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Medicine

Utilizando Estimulação Magnética Transcraniana para o Estudo do sistema neuromuscular humano

Published: January 20, 2012 doi: 10.3791/3387
Automatic Translation
1, 1, 1
1Ohio Musculoskeletal and Neurological Institute (OMNI) and the Department of Biomedical Sciences, Ohio University

Summary

A estimulação magnética transcraniana (TMS) é uma ferramenta não invasiva para obter uma visão sobre a fisiologia ea função do sistema nervoso humano. Aqui, apresentamos nossas técnicas de TMS para estudar a excitabilidade cortical do membro superior e musculatura lombar.

Abstract

A estimulação magnética transcraniana (EMT) tem sido usado por mais de 20 anos 1, e tem crescido exponencialmente em popularidade na última década. Enquanto o uso de TMS tem se expandido para o estudo de muitos sistemas e processos durante este tempo, a aplicação original e talvez um dos usos mais comuns do TMS envolve o estudo da fisiologia, plasticidade e função do sistema neuromuscular humano. TMS de pulso único aplicado ao córtex motor excita neurônios piramidais transsynaptically 2 (Figura 1) e resulta em uma resposta mensurável eletromiográfica que pode ser usado para estudar e avaliar a integridade e excitabilidade do trato corticoespinhal em seres humanos 3. Além disso, os recentes avanços na estimulação magnética permite agora para o particionamento de excitabilidade cortical contra espinhal 4,5. Por exemplo, pares de pulso-TMS pode ser usado para avaliar intracortical propriedades facilitador e inibitórios através da combinação de uma condiçãoing estímulo e um estímulo de teste, em intervalos diferentes 3,4,6-8. Neste artigo vamos demonstrar vídeo os aspectos metodológicos e técnicos destas técnicas. Especificamente, vamos demonstrar pulso único e técnicas emparelhado pulso-TMS, aplicada ao flexor radial (FCR) muscular, bem como a musculatura eretores da espinha (ES). O nosso laboratório estuda o músculo FCR, uma vez que é de interesse para nossa pesquisa sobre os efeitos do pulso de mão-imobilização gessada sobre o desempenho muscular reduzido 6,9, e estudamos os músculos ES devido a estes músculos relevância clínica no que se refere à dor lombar 8. Com este declarou, devemos notar que TMS foi usado para estudar muitos músculos da mão, braço e pernas, e deve repetir que a nossa manifestações na FCR e grupos musculares ES estão selecionados apenas exemplos de TMS sendo usado para estudar a neuromuscular humano do sistema.

