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Medicine

Utilisant la stimulation magnétique transcrânienne à l'étude du système neuromusculaire de l'homme

Published: January 20, 2012 doi: 10.3791/3387

Summary

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est un outil non-invasif d'avoir un aperçu sur la physiologie et le fonctionnement du système nerveux humain. Ici, nous présentons nos techniques TMS pour étudier l'excitabilité corticale du membre supérieur et de la musculature lombaire.

Abstract

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a été utilisé pendant plus de 20 ans 1, et a connu une croissance exponentielle en popularité au cours de la dernière décennie. Bien que l'utilisation de TMS a été élargi pour l'étude de nombreux systèmes et les processus pendant ce temps, la demande initiale et peut-être l'une des utilisations les plus courantes de TMS consiste à étudier la physiologie, de la plasticité et la fonction du système humain neuromusculaire. TMS seule impulsion appliquée sur le cortex moteur excite les neurones pyramidaux transsynaptically 2 (figure 1) et aboutit à une réponse mesurable électromyographiques qui peut être utilisé pour étudier et évaluer l'intégrité et l'excitabilité des voies cortico-3 chez les humains. En outre, les avancées récentes dans la stimulation magnétique permet désormais de partitionnement de l'excitabilité corticale par rapport épinière 4,5. Par exemple, double choc TMS peuvent être utilisés pour évaluer les propriétés intracorticale facilitation et d'inhibition, en combinant une conditionING relance et un stimulus de test à intervalles différents interstimulus 3,4,6-8. Dans cet article, vidéo, nous allons démontrer les aspects méthodologiques et techniques de ces techniques. Plus précisément, nous allons montrer un seul pouls et double choc techniques TMS appliquées au fléchisseur radial du carpe (FCR) du muscle ainsi que le monteur spinae (ES) musculature. Notre laboratoire étudie le muscle RCF comme il est d'intérêt pour nos recherches sur les effets de l'immobilisation plâtrée du poignet-main sur la performance musculaire réduite 6,9, et nous étudions les muscles ES à cause de ces muscles la pertinence clinique de ce qui a trait à la lombalgie 8. Avec ce dit, il faut noter que la SMT a été utilisée pour étudier de nombreux muscles de la main, bras et jambes, et devrait réitérer que nos démonstrations dans le FCR et les groupes musculaires ES ne sont que des exemples choisis de TMS sont utilisées pour étudier l'neuromusculaire humaine système.

