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Medicine

Utilizando estimulación magnética transcraneal para Estudiar el Sistema Neuromuscular Humanos

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

La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una herramienta no invasiva para obtener conocimientos sobre la fisiología y la función del sistema nervioso humano. A continuación, presentamos nuestras técnicas de TMS para estudiar la excitabilidad cortical de la extremidad superior y de la musculatura lumbar.

Abstract

La estimulación magnética transcraneal (TMS) ha estado en uso durante más de 20 años 1, y ha crecido exponencialmente en popularidad durante la última década. Mientras que el uso de la EMT se ha ampliado para el estudio de muchos sistemas y procesos durante este tiempo, la solicitud original y tal vez uno de los usos más comunes de la EMT consiste en el estudio de la fisiología, la plasticidad y la función del sistema neuromuscular humanos. TMS solo pulso aplicado a la corteza motora excita las neuronas piramidales transsynaptically 2 (Figura 1) y los resultados en una respuesta medible electromiográfica que se pueden utilizar para estudiar y evaluar la integridad y la excitabilidad de las vías corticoespinal en los seres humanos 3. Además, los recientes avances en la estimulación magnética permite ahora la partición de la excitabilidad cortical en comparación con 4,5 espinal. Por ejemplo, el pulso pares-TMS se puede utilizar para evaluar intracortical propiedades de facilitación e inhibición mediante la combinación de una condiciónción de estímulo y un estímulo de prueba a intervalos interestímulo diferentes 3,4,6-8. En este artículo vamos a demostrar de vídeo de los aspectos metodológicos y técnicos de estas técnicas. En concreto, vamos a demostrar un solo pulso y pulso de dos a dos técnicas TMS aplicada a la flexor radial del carpo (FCR) del músculo, así como la musculatura erector de la columna (ES). Nuestro laboratorio estudia los músculos FCR, ya que es de interés para nuestra investigación sobre los efectos de la inmovilización con yeso de la muñeca en el rendimiento muscular reducido 6,9, y se estudian los músculos ES debido a estos músculos relevancia clínica, ya que se relaciona con el dolor de espalda baja 8. Con esto dicho, hay que señalar que la EMT se ha utilizado para estudiar muchos músculos de las manos, brazos y piernas, y debe reiterar que nuestras manifestaciones en el FCR y grupos ES musculares son sólo algunos ejemplos de la EMT se utilizan para estudiar el ser humano neuromuscular del sistema.

