units will remain viable after the transection and reconstruction. This is in contrast to the decrease in MNG amplitude measured from the proximal segment which suggests a major loss in number of functional neuronal units after the transection.

The discrepancy between the changes in CV and MNG amplitude from the 8th week on is surprising, since the increase in axon diameter, which causes an increase in CV, should theoretically also result in an increase in signal amplitude. We put forward the hypothesis that the MNG signal amplitude is decreased due to a growing number of neuronal units in the proximal segment which loose their signal conducting capability while remaining histologicaliy viable. This decrease cancels out the expected increase in signal amplitude due to the increase in axon diameter caused by maturating neuronal units. Therefore theoretically the eventual functional recovery after reconstruction of a transected nerve may be improved by reducing the number of neuronal units loosing their signal conducting capability.

Samenvatting:

Voor dit promotie onderzoek is de perifere zenuwregeneratie in het konijn bestudeerd. Hiervoor is gebruik gemaakt van een Magnetoneurografische (MNG) meetmethode. Ais eerste is gedemonstreerd dat de signalen gemeten met behulp van deze MNG meetmethode veel reproduceerbaarder zijn dan de signalen gemeten met behulp van de electroneurografische (ENG) meetmethode. Deze MNG signalen kunnen gebruikt worden om een schatting te maken van het aantal functionele neuronale eenheden in een zenuw.

Om perifere zenuwregeneratie te bestuderen werd een konijn model gekozen. De regenerate werd met behulp van de MNG meetmethode geevalueerd. Hiervoor werd de nervus peroneus communis unilateraal doorgesneden en microchirurgisch gereconstrueerd. De MNG signalen werden gemeten na regeneratietijden oplopend tot 36 weken na de reconstructie.

De zenuw werd gestimuleerd op 10 mm proximaal, resp. distaal van de reconstructie, waarbij de signalen telkens werden gemeten op 40 mm proximaal van het stimulatie punt. Tevens werd het signaal gemeten van de contralaterale controle zenuw. Juist voordat de konijnen onder narcose gingen werd het functieherstel geëvalueerd met behulp van de “toe-spread test”. Van de konijnen uit de groep met 20 weken regeneratietijd zijn, na de metingen, het aantal gemyeliniseerde axonen histologisch bepaald in het proximale segment van de gereconstrueerde zenuw en vergeleken met het aantal gemyeliniseerde axonen in de contralaterale controle zenuw.

De resultaten tonen aan dat na 6 weken regeneratietijd het functieherstel begint. In de periode tussen 4 en 12 weken na de reconstructie neemt de amplitude van de signalen gemeten na stimulatie van het distale segment toe van nul tot 20% van de signalen gemeten van de controle zenuw. De correlatie tussen de veranderingen in functie en signaal amplitude zijn statistisch significant. Hieruit hebben wij geconcludeerd dat de MNG meetmethode gebruikt kan worden om het uiteindelijke functieherstel al kort na een perifere zenuwreconstructie te voorspellen.

De amplitude van de signalen gemeten na stimulatie van het proximale segment verminderen, gedurende de eerste 8 weken na de reconstructie, in toenemende mate tot ongeveer 45% van de amplitude gemeten van de contralaterale zenuw. In de periode tussen 8 en 36 weken na de reconstructie blijft de amplitude ongeveer 45% van die van de controle zenuwen. De geleidingssnelheid van de axonen in het proximale segment daalt ongeveer 35% in de eerste 8 weken na de reconstructie. De afname in signaal amplitude en geleidingssnelheid in het proximale segment gedurende deze 8 weken zijn statistisch significant gecorreleerd. Dit kan verklaard worden door een afname van de diameters van de axonen in het proximale segment welke in het distale segment aan het ingroeien zijn.

Acht weken na de reconstructie begint de functie te herstellen. Dit gaat gepaard met een herstel in geleidingssnelheid in het proximale segment. De functie en de geleidingssnelheid bereiken beide normale waarden en zijn in de periode van 8 tot 36 weken na de reconstructie statistisch significant gecorreleerd. Dit kan verklaard worden door een toename, in het proximale segment, van de diameters van de axonen welke distaal een doelorgaan bereikt hebben en zijn gaan matureren.

Twintig weken na de reconstructie is, histologisch, het aantal gemyeliniseerde axonen in het proximale segment met 5% afgenomen ten opzichte van de contralaterale controle zenuw. Van de initieel aanwezige axonen was dus na de transsectie en

reconstructie nog 95% histologisch onveranderd aanwezig. Dit in tegenstelling tot de amplitude van de met behulp van het MNG gemeten signalen, welke met 55% waren afgenomen.

De discrepantie tussen de veranderingen in signaal amplitude en geleidingssnelheid is verrassend, met name omdat een verandering in axondiameter welke een verandering in geleidingssnelheid veroorzaakt, een veel grotere verandering in signaal amplitude zou moeten veroorzaken. Wij poneren de hypothese dat de vermindering in signaal amplitude gemeten van het proximale segment met behulp van de MNG, wordt veroorzaakt doordat in de tijd dat een deel van de axondiameters toeneemt door maturatie ten gevolgen van het berijken van een doelorgaan, er ook een groot aantal axonen in de proximale segment hun signaal geleidende kwaliteit verliezen. Hierdoor wordt de verwachte toename in signaalamplitude tgv de maturatie, teniet gedaan door de uitval van andere axonen. Theoretisch zou het uiteindelijke functieherstel na perifere zenuw reconstructies kunnen worden verbeterd door deze uitval in geleidingsfunctie te verminderen.