Protocol

1. TMS unique et double choc de l'Muscles RCF et ES

  1. Précautions de base: Avant d'effectuer TMS sur un sujet humain, il est nécessaire de dépister d'abord les précautions de sécurité pour la base que ce qui a trait à l'exposition à un champ magnétique. Dans notre laboratoire, nous suivons les directives de dépistage prévues par l'Institut pour la sécurité par résonance magnétique, l'éducation et de recherche 10. Dans notre laboratoire, nous avons aussi systématiquement exclure les personnes ayant des antécédents familiaux de crises épileptiques. Nous exigeons également des sujets subissant TMS des muscles ES pour mettre des boules Quiès et un protège-dents en raison de l'intensité des moins de stimulation focale et plus fort.
  2. Enregistrements électriques: Pour examiner les réponses TMS dans le système moteur, il est nécessaire d'enregistrer électromyographique (EMG) des signaux des muscles squelettiques. Pour le muscle RCF nous plaçons des électrodes de surface sur l'avant-bras en utilisant un dispositif d'électrode bipolaire situé longitudinalement sur tIl musculaire sur la peau rasée et écorchée que nous avons décrit précédemment 7,11. Pour les muscles spinaux, nous utilisons un dispositif d'électrode similaires situés longitudinalement sur ​​les muscles au niveau L3-L5 sur la peau rasée et écorchée 8.
  3. Orientation Coil TMS: Pour activer des neurones cortico majoritairement transsynaptically il est nécessaire de positionner la bobine TMS appropriée 12. Pour les muscles RCF nous plaçons un chiffre de 70 mm de huit bobines TMS tangentielle au cuir chevelu et de 45 degrés vers la ligne médiane afin que le flux de courant induit dans un latéral-médial postérieur-antérieur direction. Pour les muscles ES nous utilisons une bobine double cône qui a une plus grande profondeur de pénétration et est nécessaire à cause de la représentation de ces muscles étant plus profond dans l'homonculus. Ici, la bobine est positionnée de telle sorte que le courant circule dans une direction avant vers l'arrière. Nous avons modifié notre personnalisé bobine avec un système de fixation au laser pour nous aider à ssubséquents apportés re-positionnement de la bobine à double cône.
  4. Identifier les «hotspots»: Il est nécessaire de déterminer l'emplacement de stimulation qui suscite le plus grand moteur de potentiel évoqué. Pour le muscle RCF nous faisons cela en déplaçant subtilement la bobine TMS autour de très petits incréments et de déterminer où l'on observe la plus grande amplitude de potentiels évoqués moteurs. Une fois localisé nous notons ce domaine à l'encre indélébile soit sur le cuir chevelu ou une casquette en lycra. TMS des muscles ES est nettement plus inconfortable pour les sujets humains que le TMS des muscles du membre supérieur. En conséquence, nous avons rationalisé notre protocole TMS pour les muscles ES pour en augmenter la tolérance et la faisabilité. Ici, au lieu de localiser le "hotspot" nous utilisons des mesures anthropométriques pour identifier le sommet du crâne. Plus précisément, nous identifions les sommets comme l'intersection du crâne dans le plan sagittal (entre le nasinon et inion) et coronale (entre le tragus) avions.
  5. Positionnement biomécanique:
  6. Quantifier seuil moteur: Pour le RCF, nous déterminons seuil moteur (MT) en fournissant des impulsions uniques à augmenter progressivement l'intensité de stimulation jusqu'à ce potentiels évoqués moteurs ont crête à crête amplitudes supérieure à 50 microvolts dans plus de 50% des essais (figure 4) . Afin de simplifier le protocole TMS et augmenter la tolérance et la faisabilité, nous ne déterminent pas le seuil moteur dans l'EMuscles S avec la même précision que lorsque nous testons la musculature des membres supérieurs. Plutôt, nous commençons le protocole TMS en fournissant une impulsion initiale unique à 50% de la production maximale stimulateur afin de déterminer si cette intensité du stimulus est au dessus ou en dessous du seuil moteur. Si un député européen est observé à ce stimulus d'intensité définie comme eurodéputée perceptible par rapport au niveau du fond EMG l'intensité est réduite à 40% de la production stimulateur afin de déterminer si cette intensité du stimulus est sous-ou supra-seuil de 8.
  7. Quantifier l'amplitude MEP en utilisant une seule impulsion de TMS: Pour examiner la évoqués moteurs d'amplitude potentielle du RCF nous livrons une seule impulsion de TMS à la «hotspot» à une intensité égale à 130% du seuil moteur, et de calculer l'amplitude crête à crête . En général, on normalise ce résultat au potentiel d'action musculaire composé de fibres maximale observée après stimulation électrique supramaximale du nerf médian. Il faut noter que la taille MEP est Verdépend du degré de l'excitabilité corticale y. En conséquence, lorsque l'impulsion de TMS est livré pendant une contraction de fond, quand l'excitabilité corticale est augmentée, la taille MEP va considérablement augmenter. Pour les muscles ES, nous livrons une seule impulsion de TMS au sommet d'une intensité de 40 ou 50% au-dessus du seuil d'intensité sous-moteur 8. Malheureusement, parce que les nerfs périphériques innervant les muscles ES ne sont pas accessibles à une stimulation électrique nous ne sommes pas en mesure de normaliser ces potentiels évoqués moteurs du potentiel d'action musculaire composé de fibres.
  8. Quantifier Durée période silencieuse en utilisant une seule impulsion de TMS: Quand une impulsion TMS vers le cortex est livré au cours d'une contraction musculaire qu'il va produire un potentiel évoqués moteurs suivie par la quiescence électriques avant la reprise de l'activité qui est indicatif de l'inhibition cortico et communément appelé le silence période de 13 (figure 5). Pour quantifier la période de silence que nous livrons une seuleImpulsions TMS à la «hotspot» à une intensité égale à 130% du seuil moteur alors que la participante à l'étude effectue une contraction des muscles du poignet en flexion à 15% de leur force maximale. Nous n'avons pas quantifié la durée préalablement période de silence des muscles ES, mais il convient de noter que nous avons observés anecdotique de son existence dans ce groupe de muscles lorsque l'impulsion de TMS Identifiant livré lors d'une contraction de fond.
  9. Quantifier la facilitation intracorticale utilisant double choc TMS: Nous utilisons double choc TMS pour quantifier la facilitation intracorticale 6,7 (figure 6 et 7 représente cette mesure pour le FCR et les muscles ES, respectivement). Pour le muscle RCF nous avons d'abord de déterminer l'intensité du stimulus nécessaire pour susciter un potentiel évoqués moteurs qui se situe entre 0.5 à 1.0 mV. Ensuite, nous livrons un conditionnement sous le seuil d'impulsion qui, dans notre laboratoire est généralement égal à 70% du seuil moteur-15-msec avant que l'impulsion de test supraliminaire. Ce conditionnementimpulsion délivrée à cette période de temps avant l'impulsion de test va augmenter, ou de faciliter, l'amplitude de la évoqués moteurs plus de potentiel que d'une seule impulsion inconditionnée de la même intensité. Pour le groupe musculaire ES l'intensité des impulsions conditionné est réglé à l'intensité du seuil de sous-moteurs observés (soit 40% ou 50% de la production stimulateur) et de l'intensité des impulsions de test est fixé à 40% au-dessus du seuil de sous-moteur (80% ou 90% de la production stimulateur) 8. Il convient de noter que l'intensité des impulsions de conditionnement pourraient être modifiées en fonction de l'objectif de l'étude. De même, les intervalles d'impulsion peut varier en fonction du muscle et son emplacement par rapport au cortex.
  10. Quantifier court intervalle inhibition intracorticale utilisant double choc TMS: Nous utilisons également double choc TMS à quantifier à court intervalle de l'inhibition intracorticale 6,7 (figure 6 et 7 représente cette mesure pour les muscles du RCF et ES, respectivement). Ici, tant pour lesRCF et les muscles ES, les procédures sont les mêmes que celles décrites pour la mesure de facilitation intracorticale à l'exception que l'intervalle interstimulus entre les deux impulsions est réduit à 3 ms. Cette impulsion climatisation livré à cette période de temps avant l'impulsion d'essai va diminuer, ou inhiber, l'amplitude de la évoqués moteurs plus de potentiel que d'une seule impulsion inconditionnée de la même intensité.
  11. Quantifier long intervalle inhibition intracorticale utilisant double choc TMS: délivrant deux identiques impulsions de test supraliminaire qui sont séparés par 100 millisecondes peut également être utilisée pour évaluer à long intervalle l'inhibition intracorticale 6,7. Dans ce cas-pour le RCF muscle le potentiel évoqués moteurs associés à la deuxième impulsion sera plus petit, ou inhibé plus, que celui associé à la première (figure 8). Nous n'avons pas préalablement quantifiés à long intervalle l'inhibition intracorticale dans les muscles ES en raison de préoccupations sur l'objet de tolérance.