Protocol

1. TMS único e emparelhados Pulse-dos Músculos do FCR e ES

  1. Precauções de segurança básicas: Antes de executar TMS em um sujeito humano é necessário para a tela primeiro-las para as precauções básicas de segurança no que se refere à exposição a um campo magnético. Em nosso laboratório que siga as diretrizes estabelecidas pela triagem do Instituto de Educação Magnetic Resonance Segurança e Investigação 10. Em nosso laboratório também rotineiramente excluir indivíduos com história familiar de convulsões epilepsia. Também exigimos indivíduos sujeitos a TMS dos músculos ES usar tampões de ouvido e um protetor bucal devido à intensidade de estimulação menos focal e mais forte.
  2. Gravações Elétricas: Estudar respostas TMS no sistema motor é necessário registro eletromiográfico (EMG) sinais de músculos esqueléticos. Para o músculo FCR nós colocamos os eletrodos de superfície no antebraço usando um arranjo de eletrodos bipolares localizados longitudinalmente ao longo tEle muscular na pele raspada e desgastados como temos descrito anteriormente 7,11. Para os músculos eretores da coluna, usamos um arranjo de eletrodos semelhantes localizados longitudinalmente ao longo dos músculos ao nível L3-L5 vertebral na pele raspada e desgastados 8.
  3. TMS Orientação da bobina: Para ativar os neurônios piramidais predominantemente transsynaptically é necessário para posicionar a bobina TMS apropriadamente 12. Para os músculos FCR colocamos uma de 70 mm figura de oito bobina TMS tangente ao couro cabeludo e de 45 graus para a linha média, para que os fluxos de corrente induzida em um lateral-posterior ao médio-anterior direcção. Para os músculos ES usamos uma bobina de cone duplo que tem maior profundidade de penetração e é necessária devido à representação destes músculos que estão sendo mais profundo no homúnculo. Aqui, a bobina é posicionada de tal forma que a corrente flui em uma direção antero-posterior. Temos costume modificado a nossa bobina com um sistema de fixação de laser para nos ajudar a subsequent re-posicionamento da bobina de duplo cone.
  4. Identificar 'Hotspot': É necessário determinar a localização estímulo que provoca o maior potencial evocado motor. Para o músculo FCR fazemos isso sutilmente mover a bobina TMS volta em incrementos muito pequenos e determinar onde observamos o maior amplitude evocado motor em potencial. Uma vez localizado podemos notar nesta área, com tinta indelével em cada couro cabeludo ou um boné de lycra. TMS dos músculos ES é consideravelmente mais desconfortável do que seres humanos TMS dos músculos dos membros superiores. Assim, temos o nosso protocolo simplificado TMS para os músculos para aumentar a ES é tolerabilidade e exeqüibilidade. Aqui, em vez de localizar o "hotspot" que usamos medidas antropométricas para identificar o vértice do crânio. Especificamente, nós identificamos o vértice como a intersecção do crânio no sagital (entre os nasinon e ínion) e coronal (entre o tragus) aviões.
  5. Posicionamento biomecânica:
  6. Quantificar Threshold Motor: Para o FCR, determinamos do motor limiar (MT), entregando pulsos única no aumento gradual intensidade de estimulação até potenciais evocados motores têm de pico a pico amplitudes superiores a 50 microvolts em mais de 50% dos ensaios (Figura 4) . Para simplificar o protocolo de TMS e aumentar a tolerabilidade ea viabilidade não determinar o limiar motor na ES músculos com a mesma precisão de quando testamos a musculatura dos membros superiores. Em vez disso, nós começamos o protocolo TMS, fornecendo um pulso inicial única de 50% da produção máxima estimulador para determinar se este intensidade do estímulo está acima ou abaixo do limiar motor. Se um deputado é observado neste estímulo de intensidade definida como MEP perceptível em relação ao nível do fundo EMG-a intensidade é reduzida para 40% da produção estimulador para determinar se este intensidade do estímulo é sub ou supra-limiar de 8.
  7. Quantificar Amplitude MEP utilizando um único pulso TMS: Para examinar o evocado motor amplitude potencial do FCR nós entregamos um pulso TMS único para o "hotspot" em uma intensidade igual a 130% do limiar motor, e calcular a amplitude de pico a pico . Geralmente, nós normalizar este resultado para o composto potencial muscular máxima ação da fibra observada após a estimulação elétrica supramáxima do nervo mediano. Devemos notar que o tamanho MEP é very dependente do grau de excitabilidade cortical. Assim, quando o pulso TMS é entregue durante uma contração de fundo, quando a excitabilidade cortical é maior, o tamanho do MEP irá aumentar dramaticamente. Para os músculos ES, nós entregamos um pulso TMS único para o vértice, a uma intensidade de 40 ou 50% acima do limiar de intensidade sub-motor 8. Infelizmente, por causa dos nervos periféricos que inervam os músculos ES não são acessíveis à estimulação elétrica não somos capazes de normalizar esses potenciais evocados motores para o composto potencial de ação das fibras musculares.
  8. Duração quantificar período silencioso usando um único pulso TMS: Quando um pulso TMS para o córtex é entregue durante uma contração muscular que irá produzir um potencial evocado motor seguido por quiescência elétrica antes de retomar sua atividade que é indicativo da inibição córtico e comumente referido como o silêncio período de 13 (Figura 5). Para quantificar o período de silêncio que entregamos um únicoTMS de pulso para o "hotspot" em uma intensidade igual a 130% do limiar motor, enquanto o participante do estudo é realizar uma contração muscular de flexão do punho em 15% de sua força máxima. Nós ainda não tenham quantificado a duração do período de silêncio dos músculos ES, no entanto, devemos notar que temos observado anecdotally sua existência neste grupo muscular quando a TMS de pulso ID entregue durante uma contração de fundo.
  9. Quantificar facilitação intracortical usando emparelhados-Pulse TMS: Usamos emparelhado-TMS de pulso para quantificar facilitação intracortical 6,7 (Figura 6 e 7 representa esta medida para a FCR e músculos ES, respectivamente). Para o músculo FCR, primeiro determinar a intensidade do estímulo necessária para provocar um potencial evocado motor que está entre 0,5-1,0 mV. Em seguida, nós entregamos um condicionamento subliminar de pulso, que em nosso laboratório é comumente definida como igual a 70% do motor limiar-15-ms antes do pulso de teste suprathreshold. Este condicionamentopulso entregues neste período de tempo antes do pulso de teste irá aumentar, ou facilitar, a amplitude do evocado motor mais potencial do que um único pulso incondicional da mesma intensidade. Para o grupo muscular ES a intensidade de pulso condicionado é definida como a intensidade de limiar observado sub-motor (ou 40% ou 50% da produção estimulador) ea intensidade de pulso de teste é definida como 40% acima do nível do limiar sub-motor (80% ou 90% da produção estimulador) 8. Devemos notar que a intensidade dos pulsos condicionado pode ser variado, dependendo do objetivo do estudo. Da mesma forma, os intervalos de pulso pode variar dependendo do músculo e sua localização em relação ao córtex.
  10. Quantificar curto intervalo de inibição intracortical usando emparelhados-Pulse TMS: Nós também usamos emparelhado-TMS de pulso para quantificar curto intervalo de inibição intracortical 6,7 (Figura 6 e 7 representa esta medida para os músculos FCR e ES, respectivamente). Aqui, tanto para oFCR e músculos ES, os procedimentos são os mesmos descritos para medir a facilitação intracortical com a ressalva de que o intervalo interstimulus entre os dois pulsos é reduzido para 3 ms. Este pulso condicionado entregue neste período de tempo antes do pulso de teste irá diminuir ou inibir, a amplitude do evocado motor mais potencial do que um único pulso incondicional da mesma intensidade.
  11. Quantificação de longo intervalo inibição intracortical usando emparelhados-Pulse TMS: Disponibilizar dois pulsos suprathreshold idênticos de teste que estão separados por 100 milissegundos também pode ser usado para avaliar longo intervalo de inibição intracortical 6,7. Neste caso para o FCR músculo-o potencial evocado motor associado ao segundo pulso será menor, ou inibido mais, do que a associada com o primeiro (Figura 8). Nós ainda não tenham quantificado longo intervalo de inibição intracortical nos músculos ES devido a preocupações sobre assunto tolerabilidade.

