Stručná história elektromyografie a vodivostných štúdií

Vodivostné štúdie a elektromyografia sú v súčasnosti už osvedčené elektrofyziologické techniky, ktoré sú kľúčové v diagnostike neuromuskulárnych porúch. Ich ranný rozvoj bol úzko spojený s objavom elektriny. Tento vzťah bol odvodený z historických pozorovaní efektu elektrického prúdu na telá zvierat a objav, že nervy a svaly môžu byť zdrojom elektriny.

Ako zdroj elektrického náboja sa pôvodne používali trecie stroje (elektrostatické generátory), avšak na dôkladný výskum bol potrebný spoľahlivejší zdroj náboja. Tento prišiel s objavom s takzvanéj Leydenovej nádoby v polovici osemnásteho storočia nezávisle pánmi Dean vo Kleist a Petrus van Messchenbroek v Leidene.

Typický dizajn pozostával so sklenenej nádoby s cínovou fóliou na vnútornom a vonkajšom povrchu. Cínové vrstvy nedosahovali hrdlo nádoby aby nedochádzalo k prenosu náboja medzi jednotlivými fóliami. Kovová elektróda prechádzala cez hrdlo nádoby a s vnútornou fóliou bola spojená visiacou retiazkou čím mohlo dôjsť k jej nabitiu. Zdrojom náboja vnútornej fólie bol trecí stroj, pričom vonkajšia fólia bola uzemnená. Vnútorná a vonkajšia fólia ukladali rovnako silný, avšak opačný náboj a po ich spojení dochádzalo k toku elektrického prúdu. Na výskume Leydenovej nádoby sa podieľal aj jeden zo „zakladajúcich otcov“ Spojených štátov Amerických Benjamin Franklin, ktorý prispel k vylepšeniu tejto novej technológie. Leydenova nádoba dala fyziológom spoľahlivejší nástroj na uchovávanie a generovanie elektriny. Je považovaná za predchodcu súčasných kondenzátorov.

Luigi Galvani (1737-1798) bol profesorom anatómie na univerzite v Bologne. Jedného dňa počas pitvy žaby experimentoval jeho kolega neďaleko s Leydenovou nádobou a zhodou okolností iskra z kondenzátora preskočila v tom istom momente ako sa dotkol nervu kovovým skalpelom. Svaly pitvanej žaby sa otriasli silným kŕčom. Pôvodne si myslel, že to bolo spôsobené mechanickým podráždením nervu. Svoje pozorovanie zverejnil v roku 1791. Veril, že elektrina bola generovaná telom a nervové tkanivo fungovalo ako vodič. Tento fenomén nazýval „zvieracia elektrina“. Veril, že tukový obal nervov ich robí dobrými vodičmi a tak ako Leydenova nádoba môžu svaly prijať zvieraciu elektrinu.

Vážny vedecký spor sa rozvinul medzi Galvanim a Alessandrom Voltom (1755-1832). Volta pochyboval o biologickom pôvode fenoménu a argumentoval za jeho čisto fyzikálny pôvod.  Podľa neho elektrina v Galvaniho experimente prúdila medzi dvomi rôznymi kovmi. Ukázalo sa, že Volta mal pravdu. Elektrina prúdila medzi mosadznými hákmi na ktorých bola natiahnutá žaba a železným rámom a žabie telo poskytlo elektrolyty. Volta v tom čase pracoval na tzv. voltovom stĺpe. Pozostával zo sústavy striedavo poukladaných zinkových a strieborných diskov, ktoré boli oddelené látkou namočenou do soľného roztoku. Volta bol schopný vyrobiť stabilný zdroj elektriny, ktorý postupne nahradil Leydenove nádoby. Galvani vo výskume pokračoval a so svojim synovcom v roku 1794 ukázal, že svalová kontrakcia nastane aj bez prítomnosti kovov, keď sa koniec ischiatického nervu dostane do kontaktu so svalom. Hlavný dôkaz svojej hypotézy priniesol o tri roky neskôr, keď sa opatrne dotkol ischiatickým nervom jednej žaby nervu inej žaby, čo postačovalo na svalovú kontrakciu. Galvaniho práca bola v konečnom dôsledku zatienená Voltom. Po invázií Talianska v roku 1794 Volta prisahal vernosť Napoleonovi, čo Galvani odmietol a prišiel o svoju pozíciu na univerzite.