2. Les résultats représentatifs:

Après la délivrance d'une impulsion supraliminaire TMS, les muscles stimulés devrait démontrer une réponse facilement observables EMG (MEP) (illustré dans les figures 4-8). Le temps de latence entre le début du stimulus et de l'eurodéputé varient entre les groupes de muscles à l'étude, mais pour le RCF, il est généralement de 16 à 19 msec (figure 6) et pour l'ES, il est de 17 à 22 msec (figure 7; bien qu'il faille à noter que chez certains sujets l'apparition définitive MEP dans les muscles ES est plus difficile à identifier visuellement). Il convient de noter que lors du test du ES groupe musculaire de plusieurs autres groupes musculaires sont aussi visiblement et de façon spectaculaire stimulé de façon concomitante (y compris les muscles du membre inférieur, qui sont représentés au sein de la même région de l'homoncule). Pendant la mesure de facilitation intracorticale l'amplitude MEP est généralement plus grande que celle observée avec une seule impulsion inconditionnée (Figure 6 et 7). Cependant, il est de notre expérience que le degré de facilitation varie entre les groupes musculaires avec certains groupes musculaires, tels que le FCR-ne montrant que la facilitation modestes dans de nombreux sujets. Pour la mesure de l'inhibition intracorticale court intervalle et à long intervalle une diminution de l'amplitude MEP est généralement observée en comparaison avec une seule impulsion inconditionnée de la même intensité (figures 6-8).

Figure 1
Figure 1. Les mécanismes de base de TMS. La bobine SMT induit un champ magnétique qui pénètre le cuir chevelu et induit un courant de Foucault au sein du cortex moteur. Ce courant de Foucault est alors capable de stimuler les neurones dans le cerveau. Figure tiré à part de McGinley et Clark, dans la presse 14.

Figure 2
Figure 2. Configuration pour réaliser T MS sur le muscle FCR. Remarque à l'enregistrement d'un électromyogramme (EMG) des signaux du bras, et la palette de TMS sur le cortex moteur. En général, nous aussi les forces musculaires record, et d'utiliser la stimulation électrique des nerfs périphériques pour obtenir le composé l'action musculaire maximale des fibres potentiels, comme cela est utile dans l'interprétation des valeurs d'amplitude (par exemple, on peut exprimer et MEP rapport à la réponse musculaire maximale, par opposition à une absolue valeur en mV qui peut être fortement influencée par des facteurs non physiologiques tels que le tissu adipeux sous-cutané). Figure réimprimé parmi les suivants: Clark et al. 2008 9, Clark et al., 2010 6, et McGinley et al. 2010 7.

Figure 3
Figure 3. Configuration pour effectuer TMS sur les muscles érecteurs spinale. Figure tiré à part de Goss et al. 2011 8.

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Figure 4. Exemple de la détermination du seuil moteur. Les traces EMG représentent le moteur des potentiels évoqués (MEP) de réponse à des intensités de stimulation augmente graduellement (représenté comme un pourcentage de la production stimulateur (SO)). Notez que pour des intensités plus faibles (28-30% de SO) Les eurodéputés ont suscité très peu (sous-seuil), mais que, à 32% SO eurodéputé a suscité ce seuil moteur atteint (généralement définie comme une eurodéputée avec une amplitude PP> 50 uV).

Figure tiré à part de McGinley et Clark, dans la presse 14.

Figure 5
TMS figure 5 lors d'une contraction:. Potentiels évoqués moteurs période et silencieux. La période de silence est observée quand un sujet effectue une légère contraction et un stimulus unique est appliquée sur le cortex moteur. La première partie de la période de silence estdue à l'inhibition de la moelle épinière et la dernière partie est attribuée à l'inhibition corticale, les récepteurs GABA B spécifiquement. Il n'existe aucun moyen de consensus pour quantifier la durée de la période de silence, mais nos résultats indiquent que ce soit en le définissant à partir du début de relance ou de l'apparition MEP au retour du signal d'interférence électromyogramme volontaire est le 15 les plus fiables.
Figure tiré à part de Clark et rapide, 2011 16, et McGinley et Clark, dans la presse 14.

Figure 6
Changer la figure 6. Dans le moteur potentiel évoqué taille vec TMS impulsions jumelés du muscle FCR. Mesure de court intervalle de l'inhibition intracorticale (SICI) et la facilitation intracorticale (ICF). Pour quantifier SICI et ICF le pouls de conditionnement (CP) est fixé en dessous du seuil moteur, et l'impulsion d'essai (TP) est défini pour évoquer MEP entre 0,5 à 1 mV. A intervalles courts interstimulus(Par exemple, 3-ms) du CP inhibe la MEP en comparaison avec les TP seulement (SICI), tandis que, à intervalles plus interstimulus (par exemple, 15 ms), il facilite l'eurodéputé (ICF).

CP: impulsion de conditionnement, TP: Figure impulsion de test tiré à part de Clark et al, 2010 6, McGinley et al.. 2010 14, Clark et rapide, 2011 16, et McGinley et Clark, dans la presse 14.

Figure 7
Changer la figure 7. Évoqués moteurs de taille potentielle avec TMS impulsions jumelés du muscle ES. Exemple de traces EMG des muscles spinaux et la mesure de court intervalle de l'inhibition intracorticale (SICI) et la facilitation intracorticale (ICF).
Figure tiré à part de Goss et al. 2011 8.

Figure 8
Figure 8. Changement de moteur evopotentiels ked taille avec TMS impulsions appariées. Mesure de long intervalle de l'inhibition intracorticale (LICI). Pour quantifier les impulsions LICI tester deux sont livrés à un intervalle de 100 interstimulus-ms. Il en résulte l'eurodéputé second étant inhibée par rapport à la MEP en premier.
Figure tiré à part de Clark et al., 2010 6, McGinley et al. 2010 7 et McGinley et Clark, dans la presse 14.

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Discussion

L'objectif global de cet article est de fournir aux scientifiques et aux cliniciens un compte visuelle de nos laboratoires de l'utilisation de la stimulation magnétique transcrânienne. Cependant, en plus d'offrir une visualisation de ces expériences, discuter des questions ci-dessous nous de base à considérer lors de l'exécution TMS de cette manière, donner un bref aperçu de la physiologie de réponses TMS, et aussi de discuter de notre utilisation de TMS en ce qui concerne l'utilisation de autres.