Protocol

1. EMT simple y pares de impulsos de los músculos FCR y ES

  1. Precauciones básicas de seguridad: Antes de realizar TMS en un ser humano es necesario para la primera pantalla que tomar precauciones de seguridad básicas en lo que respecta a la exposición a un campo magnético. En nuestro laboratorio se siguen las pautas de selección establecidas por el Instituto para la Seguridad de Resonancia Magnética, Educación e Investigación 10. En nuestro laboratorio de forma rutinaria excluir a los individuos con un historial familiar de ataques epilépticos. También exigimos que los sujetos sometidos a TMS de los músculos de la ES para ponerse audífonos y un protector bucal, debido a la intensidad de la estimulación focal menor y más fuerte.
  2. Las grabaciones eléctricas: Examinar las respuestas TMS en el sistema motor, es necesario registrar electromiográfica (EMG) de las señales de los músculos esqueléticos. Para el músculo FCR ponemos electrodos de superficie en el antebrazo con una disposición de electrodos bipolares ubicados longitudinalmente sobre tque los músculos en la piel afeitada y raída como hemos descrito previamente 7,11. De los músculos erectores de la columna se utiliza una disposición de electrodos similares ubicados longitudinalmente sobre los músculos a nivel vertebral L3-L5 en la piel afeitada y raída 8.
  3. TMS de orientación de la bobina: Para activar predominantemente neuronas corticoespinal transsynaptically es necesario a la posición de la bobina adecuada TMS 12. Para los músculos FCR ponemos un 70-mm en figura de ocho bobinas TMS tangencial en el cuero cabelludo y 45 grados a la línea media, por lo que los flujos de corriente inducida en un lateral-posterior a la medial-anterior dirección. Para los músculos ES usamos una bobina de doble cono, que tiene mayor profundidad de penetración y es necesario debido a la representación de estos músculos que son más profundas en el homúnculo. En este caso, la bobina se coloca de tal manera que la corriente fluye en una dirección anterior a la posterior. Hemos modificado nuestra medida de la bobina con un sistema de fijación de láser para que nos ayuden en subsequent el cambio de posición de la bobina de doble cono.
  4. La identificación de 'Hotspot': Es necesario determinar la ubicación de la estimulación que produce el motor más grande de potenciales evocados. Para el músculo FCR hacemos esto sutilmente en movimiento alrededor de la bobina de TMS en incrementos muy pequeños y determinar donde se observa la mayor amplitud del potencial evocado motor. Una vez localizado tomamos nota de esta área con tinta indeleble, ya sea en el cuero cabelludo o una gorra de lycra. TMS de los músculos de la ES es mucho más incómodo para los sujetos humanos de TMS de los músculos de las extremidades superiores. En consecuencia, hemos agilizado el protocolo TMS para los músculos ES para aumentar su tolerancia y viabilidad. Aquí, en lugar de ubicar el "punto caliente" que utilizan las mediciones antropométricas para identificar el vértice del cráneo. En concreto, se identifican los vértices de la intersección del cráneo en el plano sagital (entre el nasinon y inion) y coronal (entre el trago) aviones.
  5. Posicionamiento biomecánica:
  6. Cuantificación del umbral Motor: Para la FCR, que determinar el umbral motor (MT) mediante la entrega de los pulsos individuales en aumentar gradualmente la intensidad de la estimulación hasta los potenciales evocados motores han de pico a pico de amplitud de más de 50 microvoltios en más de 50% de los ensayos (Figura 4) . Para agilizar el protocolo de TMS y aumentar la tolerabilidad y la viabilidad no determinar el umbral de motor en la ES músculos con la misma precisión que cuando se prueba la musculatura del miembro superior. Más bien, se inicia el protocolo de TMS mediante la entrega de un solo impulso inicial a 50% de la producción máxima estimulador para determinar si la intensidad del estímulo está por encima o por debajo del umbral motor. Si un diputado se observa a este estímulo de intensidad se define como MEP discernible con respecto al nivel del fondo de EMG-la intensidad se reduce a 40% de la producción estimulador para determinar si la intensidad del estímulo es sub o supra-umbral de 8.
  7. Cuantificar la amplitud del MEP con un solo pulso TMS: Para examinar la amplitud del potencial evocado motor de la FCR entregamos un pulso único de la EMT 'hotspot' con una intensidad igual al 130% del umbral motor y calcular la amplitud de pico a pico . Por lo general, se normaliza este resultado con el potencial compuesto de fibra muscular máxima acción observada después de la estimulación eléctrica supramáxima del nervio mediano. Debemos tener en cuenta que el tamaño del MEP es verdepende del grado de excitabilidad cortical y. En consecuencia, cuando el pulso de TMS se entrega durante una contracción de fondo, cuando la excitabilidad cortical se incrementa, el tamaño del MEP aumentará dramáticamente. Para los músculos ES, nosotros entregamos un pulso único TMS hasta el vértice a una intensidad de 40 o 50% por encima del umbral de intensidad sub-motor 8. Desafortunadamente, debido a los nervios periféricos que inervan los músculos de la ES no son accesibles a la estimulación eléctrica no somos capaces de normalizar estos potenciales evocados motores para el potencial de acción muscular compuesto de fibra.
  8. Cuantificar la duración del período silencioso con un solo pulso TMS: Cuando un pulso de TMS a la corteza se entrega durante una contracción muscular que se produce un potencial evocado motor seguido de inactividad eléctrica antes de reanudar la actividad que es indicativo de la inhibición de corticoespinal y comúnmente se conoce como el silencio período de 13 (Figura 5). Para cuantificar el período de silencio que entregar una solaTMS pulso a la 'hotspot' con una intensidad igual al 130% del umbral motor, mientras que los participantes del estudio es realizar una flexión de la muñeca la contracción muscular en un 15% de su fuerza máxima. No hemos cuantificado previamente la duración de período de silencio de los músculos de la ES, sin embargo, debemos señalar que hemos observado anecdóticamente su existencia en este grupo muscular cuando el pulso de TMS Identificación entregado durante una contracción de fondo.
  9. La cuantificación de Facilitación intracortical utilizando pares-Pulse TMS: Utilizamos dos a dos pulsos TMS para cuantificar la facilitación intracortical 6,7 (Figura 6 y 7 representa esta medida para el FCR y los músculos ES, respectivamente). Para el músculo FCR en primer lugar determinar la intensidad del estímulo necesario para provocar un potencial evocado motor que se encuentra entre 0,5-1,0 mV. A continuación, ofrecemos un condicionamiento subliminal pulso-que en nuestro laboratorio que comúnmente se establece entre el 70% del umbral motor-15-ms antes del pulso de prueba por encima del umbral. Este condicionamientopulso entregado en este periodo de tiempo antes de que el pulso de prueba se incrementará, o facilitar, la amplitud de la evocados motores más potencial que un solo pulso incondicional de la misma intensidad. Para el grupo de músculos ES la intensidad del pulso acondicionado se establece en el umbral de intensidad observada sub-motor (ya sea 40% o 50% de la producción estimulador) y la intensidad de impulsos de prueba se establece en un 40% por encima del umbral sub-motor (80% o 90% de la producción estimulador) 8. Debemos tener en cuenta que la intensidad de los pulsos de aire podría variar en función del objetivo del estudio. Del mismo modo, los intervalos de pulso puede variar en función de los músculos y su ubicación con respecto a la corteza.
  10. Cuantificar a corto intervalo de inhibición cortical utilizando pares-Pulse TMS: También usamos dos a dos pulsos TMS de cuantificar a corto intervalo de inhibición cortical 6,7 (Figura 6 y 7 representa esta medida para los músculos FCR y ES, respectivamente). En este caso, tanto para elFCR y los músculos ES, los procedimientos son los mismos que los descritos para la medición de la facilitación intracortical con la excepción de que el intervalo inter-entre los dos pulsos se reduce a 3 ms. Este pulso de aire entregada en este periodo de tiempo antes de que el pulso de prueba se reducirá, o inhibir, la amplitud de la evocados motores más potencial que un solo pulso incondicional de la misma intensidad.
  11. Cuantificar a largo intervalo de inhibición cortical utilizando pares-Pulse TMS: Entrega de dos pulsos de ensayo idénticos por encima del umbral que están separados por 100 milésimas de segundo también se puede utilizar para evaluar a largo intervalo de inhibición cortical 6,7. En este caso, para el FCR muscular-el potencial evocados motores asociados con el segundo pulso será más pequeño, o se inhibe más, que el asociado con el primero (Figura 8). No hemos previamente cuantificados a largo intervalo de inhibición cortical en los músculos ES debido a preocupaciones sobre la tolerabilidad tema.