2. Resultados representativos:

Após a entrega de um TMS suprathreshold pulso, os músculos sendo estimulada deve demonstrar uma resposta EMG facilmente observáveis ​​(o deputado) (ilustrados nas Figuras 4-8). A latência entre o início do estímulo e do MEP irá variar entre os grupos musculares que estão sendo examinados, mas para o FCR é geralmente 16-19 ms (Figura 6) e para o ES é 17-22 ms (Figura 7; embora se deva se notar que em alguns indivíduos início MEP definitiva nos músculos ES é mais difícil de identificar visualmente). Deve-se notar que quando o teste muscular ES grupo vários outros grupos musculares também são visivelmente e dramaticamente estimulados concomitantemente (incluindo os músculos dos membros inferiores, que são representados dentro da mesma região geral do homúnculo). Durante a medição da facilitação intracortical a amplitude MEP é geralmente maior do que a observada com um único pulso incondicionada (FIGURA 6 e 7). No entanto, é nossa experiência que o grau de facilitação varia entre os grupos de músculos com alguns grupos musculares, tais como o FCR-mostrando apenas a facilitação modesto em muitos assuntos. Para a medição de curto e longo intervalo de intervalo de inibição intracortical uma diminuição na amplitude MEP é geralmente observada em comparação com um único pulso incondicionado de mesma intensidade (Figuras 6-8).

Figura 1
Figura 1. Os mecanismos básicos da TMS. A bobina TMS induz um campo magnético, que penetra no couro cabeludo e induz uma corrente Eddy dentro do córtex motor. Esta corrente de eddy é então capaz de estimular os neurônios dentro do cérebro. Figura reproduzida de McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 2
Figura 2. Instalação para a realização de T MS no músculo FCR. Observe a gravação de eletromiograma (EMG) dos sinais a partir do antebraço, eo paddle TMS sobre o córtex motor. Nós geralmente também gravar as forças musculares, e usar a estimulação do nervo periférico elétrica para obter o máximo potencial de ação muscular composto de fibra, já que esta é útil na interpretação de valores de amplitude (por exemplo, pode-se expressar e MEP, relativamente à resposta muscular máxima em oposição a uma absoluta mV valor que pode ser fortemente influenciado por fatores não-fisiológicos, tais como tecido adiposo subcutâneo). Figura reproduzida a partir do seguinte: Clark et al. 2008 9, Clark et al., 2010 6, e McGinley et al. 2010 7.

Figura 3
Figura 3. Setup para a realização de TMS sobre os músculos eretores Spinale. Figura reproduzida de Goss et al. 2011 8.

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Figura 4. Exemplo de determinação do limiar motor. Os traços representam o EMG evocado motor de resposta (MEP) potencial para intensidades de estímulos a aumentar gradualmente (representado como uma porcentagem da produção estimulador (SO)). Observe que no intensidades mais baixas (28-30% de SO) deputados foram muito pequena provocou (limiar sub-), mas que em 32% SO um deputado foi provocada limiar motor que chegou (geralmente definida como um deputado com uma amplitude pp> 50 mV).

Figura reproduzida de McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 5
. Figura 5 TMS durante uma contração: potencial evocado motor período e em silêncio. O período de silêncio é observado quando um sujeito realiza uma contração leve e um único estímulo é aplicado para o córtex motor. A primeira parte do período de silêncio édevido à inibição da medula espinhal e na última parte é atribuída à inibição cortical, receptores GABA B especificamente. Não há como quantificar o consenso para a duração do período de silêncio, mas nossos resultados indicam que tanto definindo-o de início do estímulo ou início MEP para o retorno do sinal de interferência voluntária eletromiograma é o 15 mais confiável.
Figura reproduzida de Clark e Quick, 2011 16, e McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 6
Figura 6. Variação do potencial evocado motor tamanho om TMS de pulso emparelhado do músculo FCR. Medição de curto intervalo de inibição intracortical (SICI) e facilitação intracortical (ICF). Para quantificar SICI e ICF o pulso condicionado (CP) é definido abaixo do limiar motor, eo pulso de teste (TP) é definido para evocar MEP, entre 0,5-1 mV. , Em intervalos curtos(Por exemplo, 3-ms) do CP inibe o MEP em comparação com o TP apenas (SICI), enquanto que em intervalos mais longos interstimulus (por exemplo, 15 ms) que facilita o MEP (ICF).

CP: pulso condicionado, TP: teste de pulso Figura reproduzida de Clark et al, 2010 6, McGinley et al.. 2010 14, Clark e Quick, 2011 16, e McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 7
Figura 7. Mudança no tamanho potencial evocado motor com TMS de pulso emparelhado do músculo ES. Exemplo de traços EMG dos músculos eretores da coluna e da medição de curto intervalo de inibição intracortical (SICI) e facilitação intracortical (ICF).
Figura reproduzida de Goss et al. 2011 8.

Figura 8
Figura 8. Mudança no motor evopotencial ked porte, com TMS de pulso pareado. Medição de longo intervalo de inibição intracortical (Lici). Para quantificar Lici dois pulsos de teste são entregues em um intervalo interstimulus de 100 ms. Isso resulta no segundo MEP ser inibido em comparação com o MEP em primeiro lugar.
Figura reproduzida de Clark et al., 2010 6, McGinley et al. 2010 7 e McGinley e Clark, In Press 14.

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Discussion

O objetivo geral deste artigo é fornecer cientistas e clínicos uma conta de visual de nossos laboratórios uso da estimulação magnética transcraniana. No entanto, além de proporcionar uma visualização desses experimentos, a seguir discutimos questões básicas a serem consideradas ao executar TMS desta maneira, apresentar um breve panorama da fisiologia da resposta TMS, e também discutir o nosso uso da TMS no que diz respeito ao uso de os outros.