Questions générales à prendre en compte lors du spectacle TMS comme décrit dans l'article

Il ya plusieurs aspects à prendre en compte lors effectuant double choc TMS. Par exemple, les deux Magstim BiStim système susceptible de l'équipement le plus populaire TMS ligne offre la possibilité de combiner deux Magstim 200 2 unités et permettre appariés impulsion de stimulation par le biais d'une seule bobine de stimulation. Toutefois, il convient de noter que quand on est évoquant députés avec l'impulsion inconditionnée qu'elleest préférable de définir l'une des unités Magstim à "0%" et indiquent toujours un intervalle interpulse (par exemple, 100 ms), par opposition à éteindre l'appareil. Être raison est que les deux BiStim système lorsque l'une des unités n'est pas sur summates les deux impulsions unique prévu par les stimulateurs Magstim pour produire une impulsion de puissance unique élevé égal à 113% d'un seul Magstim 200 2. Ainsi, lorsque l'on utilise le pouls d'une normalisation inconditionnelle des potentiels suscité en double choc TMS, il est essentiel que les intensités d'impulsion de test est maintenu constant à cet égard.

Problèmes à connaître lors de l'exécution des TMS sur les muscles spinaux

En ce qui concerne les procédures de TMS pour le groupe musculaire ES, il ya plusieurs questions spécifiques et des limitations de mentionner. Par exemple, les intensités d'impulsion utilisée dans notre protocole ne sont pas exprimés par rapport au seuil moteur. Dans un seul et études de double choc TMS dans appendiculaire muscles il est commun pour des seuils moteur d'être définie dans un intervalle relativement petit (par exemple, 1-3% de la production stimulateur), et des impulsions de conditionnement et de test étant exprimés par rapport aux niveaux de seuil (par exemple, les légumineuses conditionné égale à 70% du seuil moteur ) 17. Nous choisissons généralement de ne pas exécuter un protocole de cette nature en raison du nombre d'impulsions supplémentaires qui seraient nécessaires pour déterminer précisément le seuil moteur. TMS des muscles du membre supérieur est généralement très tolérable, et isole la réponse à la contraction du segment du membre ciblé. Inversement, TMS des muscles lombaires paravertébraux est beaucoup moins tolérable. Nous avons précédemment rapporté que notre protocole simplifié est supportable pour la plupart des sujets (~ 5 sur une échelle de 0-10 avec 10 intolérables être). De même, nous choisissons généralement de limiter davantage le nombre total d'impulsions TMS pour le groupe musculaire en stimulant directement ES sur le sommet pour permettre l'enregistrement des réponses bilatérales. Cette stimulatiole site n a été utilisé dans des études précédentes TMS des muscles lombaires paravertébraux 18-22. Toutefois, il convient de noter que la stimulation de vertex ne peut pas être le site optimal pour l'évocation des députés lombaire résultats récents indiquent que le site optimal pour l'évocation des réponses dans les muscles spinaux lombaires controlatéral est situé à 1 cm antérieure et latérale de 4 cm aux 23 sommets . Enfin, il convient de noter que c'est notre expérience qui contrôlant étroitement pour le positionnement de biomécanique / postural de la colonne lombaire est essentielle à l'obtention de données fiables TMS du groupe musculaire ES. Dans notre travail, nous avons examiné les réponses pilotes dans de nombreuses positions différentes posturale, mais a constaté que nos meilleures réponses ont été obtenues avec le sujet assis, comme illustré dans l'article vidéo.

Physiologie de la TMS Pulse seul résultat

TMS seule impulsion, comme son nom l'indique, implique la livraison d'une impulsion magnétique pour le cerveau et l'enregistrement et l'examen des resultant réponse EMG. La méthode s'est avérée très utile pour tester l'intégrité de l'ensemble du tractus neuromusculaire. En général, cette méthode est utilisée pour déduire des variables telles que le seuil moteur, évoqués moteurs amplitude du potentiel, et la durée période de silence qui donnent un aperçu de tous les l'excitabilité du système neuromusculaire. Bien que cette technique a permis de recherches pour comprendre beaucoup de choses sur le système neuromusculaire, il a quelques inconvénients, qui seront adresses dans cette section.

Seuil moteur est défini comme étant la plus faible intensité nécessaire pour évoquer une eurodéputée dans le groupe musculaire controlatéral d'intérêts quand une seule impulsion est appliquée sur le cortex moteur 3. Après le "hotspot" (l'endroit où le plus grand MEP est observée) a été trouvée, MT est déterminé en augmentant lentement l'intensité de l'impulsion appliquée sur le cortex moteur jusqu'à ce qu'un député est fiable suscité. En général, la plupart des chercheurs définissentseuil de muscles au repos tant que l'intensité du stimulus nécessaire pour évoquer MEP avec une amplitude crête à crête est supérieure à 50 mV dans 50% des essais (par exemple, dans 5 des 10 essais) 3. Cette valeur peut également être définie lors de la contraction («active MT ') si dépendant de l'état des mesures sont d'intérêt. Ici, MT est généralement définie comme une proportion donnée de l'activité de fond EMG (par exemple, 2x dessus du fond), ou une amplitude absolue (par exemple, 300 mV). MT repos est influencée par l'orientation, la densité, et la susceptibilité électrique des neurones corticaux. En tant que tel, des altérations dans MT repos peuvent refléter les changements à une variété de niveaux [ie, la membrane neuronale, axonale propriétés électroniques, la structure et le nombre de projections excitatrices sur le cortex moteur primaire, ou la régulation positive des récepteurs dans cette région 24 et représente donc une évaluation globale de l'excitabilité membranaire des neurones pyramidaux 24,25. En ce qui concerneà MT actifs, les résultats de la contraction volontaire à une réduction du seuil moteur par rapport aux conditions de repos, ce qui est pensé pour être le signe de l'ampleur du moteur d'entraînement volontaire à la voie corticomuscular 26.