2. Los resultados representativos:

Tras la entrega de un pulso por encima del umbral de TMS, los músculos que son estimulados debe demostrar una respuesta EMG fácilmente observables (MEP) (se muestra en las figuras 4-8). La latencia entre el inicio del estímulo y el MEP puede variar entre los grupos musculares que se examina, sino por la FCR es generalmente 16 a 19 ms (Figura 6) y para el ES es 17-22 ms (Figura 7, aunque hay que tener en cuenta que en algunos sujetos definitiva aparición del MEP en los músculos de la ES es más difícil de identificar visualmente). Cabe señalar que cuando se prueba la ES grupos musculares de varios otros grupos de músculos son también visible y dramáticamente estimulado simultáneamente (incluyendo los músculos de las extremidades inferiores, que están representados en la misma región general del homúnculo). Durante la medición de la amplitud de la facilitación intracortical MEP es generalmente mayor que la observada con un solo pulso incondicionado (Figura 6 y 7). Sin embargo, es nuestra experiencia que el grado de facilitación varía entre los grupos de músculos con algunos grupos musculares, tales como el FCR-que muestra sólo la facilitación modesta en muchos temas. Para la medición de la inhibición cortical a corto y largo intervalo de intervalo, una disminución de la amplitud del MEP se observa en general en comparación con un solo pulso incondicional de la misma intensidad (figuras 6-8).

Figura 1
Figura 1. Los mecanismos básicos de la EMT. TMS La bobina induce un campo magnético que penetra en el cuero cabelludo y induce una corriente Eddy en la corteza motora. Esta corriente de Foucault es capaz de estimular las neuronas en el cerebro. Figura reimpresa de McGinley y Clark, en prensa 14.

Figura 2
Figura 2. Configuración para la realización de T MS en el músculo del FCR. Tenga en cuenta el registro de electromiograma (EMG) de las señales en el antebrazo, y la paleta de TMS en la corteza motora. Por lo general, también las fuerzas musculares de registro, y el uso de la estimulación eléctrica del nervio periférico para obtener el compuesto de fibra muscular máxima potencial de acción, ya que esto es útil en la interpretación de los valores de amplitud (por ejemplo, se puede expresar y diputado al Parlamento Europeo en relación con la respuesta del músculo máximo en lugar de una absoluta mV valor que puede ser fuertemente influenciado por factores no fisiológicos, como el tejido adiposo subcutáneo). Figura tomado de las siguientes: Clark et al. 2008 9, Clark et al., 2010 6, y McGinley et al. 2010 7.

Figura 3
Figura 3. Configuración para la realización de TMS en los músculos erector Spinale. Figura reimpresa de Goss et al. 2011 8.

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Figura 4. Ejemplo de la determinación del umbral motor. Las huellas EMG representan el motor de potenciales evocados (MEP) la respuesta a intensidades de estímulo aumentando gradualmente (representada como un porcentaje de la producción estimulador (SO)). Tenga en cuenta que en la intensidad más baja (28-30% de SO) Los diputados muy pequeño se obtuvieron (por debajo del umbral), pero que en el 32% lo tanto, un diputado al Parlamento Europeo se obtuvo que el umbral motor alcanzado (por lo general se define como diputado al Parlamento Europeo con una amplitud pp> 50 mV).

Figura reimpresa de McGinley y Clark, en prensa 14.

Figura 5
TMS Figura 5 durante una contracción:. Potenciales evocados motores período y en silencio. El período de silencio que se observa cuando un sujeto realiza una ligera contracción y un único estímulo es aplicado a la corteza motora. La primera parte del período de silencio esdebido a la inhibición de la médula espinal y la última parte se atribuye a la inhibición cortical, los receptores GABA B en particular. No hay forma de consenso para cuantificar la duración del período de silencio, pero nuestros resultados indican que o bien la definición del inicio del estímulo o el inicio del MEP para el retorno de la señal de interferencia electromiograma voluntaria es la más fiable 15.
Figura tomado de Clark y Quick, 2011 16, y McGinley y Clark, en prensa 14.

Figura 6
Cambiar la figura 6. En el motor de potenciales evocados tamaño ITH TMS pares de impulsos de los músculos FCR. La medición de corto intervalo de inhibición cortical (SICI) y la facilitación intracortical (ICF). Para cuantificar SICI y el ICF pulso acondicionado (CP) se encuentra por debajo del umbral de motor, y el pulso de prueba (TP) se establece para evocar los eurodiputados entre 0,5 a 1 mV. A intervalos cortos interestímulo(Por ejemplo, de 3 ms), el CP inhibe el MEP en comparación con el TP sólo (SICI), mientras que a intervalos interestímulo más largo (por ejemplo, 15 ms) que facilita el MEP (ICF).

CP: pulso acondicionado, TP: La figura de prueba de impulso tomado de Clark et al, 2010 6, McGinley et al.. 2010 14, Clark y Quick, 2011 16, y McGinley y Clark, en prensa 14.

Figura 7
Cambiar la figura 7. Evocados motores en el tamaño potencial del pulso con TMS pares del músculo ES. Ejemplo de huellas EMG de los músculos erectores de la columna y la medición de corto intervalo de inhibición cortical (SICI) y la facilitación intracortical (ICF).
Figura reimpresa de Goss et al. 2011 8.

Figura 8
Figura 8. Cambio en el motor de evopotencial ked tamaño con TMS pulso emparejadas. Medición de largo intervalo de inhibición cortical (LICI). Para cuantificar LICI dos pulsos de prueba se entregan en un intervalo inter de 100 ms. Esto se traduce en el segundo eurodiputado se inhibe en comparación con el MEP en primer lugar.
Figura tomado de Clark et al., 2010 6, McGinley et al. 2010 7 y McGinley y Clark, en prensa 14.