Questões gerais Para estar ciente de quando Performing TMS Como descrito no artigo

Há várias questões a ter em conta ao realizar emparelhado-TMS de pulso. Por exemplo, o Magstim BiStim 2 sistema provavelmente o mais popular da linha de equipamentos TMS oferece o potencial para combinar duas Magstim 200 2 unidades e permitir emparelhado pulsos de estimulação por meio de uma única bobina de estimulação. No entanto, deve-se notar que quando se está evocando os deputados com o pulso é incondicionadoé melhor para definir uma das unidades MagStim para "0%" e ainda indicar um intervalo interpulso (por exemplo, 100 ms) em oposição ao ligar o aparelho. Sendo motivo é que o BiStim 2 sistema quando uma das unidades não está na summates os dois pulsos único fornecido pelo estimuladores Magstim para produzir um pulso único poder alto igual a 113% de uma única Magstim 200 2. Assim, quando alguém está usando o pulso incondicionada para a normalização de potenciais provocou emparelhado com pulso-TMS é fundamental que as intensidades de pulso de teste ser mantida constante a este respeito.

Problemas a estar atento ao executar de TMS sobre os músculos eretores da coluna

Com relação aos procedimentos de TMS para o grupo muscular ES existem várias questões específicas e limitações de mencionar. Por exemplo, as intensidades de pulso utilizada em nosso protocolo não estão a ser expressos em relação ao limiar motor. Em um único e emparelhado-TMS de pulso estudos em apendicular muscles é comum que os limiares do motor a ser definida dentro de uma faixa relativamente pequena (por exemplo, 1-3% da produção estimulador), e pulsos condicionado e testar se expressa em relação aos níveis limite (por exemplo, leguminosas condicionado igual a 70% do limiar motor ) 17. Em geral, optar por não realizar um protocolo desta natureza, devido ao número de pulsos adicionais que seriam necessários para determinar com precisão limiar motor. TMS dos músculos da extremidade superior é geralmente altamente tolerável, e isola a resposta contração para o segmento de membro de destino. Por outro lado, TMS dos músculos paravertebrais lombares é consideravelmente menos toleráveis. Temos relatado anteriormente que nosso protocolo simplificado é suportável para a maioria dos sujeitos (~ 5 em uma escala de 0-10, com 10 sendo intolerável). Da mesma forma, que geralmente optam por limitar ainda mais o número total de pulsos TMS para o grupo muscular ES, estimulando diretamente sobre o vértice para permitir a gravação de respostas bilateral. Este stimulation local tem sido usado em estudos anteriores TMS dos músculos paravertebrais lombares 18-22. No entanto, devemos notar que a estimulação vértice pode não ser o local ideal para evocar os deputados lombar, descobertas recentes indicam que o local ideal para evocar respostas no contralateral músculos paravertebrais lombares está situado a 1 cm-anterior e 4 cm-lateral ao vértice 23 . Por fim, devemos notar que é nossa experiência que controlar rigorosamente para o posicionamento biomecânico / postural da coluna lombar é fundamental para a obtenção de dados confiáveis ​​TMS do grupo muscular ES. Em nosso trabalho piloto examinamos as respostas em diversas posições postural, mas descobriu que os nossos melhores respostas foram obtidas com o indivíduo sentado, como ilustrado no artigo de vídeo.

Fisiologia da TMS de pulso único Resultados

TMS de pulso único, como o nome indica, envolve a entrega de um pulso magnético para o cérebro e gravação e examinar os rresposta EMG esultant. O método tem se mostrado extremamente útil para testar a integridade de todo o trato neuromuscular. Em geral, este método é usado para deduzir variáveis ​​como limiar motor, potencial evocado motor amplitude e duração do período de silêncio que todos dão insights sobre a excitabilidade do sistema neuromuscular. Embora esta técnica tem permitido pesquisas para entender muita coisa sobre o sistema neuromuscular tem algumas desvantagens, que será endereços ao longo desta seção.

Limiar motor é definida como a menor intensidade necessária para evocar um eurodeputado do grupo muscular contralateral de interesse quando um único pulso é aplicado ao córtex motor 3. Após o "hotspot" (o local onde o maior MEP é observada) foi encontrado, MT é determinada pela lentamente aumentando a intensidade do pulso aplicado ao córtex motor até que um deputado é confiável provocou. Em geral, a maioria dos pesquisadores definirlimiar de músculos descansando como a intensidade do estímulo necessária para evocar MEP com uma amplitude de pico a pico, que é superior a 50 mV em 50% dos ensaios (por exemplo, em 5 de 10 tentativas) 3. Este valor também pode ser definido durante a contração ("ativo MT ') se o estado-dependente medidas são de interesse. Aqui, MT é geralmente definida como uma determinada percentagem da atividade EMG de fundo (por exemplo, 2x acima background), ou uma amplitude absoluta (por exemplo, 300 mV). MT repouso é influenciada pela orientação, densidade e susceptibilidade elétrica dos neurônios corticais. Como tal, alterações na MT repouso pode refletir as mudanças em uma variedade de níveis [ie, a membrana neural, axonal propriedades eletrônicas, a estrutura eo número de projeções excitatórias para o córtex motor primário, ou regulação alta dos receptores nesta região 24 e, portanto, representa uma avaliação global da excitabilidade da membrana dos neurônios piramidais 24,25. No que diz respeitopara MT ativos, os resultados contração voluntária em uma redução no limiar motor em comparação com condições de repouso, o que é pensado para ser um indicativo da magnitude da unidade motora voluntária à via corticomuscular 26.