MEP amplitude est une autre mesure des résultats indicatifs de l'excitabilité. Lorsque TMS est appliquée sur le cortex moteur au-dessus d'une intensité MT, ondes à haute fréquence indirects (ondes I) sont déclenchés dans le tractus cortico-27, qui sont modifiables par de nombreux mécanismes, y compris les neurotransmetteurs (c.-à-glutatmate, le GABA), des modulateurs de la neurotransmission (ie, l'acétylcholine, la noradrénaline et la dopamine) 25, et interneurones contacté par les cellules du tractus cortico-28 avec l'efficacité réelle de la synapse corticomotoneuronal se montrant quelques changements dépendant de l'activité 29 fonctionnent tous à influencer l'amplitude de la MEP. En tant que tel, l'amplitude du signal peut être modulé à both, les niveaux corticaux et spinaux, il est difficile d'analyser précisément où sortir, spatialement au sein du système nerveux, un changement a eu lieu ou qu'il existe une différence. Réduit ou augmenté amplitudes MEP peuvent être révélateurs de changements dans le système neuromusculaire et peuvent être associées à des processus pathologiques spécifiques 3. Une autre façon d'évaluer l'excitabilité cortico via TMS seule impulsion est à travers le développement d'une courbe de recrutement (ou une courbe d'entrée-sortie). Ici, l'intensité du stimulus est progressivement augmenté et le changement résultant dans MEP amplitude est tracée. Cette courbe indique qu'il ya un noyau de neurones qui sont nécessaires pour le seuil moteur, mais il ya des neurones supplémentaires qui peuvent être recrutés pour augmenter la réponse dans le muscle 30.

Un autre résultat relativement commun dérivé de TMS seule impulsion est la cortico période de silence. Fournir une impulsion magnétique du cortex au cours d'une contraction musculaire évaluela période de silence. Cette impulsion produit la MEP caractéristique comme mentionné précédemment suivie par la quiescence électriques avant la reprise de l'activité qui est indicatif de l'inhibition cortico et communément appelée la cortico période de silence. Bien qu'il y ait une certaine controverse au sujet de la meilleure méthode de quantification de la période de silence 31, il s'est avéré être un outil utile scientifique pour comprendre les mécanismes physiologiques ainsi que des cliniques de diagnostic 32-34 potentiels. Les mécanismes physiologiques sous-jacents de la période de silence ne sont pas entièrement compris, mais comprennent l'inhibition à la fois dans le cortex moteur et la moelle épinière. La première partie de la période de silence (50-60 ms) est attribuée à des mécanismes au sein de la moelle épinière telles que l'activation des cellules de Renshaw 3,35, tandis que la dernière partie a été attribuée à des mécanismes corticaux, en particulier γ-aminobutyrique (GABA) Type B l'inhibition médiée par le récepteur. Les données pour ces sous-tend physiologiquess sont basées sur les conclusions que l'administration de la tiagabine, un inhibiteur de l'absorption de GABA de la fente synaptique dans les neurones, entraîne un raccourcissement de la période de silence 35. En conséquence, ces résultats suggèrent que le blocage de GABA dans le cortex moteur entraîne une inhibition diminuée. Bien que la période de silence est une mesure utile de l'inhibition elle a quelques inconvénients. La plus grande chute de mesurer la période de silence, c'est que si des changements sont découvert leur localisation spatiale est difficile à établir car il contient des composants à la fois corticaux et spinaux. Malgré l'impossibilité d'utiliser cette valeur pour localiser des adaptations en plastique ou des lésions, il est toujours un bon reflet de l'inhibition dans le tractus neuromusculaire.

Physiologie de la TMS Pulse jumelés résultats

Similaire à TMS impulsion unique, double choc TMS peuvent être utilisés pour déterminer les propriétés excitateurs et inhibiteurs du système neuromusculaire. La principale différenceentre les paires et les techniques sont que seule impulsion double choc expériences sont généralement considérées comme plus précisément mesurer les propriétés intracorticale. Les principales valeurs qui sont évalués sont courtes inhibition intracorticale (SICI), longue inhibition intracorticale (LICI), et la facilitation intracorticale (ICF). En TMS impulsions jumelés deux stimuli sont appliqués sur le cortex moteur et en fonction de l'intervalle interstimulus et l'intensité du stimulus différentes réponses excitateurs et inhibiteurs seront observées. En outre, double choc TMS peut être utilisée pour étudier l'inhibition interhémisphérique et la facilitation à l'aide d'un paradigme similaire.

Après le hotspot et le seuil du moteur ont été déterminés, SICI est suscité par l'application d'une impulsion sous le seuil (par exemple, 70-95% en dessous du seuil), et 2-4 ms plus tard appliquant une impulsion supraliminaire. L'avantage de cette technique est que le premier stimulus active les neurones intracorticale, mais n'active pas les neurones moteurs inférieurs à la colonne vertébralecordon. Le montant moyen d'inhibition observé est de 20-40% de l'inconditionné MEP 3. Basé sur une variété d'études pharmacologiques, il est suggéré que le mécanisme sous-jacent de SICI est GABA A l'inhibition médiée. Par exemple, l'administration des agonistes GABA A (par exemple, le lorazépam) augmenter SICI, et l'administration de GABA du recaptage de la sérotonine (par exemple, tiagabine) diminution SICI 25. SICI a un avantage sur la mesure seule impulsion de la période de silence parce que le niveau d'inhibition peut être localisée dans le cortex moteur primaire.