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Discussion

El objetivo general de este artículo es proporcionar a los científicos ya los médicos una cuenta visual de nuestros laboratorios de uso de la estimulación magnética transcraneal. Sin embargo, además de proporcionar una visualización de estos experimentos, a continuación se discuten los problemas básicos a considerar cuando se realiza TMS de esta manera, ofrecer un breve resumen de la fisiología de las respuestas de TMS, y también discutir el uso de la EMT en lo que respecta a la utilización de otros.

Temas Generales Para tener en cuenta al Escénicas TMS Como se describe en el artículo

Hay varias cuestiones a tener en cuenta cuando se realiza por pares de pulsos TMS. Por ejemplo, el 2 Magstim BiStim sistema probablemente el equipo más popular de TMS-line ofrece la posibilidad de combinar dos Magstim 200 2 unidades y permitir dos a dos pulsos de estimulación a través de una bobina de estimulación individual. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que cuando uno está evocando los diputados con el pulso de lo incondicionadomejor es establecer una de las unidades Magstim a "0%" y siguen indicando un intervalo entre impulsos (por ejemplo, 100 ms) en lugar de apagar la unidad. Siendo la razón es que el BiStim 2 del sistema cuando una de las unidades no está en summates los dos pulsos único previsto por los estimuladores Magstim para producir un pulso de alta potencia igual al 113% de un único Magstim 200 2. Así, cuando uno está utilizando el pulso incondicional para la normalización de los potenciales provocados con TMS pulso por pares es muy importante que la intensidad de impulsos de prueba se mantiene constante en este sentido.

Problemas que debe conocer de la EMT al realizar en los músculos erectores de la columna

En cuanto a los procedimientos de TMS para el grupo muscular ES hay varios problemas y limitaciones específicas de mencionar. Por ejemplo, la intensidad del pulso utilizado en nuestro protocolo no se expresan en relación con el umbral motor. En uno y dos a dos pulsos en los estudios de TMS apendicular muscles es común que los umbrales de motor que se definen dentro de un rango relativamente pequeño (por ejemplo, un 1-3% de la producción estimulador), y los pulsos de acondicionamiento y prueba que se expresan en relación con los niveles de umbral (por ejemplo, legumbres acondicionado igual al 70% del umbral motor ) 17. Por lo general, optan por no llevar a cabo un protocolo de este tipo debido a la cantidad de pulsos adicionales que serían necesarios para determinar con precisión el umbral motor. TMS de los músculos de la extremidad superior es generalmente muy tolerables, y aísla a la respuesta de contracción en el segmento de la extremidad de destino. Por el contrario, la EMT de los músculos paravertebrales lumbares es mucho menos tolerable. Hemos informado anteriormente de que el protocolo simplificado es soportable para la mayoría de los sujetos (~ 5 en una escala de 0 a 10 con 10 siendo intolerable). Del mismo modo, por lo general elige para limitar aún más el número total de pulsos de TMS para el grupo de músculos mediante la estimulación ES directamente sobre el vértice para permitir el registro de las respuestas bilaterales. Este stimulation sitio ha sido utilizado en los estudios de TMS anterior de los músculos lumbares paraespinales 18-22. Sin embargo, hay que señalar que la estimulación de vértices no puede ser el lugar óptimo para evocar los eurodiputados lumbar como hallazgos recientes indican que el lugar óptimo para evocar respuestas en el contralateral músculos paravertebrales lumbares se encuentra a 1 cm y 4 cm anterior-lateral al vértice 23 . Por último, debemos señalar que nuestra experiencia es que un estricto control para el posicionamiento de biomecánica postural / de la columna lumbar es fundamental para la obtención de datos fiables de la TMS grupo muscular ES. En nuestro trabajo experimental que examinó las respuestas en muchas posiciones diferentes posturas, pero encontramos que nuestros mejores respuestas se obtuvieron con el sujeto sentado, como se ilustra en el artículo de vídeo.

Fisiología de pulso único resultado TMS

TMS único pulso, como su nombre lo indica, consiste en la entrega de un pulso magnético en el cerebro y el registro y el examen de la resultant respuesta EMG. El método ha demostrado ser muy útil para probar la integridad de las vías neuromusculares todo. En general se utiliza este método para deducir variables tales como el umbral de motor, la amplitud del potencial evocado motor, y la duración de período de silencio que todos dan una idea de la excitabilidad del sistema neuromuscular. Aunque esta técnica ha permitido a investigadores a entender mucho sobre el sistema neuromuscular, tiene algunas desventajas, que se aborda en esta sección.

Umbral motor se define como la menor intensidad necesaria para provocar un eurodiputado en el grupo muscular contralateral de intereses cuando un solo pulso se aplica a la corteza motora 3. Después de que el "hotspot" (el lugar donde se observa el mayor MEP) se ha encontrado, MT se determina aumentando lentamente la intensidad del pulso aplicado a la corteza motora hasta que un eurodiputado es fiable provocado. En general, la mayoría de los investigadores definirumbral de los músculos en reposo como la intensidad del estímulo necesario para provocar los eurodiputados con una amplitud pico a pico, que es mayor de 50 mV en el 50% de los ensayos (por ejemplo, en 5 de 10 intentos) 3. Este valor también se puede definir durante la contracción ("activo MT") si el estado-dependiente de las medidas son de interés. Aquí, MT se define generalmente como una proporción determinada de la actividad de fondo EMG (por ejemplo, 2x por encima del fondo), o una amplitud absoluta (por ejemplo, 300 mV). MT en reposo es influenciado por la orientación, la densidad y susceptibilidad eléctrica de las neuronas corticales. Por lo tanto, alteraciones en la MT en reposo puede reflejar los cambios en una variedad de niveles [es decir, la membrana neuronal, axonal propiedades electrónicas, la estructura y el número de proyecciones de excitación en la corteza motora primaria, o la regulación positiva de los receptores en la región 24 y por lo tanto, representa una evaluación global de la excitabilidad de la membrana de las neuronas piramidales 24,25. En lo que respectade MT activa, voluntaria resultados contracción en una reducción en el umbral de motor en comparación con las condiciones de reposo, que se cree que es indicativo de la magnitud de la unidad motora voluntaria a la vía corticomuscular 26.