MEP amplitude é outra medida de resultado indicativo de excitabilidade. TMS quando é aplicada ao córtex motor, a uma intensidade acima do MT, de alta freqüência ondas indireta (ondas I) são eliciadas no trato corticoespinhal 27, que são modificáveis ​​por diversos mecanismos, incluindo neurotransmissores (ie, glutatmate, GABA), moduladores da neurotransmissão (ie, a acetilcolina, noradrenalina e dopamina) 25, e interneurones contactado por células do trato corticoespinhal 28 com a real eficácia da sinapse corticomotoneuronal si demonstrando algumas mudanças de actividade dependente de 29 todo o funcionamento de influenciar a amplitude do MEP. Como tal, a amplitude do sinal pode ser modulado em both os níveis corticais e da coluna vertebral é difícil para analisar especificamente onde, espacialmente no sistema nervoso, uma mudança ocorreu ou existe uma diferença. Amplitudes reduzido ou aumentado MEP pode ser indicativo de alterações no sistema neuromuscular e pode ser associado com os processos de doença específica 3. Outra forma de avaliar a excitabilidade corticoespinhal via TMS de pulso único é através do desenvolvimento de uma curva de recrutamento (ou uma curva de input-output). Aqui, a intensidade do estímulo é aumentada gradualmente ea consequente alteração da amplitude no MEP é traçado. Esta curva indica que há um grupo de neurônios que são necessários para o limiar motor, mas existem neurônios adicionais que podem ser recrutados para aumentar a resposta no músculo 30.

Outro resultado relativamente comum derivado TMS de pulso único é o período corticospinal silêncio. Entrega de um pulso magnético para o córtex durante uma contração muscular avaliao período de silêncio. Este pulso produz o MEP como característica seguido anteriormente mencionado por quiescência elétrica antes de retomar sua atividade que é indicativo de corticospinal inibição e comumente referido como o período corticospinal silêncio. Embora haja alguma controvérsia sobre o melhor método de quantificação do período silencioso 31, que tem provado ser uma ferramenta útil para a compreensão científica mecanismos fisiológicos, juntamente com diagnóstico clínico 32-34 potencial. Os mecanismos fisiológicos subjacentes ao período de silêncio não são totalmente compreendidas, mas incluem a inibição, tanto no córtex motor e da medula espinhal. A primeira parte do período de silêncio (50-60 ms) é atribuída a mecanismos dentro da medula espinhal, como a ativação de células Renshaw 3,35 e que a última parte tem sido atribuído a mecanismos corticais, especificamente o ácido γ-aminobutírico (GABA) tipo B inibição mediada receptor. Dados para estes que sustentam fisiológicass são baseados nos resultados que a administração de tiagabina, um inibidor da absorção de GABA a partir da fenda sináptica em neurônios, resulta em um encurtamento do período de silêncio 35. Assim, estes resultados sugerem que o bloqueio de GABA no córtex motor leva à diminuição da inibição. Embora o período de silêncio é uma medida útil de inibição tem algumas armadilhas. A maior queda de medir o período de silêncio é que se as mudanças são detectados sua localização espacial é difícil saber, pois contém componentes tanto cortical e medular. Apesar da incapacidade de usar este valor para localizar lesões ou adaptações de plástico ainda é um bom reflexo de inibição no trato neuromuscular.

Fisiologia da TMS de pulso Resultados emparelhados

Semelhante ao TMS de pulso único, combinado pulso-TMS pode ser usada para determinar as propriedades excitatórios e inibitórios do sistema neuromuscular. A principal diferençaentre pares e técnicas de pulso único são que pares de pulso experimentos são geralmente pensados ​​para mais precisamente medir propriedades intracortical. Os valores primários que são avaliados são curtos inibição intracortical (SICI), a inibição intracortical longo (Lici), e facilitação intracortical (ICF). No TMS de pulso emparelhados dois estímulos são aplicados para o córtex motor e dependendo do intervalo interstimulus e intensidade do estímulo várias respostas excitatórios e inibitórios será observado. Além disso, pares de pulso-TMS pode ser usado para investigar a inibição inter-hemisférica e facilitação usando um paradigma similar.

Após o hotspot e limiar motor ter sido determinado, SICI é provocada pela aplicação de um pulso subliminares (por exemplo, 70-95% abaixo do limiar), e 2-4 ms depois aplicação de um pulso suprathreshold. A vantagem desta técnica é que os estímulos primeiro ativa neurônios intracortical, mas não ativar os neurônios motores inferiores na coluna vertebralcabo. O valor médio de inibição observado é de 20-40% do MEP incondicionado 3. Com base em uma variedade de estudos farmacológicos sugere-se que o mecanismo subjacente da SICI é a inibição GABA A mediada. Por exemplo, a administração de agonistas GABA A (por exemplo, lorazepam) aumento SICI, e administração de GABA recaptação inibidores (por exemplo, tiagabina) diminuição SICI 25. SICI tem uma vantagem sobre a medição de pulso único do período de silêncio, porque o nível de inibição pode ser localizada no córtex motor primário.

A medição da ICF é praticamente idêntico ao utilizado na avaliação SICI, exceto que o intervalo interstimulus é mais longo (por exemplo, 10-25 ms). Simplesmente aumentando o intervalo inerstimulus o MEP segundo evocado é facilitada 20-30% acima de um estímulo incondicionado suprathreshold MEP 3, embora seja a nossa experiência que o grau de facilitação varia entre respectigrupos musculares ve sendo examinada. ICF representa um equilíbrio ou uma combinação de aumento e diminuição facilitador propriedades inibidoras. Estudos farmacológicos têm observado que ambos os N-metil-D-aspartato (NMDA) antagonistas e agonistas GABA A diminuição da ICF 25. Esses achados indicam que o ICF é mediada por facilitação de glutamato via receptores NMDA, mas este processo é temperado por meio de GABA A inibição, sugerindo que SICI e ICF não são mutuamente exclusivas.