La mesure de l'ICF est pratiquement identique à celle utilisée dans l'évaluation de SICI, sauf que l'intervalle interstimulus est plus longue (par exemple, 10-25 ms). En augmentant simplement l'intervalle inerstimulus l'eurodéputé seconde évoquée est facilitée 20-30% au-dessus d'un stimulus supraliminaire inconditionnée MEP 3, mais il est de notre expérience que le degré de facilitation varie entre respectigroupes musculaires avons examinés. ICF représente un équilibre ou une combinaison de l'augmentation de facilitation et la diminution des propriétés inhibitrices. Les études pharmacologiques ont observé que les deux N-méthyl-D-aspartate (NMDA) antagonistes et agonistes GABA A diminué ICF 25. Ces résultats indiquent que l'ICF est médiée par la facilitation du glutamate via les récepteurs NMDA, mais ce processus est tempérée par l'inhibition GABA A, ce qui suggère que SICI et ICF ne sont pas mutuellement exclusives.

LICI est un autre indicateur de l'inhibition intracorticale, mais ce paradigme d'impulsion a jumelé deux différences majeures par rapport à SICI et ICF. Non seulement l'intervalle interstimulus augmenté (par exemple, 50-200 ms), mais les deux impulsions sont supraliminaire. Similaire à SICI, le mécanisme physiologique est médiée par le GABA, mais dans LICI l'inhibition est supposée se produire principalement par le biais des récepteurs GABA B par opposition à l'inhibition du récepteur GABA A comme en témoigneSICI. Les études pharmacologiques administrer le baclofène, un agoniste GABA B, ont observé une augmentation de LICI et une diminution en indiquant qu'ils sont médiés par des récepteurs différents SICI, mais sont interdépendants 36. Il a été proposé que l'augmentation de l'activation du LICI post-synaptique des récepteurs GABA B et SICI est passée de l'activation des récepteurs pré-synpatic GABA B qui diminuent la libération de GABA 36. Par conséquent, ces résultats suggèrent l'LICI et la dernière partie de la période de silence sont médiés par des mécanismes similaires, le GABA B.

Comparant et contrastant Notre utilisation des TMS à celle des autres

Dans cet article, nous avons démontré TMS seule impulsion et appariés appliquée à l'étude des muscles de l'avant-bras et du rachis lombaire, mais il faut noter que de nombreux scientifiques et cliniciens (y compris notre propre groupe) ont utilisé TMS pour étudier d'autres muscles de la main, bras, jambes, etcAinsi, le document de présentation visuelle est simplement destiné à être un exemple d'approches méthodologiques utilisées dans la recherche TMS, par opposition à une vision globale de ses utilisations. De même, le TMS peut être utilisé pour évaluer d'autres paramètres non présentées dans cet article. Certains d'entre eux sont présentés et discutés ci-dessous.

Facilitation et inhibition interhémisphérique: Une application différente du double choc TMS implique un stimulus infraliminaire être appliquée sur le cortex moteur et ensuite un stimulus supraliminaire appliquée à l'opposé du cortex moteur, qui permet d'enquêter sur les interactions inter-hémisphérique. Les deux facilitation interhémisphérique (IHF) et l'inhibition interhémisphérique (IHI) peuvent être observées, mais IHI est une réponse plus forte. IHF ne dispose pas d'un protocole bien défini ou un mécanisme, mais il a été observé à intervalles de 4-8 ms interstimulus 4. IHI peut être obtenue à un large éventail d'intervalles interstimulus (6-50ms), et il est partially médiée par le GABA B. Les études pharmacologiques administrer le baclofène, un agoniste GABA B, en particulier suggèrent que IHIS intervalle plus long ont été médiée par les récepteurs GABA B postsynaptiques 4. En général, la technique des impulsions appariées peuvent être utilisées pour étudier une grande variété de variables qui permettent de mieux comprendre les propriétés et les intracorticale interhémisphérique.

TMS répétitives: TMS répétitives (SMTr) peuvent également être utilisées pour étudier le système humain neuromusculaire. Il utilise la même base expérimentale mise en place de TMS seule impulsion, mais une série de stimuli à une intensité fixes sont appliqués à le cortex moteur et les effets sur les variables telles que la MEP amplitude et la période de silence sont mesurés. Les paramètres de la SMTr peut être manipulé en changeant l'intensité, la fréquence, le nombre et la longueur des stimuli. En général, il existe deux types de fréquences, élevé (> 1Hz) ou faible (<1 Hz), qui sont associés à deux types of post-synaptique, plasticité à long terme 37. Impulsions à haute fréquence sont généralement donnés par intermittence sur une période de temps (par exemple, 100 trains à 100 Hz toutes les 10 s pendant dix essais), tandis que la stimulation à basse fréquence est donnée en continu sur une période de temps (par exemple, 1Hz pendant 20-30 minutes) 34 . Lorsque les stimuli sont appliqués de façon répétitive dans le cortex il en résulte une sommation temporelle conduisant à une plus grande variation de l'activité corticale d'une seule impulsion 38. SMTr a beaucoup de potentiel dans des situations cliniques qui seront discutées plus loin dans la section des applications cliniques. Les mécanismes physiologiques derrière TMS à haute fréquence et basse sont mal définis, mais ils sont généralement pensé pour refléter le potentiel à long terme (LTP) et la dépression à long terme (LTD), respectivement. Une étude menée par Chen et ses collègues ont indiqué que la SMTr à basse fréquence (900 impulsions à 1 Hz) chez l'homme ont entraîné des changements dans le MEP amplitude seuil moteur, et la propagation d'excitation reflétant une DEPRession de l'excitabilité corticale 39. Une autre étude utilisant des coupes d'hippocampe de rats a observé que la SMTr à haute fréquence (10 trains de 20 impulsions à 100 Hz avec 1 s d'intervalle, 5 répétitions avec 10 s d'intervalle, OU 3 trains d'impulsions de 100 à 100Hz avec des intervalles de 20 s) induit des changements que les LTP ont été directement corrélée avec l'activité NMDA 40. En général, on pense que l'activation du récepteur NMDA, la dépolarisation postsynaptique, l'augmentation de la concentration de calcium intracellulaire, et GABA médiateur LTP et LTD 34,39,40, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour définir pleinement le mécanisme de la SMTr.