MEP amplitud es otra medida de resultado indicativo de la excitabilidad. Cuando TMS se aplica a la corteza motora a una intensidad por encima de MT, ondas de alta frecuencia indirecta (ondas I) se obtuvo en el tracto corticoespinal 27, que son modificables por muchos mecanismos incluyendo neurotransmisores (es decir, glutatmate, GABA), los moduladores de la neurotransmisión (es decir, la acetilcolina, la noradrenalina y la dopamina) 25, y interneuronas en contacto con las células del tracto corticoespinal 28 con la eficacia real de la sinapsis corticomotoneuronal se demuestra algunos cambios dependen de la actividad-29 todo el funcionamiento de influir en la amplitud de la MEP. Como tal, la amplitud de la señal puede ser modulada en el both los niveles corticales y la columna vertebral que es difícil de analizar, específicamente, en donde, espacialmente en el sistema nervioso, un cambio se ha producido o existe una diferencia. Una mayor o menor amplitud MEP puede ser indicativo de los cambios en el sistema neuromuscular y puede estar asociada con los procesos específicos de la enfermedad 3. Otra forma de evaluar la excitabilidad corticoespinal través de un único pulso de TMS es a través del desarrollo de una curva de reclutamiento (o una curva de entrada y salida). En este caso, la intensidad del estímulo se incrementa gradualmente y el consiguiente cambio en la amplitud de trazado es de MEP. Esta curva indica que hay un grupo de neuronas que se necesitan para el umbral de motor, pero hay neuronas adicionales que pueden ser reclutados para aumentar la respuesta en el músculo 30.

Otro de los resultados relativamente comunes derivados de la EMT de pulso único es el período corticoespinal en silencio. Entrega un pulso magnético de la corteza durante la contracción muscular se evalúael período de silencio. Esto produce las características de la siguiente MEP se ha mencionado anteriormente por la inactividad eléctrica antes de reanudar la actividad que es indicativo de la inhibición de corticoespinal y comúnmente se conoce como el período corticoespinal en silencio. Aunque existe cierta controversia sobre el mejor método para cuantificar el periodo de silencio 31, ha demostrado ser una herramienta útil para la comprensión científica de mecanismos fisiológicos, junto con el diagnóstico clínico potencial de 32-34. Los mecanismos fisiológicos que subyacen el periodo de silencio no se entienden completamente, pero incluyen la inhibición en la corteza motora y la médula espinal. La primera parte del período de silencio (50-60 ms) se atribuye a los mecanismos dentro de la médula espinal, como la activación de las células de Renshaw 3,35, mientras que la última parte se ha atribuido a mecanismos cortical, específicamente γ-aminobutírico (GABA) receptor tipo B mediada por la inhibición. Los datos de estos se basa fisiológicos se basan en los resultados que la administración de la tiagabina, un inhibidor de la captación de GABA en la hendidura sináptica en las neuronas, resulta en un acortamiento del período de silencio 35. En consecuencia, estos hallazgos sugieren que el bloqueo del GABA en la corteza motora conduce a la disminución de la inhibición. Aunque el período de silencio es una medida útil de la inhibición que tiene algunos errores. La mayor caída de la medición del período de silencio es que si los cambios se descubrió su localización espacial es difícil de determinar, ya que contiene componentes corticales y espinales. A pesar de la imposibilidad de usar este valor para localizar adaptaciones de plástico o de lesiones sigue siendo un buen reflejo de la inhibición en el tracto neuromuscular.

Fisiología de los pares de TMS pulso resultados

Similar a TMS solo pulso, a la par de pulsos TMS se puede utilizar para determinar las propiedades de excitación e inhibición del sistema neuromuscular. La principal diferenciaentre pares y las técnicas de un solo pulso del pulso que dos a dos experimentos se piensa generalmente para medir con mayor precisión las propiedades intracortical. Los valores principales que se evalúan son cortos inhibición cortical (SICI), la inhibición a largo intracortical (LICI), y la facilitación intracortical (ICF). En el TMS de pulsos apareados dos estímulos se aplican a la corteza motora y en función del intervalo inter-estímulo y la intensidad de las diversas reacciones de excitación e inhibición se observó. Además, el pulso pares-TMS se puede utilizar para investigar la inhibición interhemisférica y la facilitación del uso de un paradigma similar.

Después de que el punto de acceso y el umbral de motor se han determinado, SICI se produce al aplicar un pulso debajo del umbral (por ejemplo, 70-95% por debajo del umbral), y 2.4 ms tarde la aplicación de un pulso por encima del umbral. La ventaja de esta técnica es que los primeros estímulos activa las neuronas intracortical, pero no activa las neuronas motoras inferiores en la médula espinaldel cordón umbilical. La cantidad promedio de inhibición observado es del 20-40% de lo incondicionado MEP 3. Basado en una variedad de estudios farmacológicos se sugiere que el mecanismo subyacente de SICI es mediada por la inhibición GABA A. Por ejemplo, la administración de agonistas de GABA A (por ejemplo, lorazepam) aumento de SICI, y la administración de GABA de la recaptación de serotonina (por ejemplo, la tiagabina) disminución de SICI 25. SICI tiene una ventaja sobre la medición del pulso único de la época muda, porque el nivel de inhibición puede estar localizada en la corteza motora primaria.