Lici é outro indicador de inibição intracortical, mas esse paradigma de pulso pareado tem duas grandes diferenças em comparação com SICI e ICF. Não só é o intervalo interstimulus aumentada (por exemplo, 5-20 ms), mas ambos os pulsos são suprathreshold. Semelhante a SICI, o mecanismo fisiológico é mediada através GABA, mas em Lici a inibição é pensado para ocorrer principalmente por meio de receptores GABA B ao invés de GABA A inibição do receptor como pode ser visto emSICI. Estudos farmacológicos administração baclofen, um agonista GABA B, observaram um aumento na Lici e uma diminuição da SICI indicando que são mediadas por receptores diferentes, mas estão inter-relacionados 36. Tem sido proposto que aumenta Lici de ativação de pós-sináptica GABA B receptores e SICI é diminuída de activação de pré-synpatic receptores GABA B que diminuem a liberação de GABA 36. Portanto, esses resultados sugerem a Lici ea última parte do período de silêncio são mediadas por mecanismos semelhantes, GABA B.

Comparando e contrastando Nosso uso de TMS para a dos outros

Neste artigo demonstramos TMS de pulso único e emparelhado aplicado para estudar os músculos do antebraço e coluna lombar, no entanto, devemos notar que muitos cientistas e clínicos (incluindo o nosso próprio grupo) têm usado TMS para estudar outros músculos da mão, braço, perna, etcAssim, a apresentação visual aqui é simplesmente para ser um exemplo de abordagens metodológicas utilizadas na pesquisa TMS, em oposição a uma visão abrangente de seus usos. Da mesma forma, o TMS pode ser usado para avaliar outros parâmetros não apresentados neste artigo. Alguns desses são apresentados e discutidos abaixo.

Facilitação e inibição inter-hemisférica: uma aplicação diferente de pares de pulsos TMS envolve um estímulo subliminar sendo aplicada para o córtex motor e, em seguida, um estímulo suprathreshold aplicado o oposto do córtex motor, que permite a investigação de interações inter-hemisférica. Ambos facilitação inter-hemisférica (IHF) e inibição inter-hemisférica (IHI) pode ser observado, mas IHI é uma resposta mais forte. IHF não tem um protocolo bem definido ou mecanismo, mas tem-se observado, em intervalos de 4-8 ms 4. IHI pode ser pedida em uma ampla gama de intervalos interstimulus (6-50ms), e é partially mediada por GABA B. Estudos farmacológicos administração baclofen, um agonista GABA B, especificamente sugerem que IHIs intervalo mais longo foram pós-sináptica mediada por receptores GABA B 4. Em geral, a técnica de pulso combinado pode ser usado para estudar uma variedade grande de variáveis ​​que fornecem informações em propriedades intracortical e inter-hemisférica.

TMS repetitivo: TMS repetitiva (EMTr) também pode ser usado para estudar o sistema neuromuscular humano. Este utiliza a mesma base experimental set-up como TMS de pulso único, mas uma série de estímulos em uma intensidade fixa são aplicadas para o córtex motor e os efeitos de variáveis ​​como MEP amplitude e período de silêncio são medidos. Os parâmetros para a EMTr pode ser manipulado pela mudança na intensidade, freqüência, número e duração dos estímulos. Em geral, existem dois tipos de freqüências, alta (> 1Hz) ou baixa (<1 Hz), que estão associados a dois tipos of pós-sináptica, plasticidade longo prazo 37. Pulsos de alta freqüência são geralmente dada de forma intermitente ao longo de um período de tempo (por exemplo, 100 trens em 100 Hz cada 10 s por dez ensaios); enquanto a estimulação de baixa frequência é dada de forma contínua ao longo de um período de tempo (por exemplo, 1Hz por 20-30 minutos) 34 . Quando os estímulos são aplicados repetidamente para o córtex que resulta em uma somação temporal levando a uma maior mudança na atividade cortical do que um único pulso 38. EMTr tem um grande potencial em situações clínicas que serão discutidas mais detalhadamente na seção aplicação clínica. Os mecanismos fisiológicos por trás TMS de alta freqüência e baixa são mal definidos, mas são geralmente pensado para refletir o potencial de longo prazo (LTP) e depressão a longo prazo (LTD), respectivamente. Um estudo realizado por Chen e seus colegas indicam que a EMTr em baixas freqüências (900 pulsos em 1 Hz) em humanos resultaram em mudanças no MEP amplitude, limiar motor, e se espalhou excitação refletindo um depression da excitabilidade cortical 39. Outro estudo, utilizando fatias de hipocampo de ratos observou que a EMTr de alta freqüência (10 trens de 20 pulsos em 100Hz com intervalos de 1 s, 5 repetições com intervalos de 10 s, OU 3 trens de pulsos de 100 a 100 Hz com intervalos de 20 s) induziu alterações LTP que estavam diretamente correlacionados com a atividade NMDA 40. Em geral pensa-se que a ativação do receptor NMDA, a despolarização pós-sináptica, aumento da concentração de cálcio intracelular, e GABA mediar LTP e LTD 34,39,40, mas mais pesquisas são necessárias para definir completamente o mecanismo de EMTr.