Cervico Potentiels évoqués. Stimulation magnétique appliqué sur le dos de la tête à l'aide d'un cône double stimulateur magnétique peut être utilisée pour activer les voies épinière et évoquent des réponses motrices. Les réponses motrices, communément appelés cervico potentiels évoqués (CMEPs), sont d'un intérêt particulier pour les scientifiques intéressés à scomportements egmental de la voie du moteur car ils ont une grande composante monosynaptique et comme tel peut être utilisé pour tester l'excitabilité des motoneurones alpha-41.

Solliciter CMEPs est techniquement difficile, car les réponses évoquées sont relativement petites en amplitude. En général, les réponses sont mieux vu avec la bobine placée avec sa partie centrale au-dessus ou à proximité de l'inion et avec le courant dirigé 41 vers le bas. Toutefois, dans certaines réponses des individus CMEP ne sont pas observées très probablement due à des différences anatomiques résultant dans la limite de stimulation efficace n'est pas réalisable car les désintégrations magnétiques d'intensité d'impulsion par la racine carré de la distance. Cependant, avec la formation et les compétences appropriées, des laboratoires expérimentés avec l'exécution de stimulation de jonction cervico ont signalé des niveaux élevés de jour en jour la fiabilité (r = 0,87) 42. Couplage de deux stimulateurs magnétiques en série permettra une forte impulsion de l'ensemble, Qui peut être avantageux lorsque l'on tente d'obtenir des CMEPs. De plus, en utilisant la contraction volontaire pour augmenter l'excitabilité de la piscine alpha-motoneurones peut améliorer la probabilité d'obtenir des réponses. Il est à noter que bien que la stimulation magnétique cervico est nettement moins douloureux que la stimulation électrique, il ne activent les muscles de la tête et du cou et certains sujets trouvent que cette expérience soit inconfortable.

Cartographie corticale. Depuis 1991, les réponses TMS évoqués moteurs ont également été utilisés pour cartographier les fonctions du cerveau dans une stimulation directe / évoquée de manière réponse précédemment seulement possible lors de la chirurgie invasive lorsque la surface du cerveau a été exposée 43-45. Pendant la cartographie corticale, une grille est placée sur le cuir chevelu (par exemple, un bonnet de bain avec un modèle de grille) et les amplitudes MEP évoqué dans de nombreux sites sont déterminées et les valeurs sont tracées pour créer une représentation en 3 dimensions entre la localisation spatiale (x etl'axe y ') et l'eurodéputé d'amplitude (axe z) 46. Ces cartes corticales de fournir trois informations: la superficie totale sur le cuir chevelu à partir de laquelle les députés européens pour le muscle cible ont été enregistrées, le "hot spot" pour un muscle, et le centre d'amplitude pondérée de gravité (CG) 47. Le COG correspond au centre de la carte TMS ou le cuir chevelu emplacement / la topographie où la plupart des neurones peut être activé pour un muscle ou d'un mouvement, qui peut ou peut ne pas être équivalente à la hot spot 46,48. Les changements dans la localisation de COG (médial latéral ou antérieur directions postérieure) sont couramment proposées pour démontrer réorganisation corticale ou plasticité en réponse à une blessure, la guérison spontanée, ou en raison de 48,49 intervention de réadaptation.

Ces cartes corticales, tandis que perspicace, doivent être interprétés avec prudence. Bien que le protocole de stimulation est similaire aux principes utilisés par Penfield, i l est important de reconnaître que les cartes créées à l'aide de cette technique ne se comparent pas à la précision des cartes créées à l'aide microstimulation intracorticale 46,48. Les études animales ont démontré que les neurones individuels cortico innervent plusieurs piscines motoneurones et les muscles et les neurones donc différent cortico qui innervent un muscle en particulier sont répartis entre les neurones cortico d'autres projetant à des combinaisons différentes de muscle 50,51. Cette mosaïque de somatotopie du cortex et les projections de la moelle épinière qui se chevauchent en combinaison avec le manque de précision de relance avec TMS signifie que les muscles de multiples va répondre à une seule impulsion TMS livré à un point sur ​​le cuir chevelu matrice 46. L'utilité des cartes peut être encore compliquée par le placement des électrodes qui permet la diaphonie, ou des signaux évoqués dans le même temps d'autres muscles, d'interférer avec la spécificité et la qualité de la MEP a enregistré 47.

"Le temps de conduction>. Temps de conduction motrice centrale est définie comme la différence de latence entre les députés européens induite par la stimulation du cortex moteur et de ceux évoqués par la colonne vertébrale (racine motrice) la stimulation. Il est calculé en soustrayant la latence du potentiel induite par la stimulation médullaire de celle de la stimulation corticale 3. Quand une bobine TMS est placé sur le dos du cou ou la colonne vertébrale lombo-sacrée, l'impulsion magnétique va stimuler les racines spinales, mais pas les voies descendante épinière eux 3. En conséquence, le temps de conduction centrale moteur comprend vraisemblablement le temps vrai pour la conduction moteur central et au moins un délai synaptique au niveau de la colonne vertébrale et l'heure de la racine proximale au foramen intervertébral.