La medición de la ICF es prácticamente idéntica a la utilizada en la evaluación de SICI, excepto que el intervalo inter-es más largo (por ejemplo, 10-25 ms). Simplemente aumentando el intervalo inerstimulus el eurodiputado segundo evocado se facilita un 20-30% por encima de un estímulo no condicionado por encima del umbral MEP 3, aunque nuestra experiencia es que el grado de facilitación varía entre los respectigrupos musculares han examinado. ICF representa un equilibrio o una combinación de aumento de las propiedades inhibidoras de facilitación y la disminución. Los estudios farmacológicos han observado que tanto la N-metil-D-aspartato (NMDA) y los antagonistas de GABA agonistas disminución ICF 25. Estos hallazgos indican que la ICF está mediada por la facilitación a través de los receptores NMDA de glutamato, pero este proceso es templado a través de la inhibición GABA A, sugiriendo que SICI e ICF no son mutuamente excluyentes.

LICI es otro indicador de la inhibición cortical, pero este paradigma de pulsos apareados tiene dos diferencias importantes en comparación con el SICI e ICF. No sólo es el intervalo inter mayor (por ejemplo, 50-200 ms), pero ambos pulsos son por encima del umbral. Al igual que en SICI, el mecanismo fisiológico está mediada por GABA, pero en LICI la inhibición se cree que ocurre principalmente a través de receptores GABA B en lugar de la inhibición del receptor GABA-A como se ve enSICI. Los estudios farmacológicos administración de baclofeno, un agonista GABA B, se ha observado un aumento de la LICI y una disminución en la que indica que están mediadas por los receptores diferentes SICI, pero están relacionadas entre sí 36. Se ha propuesto que el aumento de la activación de LICI receptores postsinápticos GABA B y SICI es la disminución de la activación de la pre-synpatic receptores GABA B que disminuyen la liberación de GABA 36. Por lo tanto, estos hallazgos sugieren la LICI y la última parte del período de silencio están mediados por mecanismos similares, GABA B.

Comparar y contrastar Nuestro uso de la EMT con el de otros

En este artículo hemos demostrado TMS solo pulso y pares aplicados al estudio de los músculos del antebrazo y la columna lumbar, sin embargo, hay que señalar que muchos científicos y médicos (incluyendo nuestro propio grupo) han utilizado TMS para estudiar otros músculos de la mano, parte superior del brazo, pierna, etcAsí, el documento de presentación visual es simplemente la intención de ser un ejemplo de los enfoques metodológicos utilizados en la investigación TMS, a diferencia de una visión global de sus usos. Del mismo modo, la EMT se puede utilizar para evaluar otros parámetros no se presenta en este artículo. Algunos de estos se presentan y discuten a continuación.

Facilitación e inhibición interhemisférica: Una aplicación distinta de los pares de impulsos TMS consiste en un estímulo subliminal que se aplica a la corteza motora y un estímulo por encima del umbral se aplica a todo lo contrario corteza motora, lo que permite la investigación de la interacción interhemisférica. Tanto la facilitación interhemisférica (IHF) y la inhibición interhemisférica (IHI) se puede observar, pero IHI es una respuesta más fuerte. IHF no tiene un protocolo bien definido o mecanismo, pero se ha observado en intervalos de 8.4 ms interestímulo 4. IHI puede ser obtenido en una amplia gama de intervalos interestímulo (6-50ms), y es partially mediada por GABA B. Los estudios farmacológicos administración de baclofeno, un agonista GABA B, en concreto sugieren que IIES intervalo de tiempo se postsináptica mediada por receptores GABA B 4. En general, la técnica de pulsos apareados se pueden utilizar para estudiar una gran variedad de variables que permiten conocer las propiedades y intracortical interhemisférica.

EMT repetitiva: EMT repetitiva (EMTr) también puede ser utilizado para estudiar el sistema neuromuscular humanos. Se utiliza el mismo conjunto básico experimental-up como TMS único pulso, sino una serie de estímulos con una intensidad fija se aplican a la corteza motora y los efectos sobre variables tales como el MEP y la amplitud período de silencio se miden. Los parámetros de rTMS puede ser manipulado por el cambio de la intensidad, frecuencia, número y duración de los estímulos. En general hay dos tipos de frecuencias, alto (> 1 Hz) o bajo (<1 Hz), que están asociadas con dos tipos of post-sináptica a largo plazo plasticidad 37. Impulsos de alta frecuencia se dan generalmente de forma intermitente durante un período de tiempo (por ejemplo, 100 trenes a 100 Hz cada 10 s durante diez ensayos); mientras que la estimulación de baja frecuencia se administra de forma continua durante un período de tiempo (por ejemplo, 1 Hz durante 20-30 minutos) 34 . Cuando los estímulos se aplican repetidamente a la corteza se obtiene una suma temporal que lleva a un cambio mayor en la actividad cortical que un único pulso 38. EMTr tiene un gran potencial en las situaciones clínicas que se discute en la sección de aplicación clínica. Los mecanismos fisiológicos detrás de TMS alta y baja frecuencia no están bien definidos, pero generalmente se piensa que reflejan el potencial a largo plazo (LTP) y depresión a largo plazo (LTD), respectivamente. Un estudio realizado por Chen y sus colegas indicaron que la EMTr a bajas frecuencias (900 pulsos a 1 Hz) en los seres humanos como resultado cambios en la amplitud del MEP, el umbral de motor, y la propagación de excitación que refleja una depresión de la excitabilidad cortical 39. Otro estudio con rodajas de hipocampo de ratas observó que la EMTr de alta frecuencia (10 trenes de pulsos de 20 a 100 Hz con una s intervalos, 5 repeticiones con 10 s intervalos, O 3 trenes de 100 pulsos a 100 Hz, con intervalos de 20 s) los cambios inducidos por LTP que se correlaciona directamente con la actividad NMDA 40. En general se cree que la activación del receptor NMDA, la despolarización postsináptica, el aumento de la concentración de calcio intracelular, y GABA mediar LTP y LTD 34,39,40, pero se necesita más investigación para definir completamente el mecanismo de la EMT.