V devätnástom storočí sa výskum tejto témy presunul z Talianska do Nemecka a severnej Európy. Oersted zistil, že prúd vedený cez jednoduchú cievku z drôtu vytvára elektromagnetické pole, ktoré môže vychýliť ihlu, čím objavil prvý galvanometer. Emil Du Bois-Reymond (1818-1896) vylepšil Oerstedov prístroj zvýšením počtu cievok na 24 000, na ktoré použil až 5 km drôtu. Tým zvýšil citlivosť galvanometra a dokázal detegovať elektrický impulz šíriaci sa na povrchu kontrahujúceho svalu. Du Bois-Reymondovou prácou začali experimenty na ľudských subjektoch.

Guillaume Benjamin Duchenne (1806-1875) začal štúdium na lekárskej škole v Paríži v roku 1825 a po ukončení štúdií sa vrátil domov do Bologne, kde pôsobil ako lekár. V roku 1833 sa mu podarilo demonštrovať, že svaly je možné stimulovať aj cez kožu. Neskôr, v roku 1842, sa vrátil do Paríža, kde v spolupráci s Pierre Paul Brocom, Francois Aranom a Jean Martin Charcotom pracoval na vývoji stimulátorov a elektród potrebných k jeho experimentom. Túto techniku nazýval „lokalna elektrizácia“. Bol si vedomý faktu, že rôzne svaly reagujú rýchlejšie, ak sú stimulované elektrickým prúdom na niektorých miestach na ich povrchu. Lokalizáciu týchto bodov však nezverejnil. Robert Remak navštívil Paríž, aby sa zúčastnil Duchennovej demonštrácie „lokálnej elektriny“, avšak kritizoval Deuchenna, že svoju techniku návštevníkom poriadne nevysvetlil. Remak neskôr určil, že tieto body reprezentujú vstupy nervov, alebo svalové motorické body. V roku 1861 Wilhelm Erb identifikoval bod, v ktorom je možné proximálne stimulovať brachial plexus, ktorý dnes poznáme ako Erbov bod.

Začiatok dvadsiateho storočia už bol pripravený na vývoj v klinickej elektromyografí vďaka citlivejším záznamovým zariadeniam. Jacques-Arsène d’Arsonval dokázal už v roku 1878 premeniť elektrický signál svalov na zvuk pomocou telefónu. Fedinand Braun v roku 1897 vyvinul prvú verziu CRT obrazovky, tzv. katódovú (Braunovu) trubicu. Willem Einthoven potom v roku 1903 pružinový galvanometer, ktorý sa dal použiť ako vôbec prvý praktický elektrogardiograf. Hans Edmund Piper využil tieto objavy a urobil vodivostnú štúdiu nervus ulnaris a záznam svalových potenciálov počas voluntárnej aktivity počas kontrakcie svalu. Svoje experimenty popísal v prvej knihe venovanej elektromyografií v roku 1912.

Edgar Douglas Adrian (1889-1977) bol najmladší syn Londýnskeho vládneho právnika. Svoje výnimočné schopnosti preukázal už počas štúdií v Cabridge na Natural Science Tripos, kde si vybral až päť okruhov namiesto bežných troch a vo všetkých dosiahol najvyššie hodnotenia. V štúdiu medicíny pokračoval v nemocnici St. Bartholomew v Londýne, ktoré úspešne ukončil za rok oproti bežným trom. Svoje štúdium klinickej neurológie následne ukončil v Queens Square. Vo svojom výskume sa, v spolupráci s americkým fyziológom Detlefom Bronkom, zameral na štúdium akčného potenciálu generovaného jedným nervovým vláknom. Použitím koncentrickej ihlovej elektródy a reproduktoru sa im podarilo zaznamenať elektrickú aktivitu svalových vlákien, ktoré sú zásobované jedným nervovým vláknom, ktorú v súčasnosti poznáme ako „motor unit potential“. Adrian neskôr v roku 1932 získal Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu.