Jumelés stimulation associative. Paires de stimulation associatifs (PAS) est une technique qui implique la stimulation d'un nerf périphérique, et la stimulation TMS du cortex moteur 30,52. L'deux stimuli sont appliqués à un intervalle régulier afin qu'elles donnent lieu à une réponse synchrone dans le cortex moteur. Selon la longueur de l'intervalle des stimuli va favoriser ou entraver chacun 30,52 autre. Par exemple, quand un stimulus est appliqué au nerf médian, puis 25 ms plus tard au niveau du cortex moteur, le stimulus de faciliter chaque autre conduisant à une potentialisation à long terme (LTP) comme la réponse 30. Inversement, si l'intervalle de relance est à seulement 10 ms du stimulus TMS inhibe la stimulation des nerfs périphériques entraînant une dépression à long terme (LTD) de réponse de 30. En raison de ces réponses, le PAS est souvent utilisée pour aider à la plasticité cérébrale modèle. Par ailleurs, des études utilisant des antagonistes des récepteurs NMDA a montré que les réponses de type LTP dans le PAS peut être bloqué, ce qui soutient encore son utilisation comme un modèle de 52 plasticité. SAP a également quelques applications cliniques, tels que la réadaptation d'AVC, mais n'est pas actuellement utilisé aussi largement que SMTr 52

Applications cliniques. TMS a aussi une utilité clinique pour le diagnostic et le traitement de certaines affections neuromusculaires. Techniques telles que l'impulsion simple et couplé sont utilisés par les chercheurs pour mieux comprendre la physiopathologie d'une variété de maladies et de nombreux avec l'espoir de trouver de nouveaux critères diagnostiques. De même, le TMS est utilisé pour aider à la démarche diagnostique en aidant les cliniciens et les chercheurs de différencier entre les maladies avec des présentations similaires. Enfin, une grande partie de la recherche est axée sur l'examen de l'utilité de la SMTr comme une stratégie thérapeutique. Cette section traitera de l'utilisation clinique des TMS en se concentrant sur la maladie de Parkinson idiopathique, l'AVC, dystonie primaire, la sclérose latérale amytotrophic (SLA) et la sclérose en plaques (SEP).

Il ya une variété de valeurs unique et jumelé TMS impulsions qui ont le potentiel pour être utilisé dans le diagnostic d'une variété de NEtroubles uromuscular. Chaque trouble neuromusculaire a un ensemble distinctif des résultats TMS qui peuvent être utiles dans la physiopathologie de l'élucidation d'autres, le diagnostic, et les troubles de différenciation avec des présentations cliniques similaires. Bien qu'il n'y ait pas de conclusions définitives, il ya risque de TMS pour aider à distinguer entre les conditions de Parkinson (maladie de Parkinson par exemple, la dégénérescence cortico-basale) et la dystonie primaire et secondaire 34. De même, le TMS a le potentiel pour aider à déterminer l'issue pronostique pour certaines affections neuromusculaires. Par exemple, une course de bon pronostic facteur suivant est la présence de députés dans le membre parétique lorsque l'hémisphère atteint est stimulée 33,52. En général, un grand nombre de recherches doivent encore être menées pour déterminer l'utilité des TMS dans le processus de diagnostic, mais les résultats actuels suggèrent qu'elle a du potentiel.

En plus de possibilités de diagnostic, beaucoup d'attentiontion a été donnée à la SMTr comme un outil thérapeutique potentiel. Une des maladies les plus étudiées est la maladie de Parkinson. Quelques études ont observé une amélioration dans l'échelle Unified Parkinson Disease Rating a (UPDRS) après le sous-seuil de SMTr à haute fréquence sur le cortex moteur 30,34. Ces résultats ont varié d'une amélioration de 15% à 50% dans les résultats mesurés qui a duré jusqu'à 1 mois 34. Malheureusement, les recherches actuelles ne sont pas concluantes car il ya une grande variabilité dans les protocoles qui rend difficile d'élucider la vraie valeur de la SMTr comme une méthode thérapeutique 3,32,34. Une poignée d'études ont étudié les effets de la SMTr sur la dystonie avec des résultats prometteurs. La plupart de ces études ont utilisé 1Hz SMTr appliquée au cortex moteur primaire et l'amélioration observée dans les symptômes qui ont duré quelques heures à plusieurs mois après une seule séance 30,34,53. Bien que ces résultats prometteurs, d'autres recherches doivent être conducted pour confirmer ces résultats et étudier le potentiel de multi-session de la SMTr.

Il ya eu plusieurs approches rTMS dans la réadaptation d'AVC. Des études ont stimulé à la fois les hémisphères affectées et non affectées dans l'espoir de faciliter la récupération de l'hémisphère atteint. Dans la plupart de ces études il y avait une amélioration significative sur les scores d'incapacité et d'un ensemble court terme d'amélioration de la fonction motrice 3,30,52,54. Comme avec la plupart des méthodes rTMS, les études à plus grande échelle, contrôlées, et à long terme doivent être effectuées pour affiner le protocole et de déterminer le potentiel thérapeutique. Toutefois, la promesse a démontré dans cette brève revue de la SMTr comme un outil thérapeutique, justifie la nécessité de ces études à grande échelle pour évaluer son efficacité.

Conclusions

En résumé, dans cet article nous avons cherché d'abord fournir un compte rendu visuel de TMS procédures de base, au moins tel qu'il est employé par nos lLABORATOIRE. De plus, nous avons cherché à mettre en évidence et discuter d'autres utilisations scientifiques et cliniques de la TMS à ce qui a trait au système des neuromusculaire. Comme TMS est en croissance exponentielle en popularité et, espérons-que la recherche continue de nouveaux usages et-techniques seront mises en œuvre pour améliorer notre compréhension du système neuromusculaire.

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Disclosures

Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Acknowledgments

Ce travail a été financé en partie par une subvention de la Fondation du patrimoine ostéopathique à BC Clark. Nous tenons à énoncer un merci tout spécial à Marissa McGinley pour son aide dans la création de nombreux graphiques figure.

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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Goss, D. A., Hoffman, R. L., Clark, B. C. Utilizing Transcranial Magnetic Stimulation to Study the Human Neuromuscular System. J. Vis. Exp. (59), e3387, doi:10.3791/3387 (2012).

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