Cervicomedular Potenciales Evocados. Estimulación magnética aplicada sobre la parte posterior de la cabeza utilizando un cono doble puede ser estimulador magnético usado para activar el tracto espinal y provoca una respuesta del motor. Las respuestas motoras, comúnmente conocida como potenciales evocados cervicomedular (CMEPs), son de particular interés para los científicos interesados ​​en la segmental comportamiento de la vía de motor, ya que tienen un componente monosináptico grande y como tal puede ser utilizado para probar la alfa-motorneuron excitabilidad 41.

Provocando CMEPs es técnicamente difícil, ya que las respuestas evocadas son relativamente pequeñas en amplitud. En general, las respuestas se ven mejor con la bobina colocada con su sección central sobre o cerca de la inion y con la corriente dirigida hacia abajo 41. Sin embargo, en algunas de las respuestas CMEP personas no se observan muy probablemente debido a diferencias anatómicas que resulta en el límite de estimulación efectiva no es factible, cuando decae la intensidad magnética del pulso por la raíz cuadrada de la distancia. Sin embargo, con formación y conocimientos adecuados, laboratorios con experiencia con la realización de la estimulación unión cervicomedular han reportado altos niveles de fiabilidad del día a día (r = 0,87) 42. Acoplamiento de dos estimuladores magnéticos en serie permite un impulso más fuerte en general, Que puede ser ventajoso cuando se trata de obtener CMEPs. Además, con la contracción voluntaria para aumentar la excitabilidad de la piscina de la alfa-motorneuron puede aumentar la probabilidad de obtener respuestas. Cabe señalar que mientras que la estimulación magnética cervicomedular es mucho menos dolorosa que la estimulación eléctrica, que se activa los músculos de la cabeza y el cuello y algunas materias encontrar esta experiencia de ser incómodo.

Mapeo cortical. Desde 1991, TMS potenciales evocados motores también se han utilizado para asignar las funciones del cerebro en un estímulo directo / evocado forma de respuesta antes sólo era posible durante la cirugía invasiva cuando la superficie del cerebro se exponen 43-45. Durante el mapeo cortical, una rejilla se coloca en el cuero cabelludo (por ejemplo, una gorra de natación con un patrón de rejilla) y las amplitudes MEP evocado en numerosos lugares se determinan y los valores son trazados para crear una representación en 3 dimensiones entre la ubicación espacial (x, yy eje) y MEP amplitud (eje Z) 46. Estos mapas corticales ofrecen tres tipos de información: la superficie total en el cuero cabelludo de la que los eurodiputados para que el músculo blanco se registraron, el "punto caliente" de un músculo, y el centro de la amplitud ponderado de gravedad (COG) 47. El COG se corresponde con el centro del mapa TMS o el cuero cabelludo lugar / donde la topografía de la mayoría de las neuronas puede ser activado por un músculo o un movimiento, que puede o no puede ser equivalente a la zona activa 46,48. Los cambios en la ubicación de los COG (medial direcciones lateral posterior o anterior) son comúnmente sugerido para demostrar la reorganización cortical y plasticidad en respuesta a una lesión, la recuperación espontánea, o debido a la intervención de rehabilitación 48,49.

Estos mapas corticales, mientras que profundo, deben ser interpretados con cautela. Aunque el protocolo de estimulación es similar a los principios utilizados por Penfield, i t Es importante reconocer que los mapas creados con esta técnica no se pueden comparar en la precisión de los mapas creados con microestimulación intracortical 46,48. Los estudios en animales han demostrado que las neuronas individuales corticoespinal inervan varios conjuntos de neuronas motoras y los músculos por lo tanto diferentes y las neuronas que inervan corticoespinal un músculo en particular se distribuyen entre otras neuronas corticoespinal proyecta a las combinaciones de músculos diferentes 50,51. Este somatotopy mosaico de la corteza y las proyecciones se superponen la médula espinal en combinación con la falta de precisión de estímulo con TMS significa que varios músculos responden a un impulso de TMS sola entrega en un punto en el cuero cabelludo de la matriz 46. La utilidad de los mapas puede ser complicado además por la colocación de los electrodos que permite interferencias, o señales evoca al mismo tiempo de otros músculos, para interferir con la especificidad y la calidad de los grabados MEP 47.

"> El tiempo de conducción. El tiempo de conducción motora central se define como la diferencia de latencia entre los eurodiputados inducida por la estimulación de la corteza motora y las evocadas por la columna vertebral (raíz motora) estimulación. Se calcula restando la latencia del potencial inducida por la estimulación espinal de la de la estimulación cortical 3. Cuando una bobina de TMS se coloca sobre la parte posterior del cuello o la columna lumbosacra, el pulso magnético estimular las raíces espinales, pero no los tractos descendentes se espinal 3. Por lo tanto, en el centro el tiempo de conducción del motor probablemente incluye el tiempo de verdad para la conducción de motor central y al menos un retraso sináptica en el nivel de la columna y el tiempo de la raíz proximal del agujero intervertebral.