Joseph Erlanger (1874-1965) začal po štúdiu na John Hopkins School of Medicine pôsobiť  na ústave fyziológie Univerzity of Wiskonsin. Ako študent u neho pôsobil Herbert Gasser, ktorého o šesť rokov neskôr pozval na spoluprácu na jeho novom pôsobisku vo fyziologickom ústave Washingtonovej Univerzity v St Louis. Pomocou Braunovej katódovej trubice sa im podarilo zobraziť graf akčného potenciálu ischiatického nervu žaby. Zistili tiež, že nervové vlákna z rôznymi priemermi majú rozdielnu rýchlosť vedenia. Navrhli tri kategórie vlákien: alfa vlákna s nervami s rýchlosťou vedenia 100 m/s, typ beta s rýchlosťou vedenia 2-14 m/s a type gamma C s rýchlosťou 2 m/s. Za svoju prácu získali v roku 1944 Nobelovú cenu za medicínu.

Martin Glover Larrabee (1910-2003) promoval na Harvardskej Univerzite a svoje PhD z biofyziky získal na University of Pennsylvania v roku 1937. Počas druhej svetovej vojny sa so svojimi spolupracovníkmi (Robert Hodes s ktorým pôsobil vo vojenskej nemocnici vo Framinghame a s Williamom Germanom, neurológom pracujúcim vo Philadelphskej Námornej nemocnici)zameral na merania, ktoré nazývali „nervovo-evokované elektromyogramy“. Boli to kombinované potenciály jednotlivých svalových vlákien na povrchu svalu, ktoré evokovali supramaximálnym perkutánnym stimulom. Tieto v súčasnosti poznáme ako compound muscle action potential, alebo v skratke CMAP. Dokázali kvantifikovať rozdiely v CMAP krivkách pri stimulácií pod a nad miestom poškodenia periférnych nervov. Zistili, že normálna rýchlosť vedenia najrýchlejších nervových vlákien zásobujúcich svaly rúk a nôh sa pohybujú v rozmedzí 46 – 67 m/s.

V rovnakom období pracoval George Dawson na zázname takzvaných sensory nerve action potentials, alebo SNAP v Queens Square. Vypracoval techniku spriemerovania signálu a techniky superpozície obrazu, ktorá bola potrebná na zaznamenanie reprodukovateľných SNAPov a meranie senzitívnych vodivostných štúdií. Na jeho prácu naviazal Roger W. Gilliatt (1922-1991), ktorý vypracoval súbor normatívych hodnôt senzitivnych štúdií pre n. medianus a n. ulnaris.

Fritz Buchthal (1907-2003) začal svoje štúdium na Univerzite vo Freiburgu v roku 1925, avšak neskôr ušiel do Kalifornie z obáv pred nárastom Nemeckého nacionalistického hnutia. V 1927 ho prijali na Standfordovu Univerzitu, kde študoval anatómiu, genetiku a fyziológiu. Svoje štúdium medicínu nakoniec dokončil na Berlínskej Univerzite v roku 1928. Svoje pôsobenie na Kaiser Wilhelm institute venoval vývoju mikroelektród na záznam potenciálov jedného svalového vlákna. Medzi jeho hlavné úspechy patrí spracovanie aj v súčasnosti používaných normatívnych dát amplitúd a trvaním MUP v rôznych svaloch pre rôzne vekové skupiny. Popísal tiež rozdielne nervové vedenie v axonálnych a demyelizačných neuropatiách.

Erik Stålberg (1936-) inšpirovaný Buchthalovou prácou začal študovať propagačné rýchlosti elektrických impulzov do svalových vlákien. Dokázal vyrobiť výrazne menšiu elektródu oproti Buchthalovej spolu s vhodných zosilňovačom a a filtrami. Dokázal izolovať reprodukovateľný ostrý jedno- niekedy viac-hrotový signál po 18 hodinovom zázname zo svojho abductor pollicis brevis. Tento signál sa však od Buchthalovho významne líšil čo ho viedlo k hypotéze, že ide o záznam z jediného svalového vlákna. Jeho práca viedla k vývoju takzvaného „single fiber EMG“ ako najcitlivejšieho diagnostického nástroja na detekciu porúch spojenia neuromuskulárneho prenosu. Podieľal sa tiež na rozvoji metód vodivostných štúdií a vypracoval súbor normatívnych dát, ktoré sa používajú dodnes.

Zdroj: Kazamel, M., & Warren, P. P. (2017). History of electromyography and nerve conduction studies: A tribute to the founding fathers. Journal of Clinical Neuroscience,43, 54-60. doi:10.1016/j.jocn.2017.05.018