Cervicomedullary Potenciais Evocados. Estimulação magnética aplicada sobre a parte traseira da cabeça através de um cone duplo estimulador magnético pode ser usada para ativar os tratos espinhais e evocam respostas motoras. As respostas do motor, comumente referido como cervicomedullary potenciais evocados (CMEPs), são de particular interesse para cientistas interessados ​​em scomportamento egmental da via motora, pois têm uma grande componente monossináptico e como tal pode ser usado para testar alfa-motorneuron excitabilidade 41.

Provocando CMEPs é tecnicamente desafiador, pois as respostas evocadas são relativamente pequenos em amplitude. Em geral, as respostas são melhores vistos com a bobina posicionada com sua seção central sobre ou perto do ínion e com a corrente dirigida para baixo 41. Porém, em alguns indivíduos cmep respostas não são observados muito provavelmente devido às diferenças anatômicas, resultando no limite de estimulação eficaz não é viável, como a intensidade magnética decai de pulso pela raiz quadrada da distância. No entanto, com formação e competências adequadas, laboratórios experientes, com realização de estimulação junção cervicomedullary relataram altos níveis do dia-a-dia de confiabilidade (r = 0,87) 42. Acoplamento de dois estimuladores magnéticos em série irá permitir um pulso mais forte geral, Que pode ser vantajoso quando se tenta obter CMEPs. Além disso, utilizando contração voluntária de aumentar a excitabilidade da piscina alfa-motorneuron pode aumentar a probabilidade de obtenção de respostas. Deve-se notar que, enquanto a estimulação magnética cervicomedullary é consideravelmente menos dolorosa do que a estimulação elétrica, que faz ativar os músculos na cabeça e no pescoço e alguns indivíduos encontrar esta experiência a ser desconfortável.

Mapeamento cortical. Desde 1991, TMS respostas motoras evocadas também têm sido usados ​​para mapear as funções cerebrais em um estímulo direto / evocado forma de resposta anteriormente só é possível durante uma cirurgia invasiva, quando a superfície do cérebro foi exposto 43-45. Durante o mapeamento cortical, uma grade é colocada no couro cabeludo (por exemplo, uma touca de natação com um padrão de grade) e as amplitudes MEP evocado em diversos locais são determinados e os valores são plotados para criar uma representação 3-dimensional entre a localização espacial (x eeixo y ') e MEP amplitude (eixo z) 46. Estes mapas cortical fornecer três informações: a área total do couro cabeludo a partir do qual MEP para o músculo-alvo foram registrados, o "hot spot" para um músculo, e do centro da amplitude ponderada de gravidade (CG) 47. O COG corresponde ao centro do mapa TMS ou o couro cabeludo localização / topografia, quando a maioria dos neurônios pode ser ativado para um músculo ou um movimento, que pode ou não ser equivalente ao hot spot 46,48. Mudanças na localização da COG (medial lateral ou anterior direções posterior) são comumente sugeridos para demonstrar reorganização cortical ou plasticidade em resposta à recuperação da lesão, espontânea, ou devido à intervenção de reabilitação 48,49.

Estes mapas cortical, enquanto perspicaz, precisam ser interpretados com cautela. Embora o protocolo de estimulação é similar aos princípios usados ​​por Penfield, i t é importante reconhecer que os mapas criados com esta técnica não se comparam em termos de precisão aos mapas criados usando microstimulation intracortical 46,48. Estudos em animais demonstraram que os neurônios individuais corticospinal inervam várias piscinas neurônio motor e, portanto, diferentes músculos e neurônios piramidais que inervam um músculo particular, são distribuídos entre os outros neurônios piramidais projetando a combinações diferentes do músculo 50,51. Este somatotopy mosaico do córtex e da medula espinhal sobreposição projeções em combinação com a falta de precisão estímulo com TMS significa que vários músculos responderão a um pulso TMS único entregues em um ponto no couro cabeludo matriz 46. A utilidade de mapas pode ser ainda mais confuso com a colocação do eletrodo que permite conversas cruzadas, ou sinais evocado, ao mesmo tempo de outros músculos, para interferir com a especificidade ea qualidade do MEP registrados 47.

"> Tempo de condução. Tempo de condução central do motor é definido como a diferença de latência entre os deputados induzida pela estimulação do córtex motor e as evocadas pela estimulação da coluna vertebral (root motor). Ele é calculado subtraindo-se a latência do potencial induzida pela estimulação da coluna vertebral da de estimulação cortical 3. Quando uma bobina TMS é colocada sobre a parte de trás do pescoço ou coluna lombossacral, o pulso magnético irá estimular raízes nervosas, mas não o trato descendente espinal-se 3. Assim, central o tempo de condução do motor provavelmente inclui o tempo de verdade para a condução motor central e pelo menos um atraso sináptico ao nível da coluna vertebral e do tempo a partir da raiz proximal ao forame intervertebral.

Emparelhado estimulação associativa. Emparelhados estimulação associativos (PAS) é uma técnica que envolve a estimulação de um nervo periférico e estimulação TMS do córtex motor 30,52. Odois estímulos são aplicados em um intervalo regular de modo que resultará em uma resposta síncrono no córtex motor. Dependendo da duração do intervalo dos estímulos vai facilitar ou inibir a cada 30,52 outros. Por exemplo, quando um estímulo é aplicado no nervo mediano e 25 ms mais tarde no córtex motor a estímulos facilitar uns aos outros, resultando em uma potencialização de longa duração (LTP), como resposta 30. Inversamente, se o intervalo de estímulo é de apenas 10 ms o estímulo TMS inibe a estimulação do nervo periférico, resultando em uma depressão a longo prazo de resposta (LTD) 30. Devido a essas respostas, PAS é muitas vezes usado para ajudar a plasticidade cerebral modelo. Além disso, estudos usando antagonistas dos receptores NMDA mostrou que as respostas do tipo LTP no PAS pode ser bloqueado, o que também justifica a sua utilização como um modelo de plasticidade 52. PAS também tem algumas aplicações clínicas, como a reabilitação acidente vascular cerebral, mas não é atualmente usado tão amplamente quanto rTMS 52