Estimulación pares asociativos. Estimulación pareada asociativa (PAS) es una técnica que consiste en la estimulación de un nervio periférico, y la estimulación de TMS de la corteza motora 30,52. Lados estímulos se aplican en un intervalo regular de manera que dan lugar a una respuesta sincrónica en la corteza motora. Dependiendo de la longitud del intervalo de los estímulos ya sea que facilitan o inhiben mutuamente 30,52. Por ejemplo, cuando un estímulo se aplica en el nervio mediano y 25 ms tarde en la corteza motora los estímulos facilitar unos a otros dando como resultado una potenciación a largo plazo (LTP), como respuesta 30. Por el contrario, si el intervalo de estímulo está a sólo 10 ms del estímulo TMS inhibe la estimulación de nervios periféricos que resulta en una depresión a largo plazo (LTD) de respuesta de 30. Debido a estas respuestas, el PAS se utiliza a menudo para ayudar a la plasticidad del cerebro modelo. Además, los estudios con antagonistas de los receptores NMDA, mostró que las respuestas de tipo LTP en el PAS puede ser bloqueado, lo que apoya aún más su uso como un modelo de plasticidad 52. PAS también tiene algunas aplicaciones clínicas, como la rehabilitación del accidente cerebrovascular, pero actualmente no se usa tan ampliamente como rTMS 52

Aplicaciones clínicas. TMS también tiene utilidad clínica para el diagnóstico y el tratamiento de algunas condiciones neuromusculares. Técnicas tales como las técnicas de impulsos individuales y pareados están siendo utilizados por los investigadores a entender mejor la fisiopatología de diversas enfermedades y muchas de ellas con la esperanza de encontrar nuevos criterios de diagnóstico. Del mismo modo, la EMT se está utilizando para ayudar en el proceso de diagnóstico, ayudando a los médicos e investigadores diferenciar entre las enfermedades con presentaciones similares. Finalmente, una gran cantidad de investigación se centra en investigar la utilidad de la EMTr como una estrategia terapéutica. Esta sección tratará sobre los usos clínicos de TMS se centra en la enfermedad idiopática de Parkinson, derrame cerebral, distonía primaria, esclerosis amytotrophic lateral (ALS) y la esclerosis múltiple (EM).

Hay una variedad de pares de impulsos individuales y los valores de TMS que tienen el potencial para ser utilizados en el diagnóstico de una variedad de netrastornos uromuscular. Cada enfermedad neuromuscular tiene un conjunto distintivo de los resultados de TMS que pueden ser útiles en la fisiopatología aún más la aclaración, el diagnóstico, y trastornos de la diferenciación con presentaciones clínicas similares. Aunque no se han producido los resultados definitivos, existe la posibilidad de TMS para ayudar a distinguir entre las condiciones de Parkinson (enfermedad de Parkinson por ejemplo, degeneración corticobasal), y la distonía primaria y secundaria 34. Del mismo modo, la EMT tiene el potencial para ayudar a determinar el resultado pronóstico de algunas enfermedades neuromusculares. Por ejemplo, un factor de buen pronóstico después de accidente cerebrovascular es la presencia de diputados en el miembro parético, cuando el hemisferio afectado es estimulada 33,52. En general, una gran cantidad de investigaciones que aún debe llevarse a cabo para determinar la utilidad de la EMT en el proceso de diagnóstico, pero los resultados actuales sugieren que tiene potencial.

Además de las posibilidades de diagnóstico, una gran cantidad de atenciónción se ha dado a la EMTr como una herramienta terapéutica potencial. Una de las enfermedades más estudiadas es la enfermedad de Parkinson. En algunos estudios se observó una mejora en la Escala Unificada de la Enfermedad de Parkinson Rating (UPDRS), después de rTMS por debajo del umbral de alta frecuencia a la corteza motora 30,34. Estos resultados van desde una mejora del 15% al 50% en los resultados medidos, que duró hasta 1 mes 34. Desafortunadamente, la investigación actual no es concluyente porque hay una gran variabilidad en los protocolos que hace que sea difícil de dilucidar el verdadero valor de la EMTr como un método terapéutico 3,32,34. Un puñado de estudios han investigado los efectos de la EMTr sobre la distonía, con resultados prometedores. La mayoría de estos estudios se utilizó 1Hz rTMS se aplica a la corteza motora primaria y la mejora observada en los síntomas que se prolongó durante un par de horas a meses después de una sola sesión 30,34,53. Aunque estos resultados son prometedores, se necesitan más investigaciones para conducted para confirmar estos resultados e investigar el potencial de varias sesiones rTMS.

Ha habido varios enfoques rTMS rehabilitación del accidente cerebrovascular. Los estudios han estimulado los hemisferios afectados y no afectados con la esperanza de facilitar la recuperación del hemisferio afectado. En la mayoría de estos estudios se observó una mejoría significativa en las puntuaciones de discapacidad y una total mejoría a corto plazo en la función motora 3,30,52,54. Como con la mayoría de los métodos de rTMS, los estudios a mayor escala, controlado, y de largo plazo deben realizarse para afinar el protocolo y determinar el potencial terapéutico. Sin embargo, la promesa ha demostrado en este breve repaso de la EMTr como una herramienta terapéutica, justifica la necesidad de estos estudios a gran escala para evaluar su eficacia.

Conclusiones

En resumen, en este artículo hemos tratado de ofrecer primero una cuenta visual de los procedimientos básicos de TMS, por lo menos tal como la entendía nuestro laboratory. Además, hemos querido destacar y discutir otros usos científicos y clínicos de la EMT en lo que se refiere al sistema neuromuscular humanos. TMS como está creciendo exponencialmente en popularidad, y es de esperar que la investigación continúa, nuevos usos y técnicas se llevarán a cabo para mejorar nuestra comprensión del sistema neuromuscular.

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgments

Este trabajo fue financiado en parte por una beca de la Fundación del Patrimonio de Osteopatía de BC Clark. Nos gustaría decir un agradecimiento especial a Marissa McGinley por su ayuda en la creación de muchos de los gráficos de la 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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