Aplicações clínicas. TMS também tem utilidade clínica para diagnosticar e tratar selecionados condições neuromuscular. Técnicas tais como técnicas de pulso único e emparelhado estão sendo utilizados por pesquisadores a entender melhor a fisiopatologia de uma variedade de doenças e muitos com a esperança de encontrar novos critérios diagnósticos. Da mesma forma, TMS está sendo usado para auxiliar no processo de diagnóstico, ajudando médicos e pesquisadores diferenciar entre doenças com apresentações semelhantes. Finalmente, um grande esforço de investigação é focada em investigar a utilidade da EMTr como uma estratégia terapêutica. Esta seção discutirá os usos clínicos da TMS com foco na doença de Parkinson idiopática, acidente vascular cerebral, distonia primária, esclerose amytotrophic lateral (ALS), e esclerose múltipla (MS).

Há uma variedade de valores de pulso único e emparelhado TMS que têm o potencial para ser usado no diagnóstico de uma variedade de nedistúrbios uromuscular. Cada distúrbio neuromuscular tem um conjunto distintivo de achados TMS que podem ser úteis na fisiopatologia elucidar ainda mais, o diagnóstico, e distúrbios de diferenciação com apresentações clínicas semelhantes. Embora não tenha havido conclusões definitivas, há potencial para TMS para ajudar a distinguir entre as condições de Parkinson (doença de Parkinson por exemplo, degeneração corticobasal), e distonia primária e secundária 34. Da mesma forma, TMS tem o potencial para ajudar a determinar o resultado de prognóstico para algumas condições neuromuscular. Por exemplo, um bom prognóstico derrame seguinte fator é a presença de deputados no membro parético quando o hemisfério afetado é estimulado 33,52. Em geral, uma grande quantidade de pesquisa ainda precisa ser realizado para determinar a utilidade da TMS no processo de diagnóstico, mas os resultados atuais sugerem que tem potencial.

Além de possibilidades de diagnóstico, uma grande dose de atençãoção tem sido dada a EMTr como uma ferramenta potencial terapêutico. Uma das doenças mais estudadas é a doença de Parkinson. Alguns estudos observaram uma melhora na Avaliação da Doença de Parkinson Unified Scale (UPDRS) após limiar sub-rTMS em alta freqüência para o córtex motor 30,34. Esses achados variaram de uma melhoria de 15% a 50% nos resultados medidos, que durou até 1 mês 34. Infelizmente, a atual pesquisa não é conclusiva, porque existe uma grande variabilidade em protocolos que torna difícil para elucidar o verdadeiro valor da EMTr como um método terapêutico 3,32,34. Um punhado de estudos investigaram os efeitos da EMTr em distonia com resultados promissores. A maioria destes estudos utilizaram 1Hz EMTr aplicada ao córtex motor primário e melhora observada nos sintomas, que durou um par de horas a meses após uma única sessão 30,34,53. Embora os resultados sejam promissores, mais estudos precisam ser conducted para confirmar estes resultados e investigar o potencial das várias sessões de EMTr.

Tem havido várias abordagens EMTr na reabilitação acidente vascular cerebral. Estudos têm estimulado ambos os hemisférios afetados e não afetados na esperança de facilitar a recuperação do hemisfério afetado. Na maioria destes estudos houve melhora significativa nos escores de deficiência e uma melhoria a curto prazo na função motora geral 3,30,52,54. Como a maioria dos métodos de EMTr, os estudos de maior escala, controlado e de longo prazo precisam ser executadas para afinar o protocolo e determinar o potencial terapêutico. No entanto, a promessa demonstrado neste breve revisão da EMTr como uma ferramenta terapêutica, justifica a necessidade de esses estudos em larga escala para avaliar a sua eficácia.

Conclusões

Em resumo, neste artigo procuramos primeiro fornecer uma explicação visual da TMS procedimentos básicos, pelo menos como empregada pelos nossos laboratory. Além disso, temos procurado destacar e discutir outros usos científicos e clínicos de TMS no que se refere ao sistema neuromuscular humano. TMS como está crescendo exponencialmente em popularidade e espero que a investigação continua, novos usos e técnicas serão aplicadas para promover nossa compreensão do sistema neuromuscular.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado em parte por uma concessão das Fundações Heritage Osteopathic para BC Clark. Gostaríamos de indicar um agradecimento especial a Marissa McGinley por sua assistência na criação de muitos dos gráficos figura.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Transcranial Magnetic Stimulator 2002 Transcranial Magnetic Stimulator Bi-Stim2 Figure-Eight 70-mm coil Double Cone Coil Magstim NA TMS equipment (including coils)
Biodex System 4 Biodex NA Dynamometer
Biopac MP150 Data Acquisition System Biopac Systems, Inc. MP150WSW A-D converter for EMG and force
AcqKnowledge 4.0 Data acquisition software Biopac Systems, Inc. ACK100W
Nikomed Trace 1 ECG electrodes Nikomed 2015 EMG electrodes
Constant Current Stimulator Digitimer Ltd. DS7A Peripheral nerve stimulator

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Utilizando Estimulação Magnética Transcraniana para o Estudo do sistema neuromuscular humano
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