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Medicine

Utilizzando la Stimolazione Magnetica Transcranica per studiare il sistema neuromuscolare umano

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

Stimolazione magnetica transcranica (TMS) è un strumento non invasivo per ottenere informazioni sulla fisiologia e la funzione del sistema nervoso umano. Qui, presentiamo le nostre tecniche di TMS per studiare l'eccitabilità corticale dell'arto superiore e della muscolatura lombare.

Abstract

Stimolazione magnetica transcranica (TMS) è stato in uso da oltre 20 anni 1, ed è cresciuta in modo esponenziale in popolarità negli ultimi dieci anni. Mentre l'uso di TMS ha ampliato allo studio di molti sistemi e dei processi in questo periodo, l'applicazione originale e forse uno degli usi più comuni di TMS comporta studiare la, la plasticità fisiologia e la funzione del sistema neuromuscolare umano. TMS singolo impulso applicato alla corteccia motoria eccita i neuroni piramidali transsynaptically 2 (Figura 1) e si traduce in una risposta misurabile elettromiografici che può essere utilizzato per studiare e valutare l'integrità e l'eccitabilità del tratto corticospinale negli esseri umani 3. Inoltre, i recenti progressi nella stimolazione magnetica consente ora per il partizionamento di eccitabilità corticale rispetto a 4,5 spinale. Per esempio, accoppiato impulsi TMS può essere utilizzata per valutare le proprietà facilitazione intracorticale e inibitori combinando una condizioneING stimolo ed uno stimolo test a intervalli diversi interstimulus 3,4,6-8. In questo articolo il video ci mostrerà gli aspetti metodologici e tecnici di queste tecniche. In particolare, dimostreremo singolo impulso ea due impulsi tecniche di TMS applicata al flessore radiale del carpo (FCR) muscolare così come la erettori spinali (ES) muscolatura. Il nostro laboratorio studia i muscoli FCR in quanto è di interesse per la nostra ricerca sugli effetti del polso-mano gessato sul rendimento muscolare ridotto 6,9, e studiamo i muscoli ES a causa di questi muscoli rilevanza clinica, in quanto riguarda il mal di schiena 8. Con questo detto, dobbiamo notare che TMS è stata utilizzata per studiare molti muscoli della mano, il braccio e le gambe, e dovrebbe ribadire che le nostre manifestazioni in FCR e gruppi muscolari sono solo ES selezionati esempi di TMS viene utilizzato per studiare la neuromuscolare umano sistema.

Protocol

1. TMS singoli e associati-Pulse dei muscoli FCR e ES

  1. Precauzioni di base di sicurezza: Prima di effettuare TMS su un soggetto umano, è necessario prima schermata loro per le misure di sicurezza di base in quanto riguarda l'esposizione ad un campo magnetico. Nel nostro laboratorio seguiamo le linee guida di screening indicati dall'Istituto per la Risonanza Magnetica di sicurezza, dell'istruzione e della ricerca 10. Nel nostro laboratorio abbiamo anche regolarmente escludere gli individui con una storia familiare di convulsioni epilessia. Abbiamo anche bisogno di soggetti sottoposti a TMS dei muscoli ES di indossare tappi per le orecchie e una bocca guardia a causa della minore intensità di stimolazione focale e più forte.
  2. Registrazioni elettrica: per esaminare le risposte TMS nel sistema motorio è necessario per la registrazione elettromiografica (EMG) segnali provenienti da muscoli scheletrici. Per il muscolo FCR mettiamo elettrodi di superficie sull'avambraccio con un arrangiamento elettrodo bipolare situato longitudinalmente sopra tha muscoli sulla pelle rasata e abrasa, come abbiamo descritto in precedenza 7,11. Per i muscoli erettori del erettori usiamo un accordo simile elettrodo situato longitudinalmente sopra i muscoli alla L3-L5 livello vertebrale sulla pelle rasata e abrasa 8.
  3. TMS Orientamento Coil: Per attivare prevalentemente neuroni cortico-transsynaptically è necessario posizionare la bobina TMS opportunamente 12. Per i muscoli FCR abbiamo posto a 70 mm figura di otto bobine TMS tangenziale al cuoio capelluto e di 45 gradi rispetto alla linea mediana in modo che i flussi di corrente indotta in una laterale-posteriore a mediale-anteriore direzione. Per i muscoli ES usiamo un doppio cono bobina che ha profondità maggiore penetrazione ed è necessaria a causa della rappresentazione di questi muscoli sono più in profondità nella homunculus. Qui, la bobina è posizionato in modo tale che la corrente scorre in una direzione anteriore a posteriore. Abbiamo modificato il nostro custom-coil con un sistema di attacco laser per aiutarci in subsequent riposizionamento della bobina doppio cono.
  4. Identificare 'hotspot': E 'necessario determinare la posizione stimolazione che provoca il più grande motore potenziale evocato. Per il muscolo FCR facciamo questo sottilmente spostando la bobina TMS intorno con incrementi molto piccoli e determinare dove si osserva la più grande evocati motori ampiezza potenziale. Una volta individuato si nota questa zona con inchiostro indelebile sia sul cuoio capelluto o un cappuccio in lycra. TMS dei muscoli ES è molto più scomodo da soggetti umani di TMS dei muscoli degli arti superiori. Di conseguenza, abbiamo ottimizzato il nostro protocollo TMS per i muscoli ES per aumentare sia la tollerabilità e la fattibilità. Qui, invece di localizzare la "hotspot" che usiamo misure antropometriche per identificare il vertice del cranio. In particolare, identifichiamo il vertice come l'intersezione del cranio in sagittale (tra il nasinon e inion) e coronale (tra il trago) aerei.
  5. Il posizionamento biomeccanico:
  6. Quantificare Soglia Motore: Per l'FCR, si determina soglia motoria (MT), fornendo impulsi singoli ad aumentare gradualmente intensità di stimolazione fino potenziali evocati motori hanno ampiezze superiori a 50 microvolt picco-picco in più del 50% delle prove (Figura 4) . Per semplificare il protocollo TMS e aumentare la tollerabilità e fattibilità non determina soglia motoria nella ES i muscoli con la stessa precisione come quando si prova la muscolatura degli arti superiori. Piuttosto, cominciamo il protocollo di TMS, fornendo un impulso iniziale solo al 50% della potenza massima di stimolatore per determinare se questa intensità dello stimolo è al di sopra o al di sotto della soglia del motore. Se un europarlamentare si osserva a questo stimolo di intensità definito come europarlamentare percepibile rispetto al livello dello sfondo EMG-l'intensità è ridotta al 40% della produzione stimolatore per determinare se questa intensità dello stimolo è sotto-o sopra-soglia dell'8.
  7. Quantificare ampiezza MEP con singolo impulso TMS: Per esaminare le potenziali evocati motori ampiezza del FCR forniamo un singolo impulso TMS al 'hotspot' ad una intensità pari al 130% della soglia motoria, e calcolare il picco-picco di ampiezza . Generalmente, normalizzare questo risultato alla massima potenziale di azione composto di fibre muscolari osservata in seguito sovramassimale stimolazione elettrica del nervo mediano. Dobbiamo notare che la dimensione del MEP è verdipende dal grado di eccitabilità corticale y. Di conseguenza, quando l'impulso TMS viene consegnato nel corso di una contrazione di fondo, quando l'eccitabilità corticale è aumentata, la dimensione parlamentare europeo aumenterà notevolmente. Per i muscoli ES, forniamo un singolo impulso TMS al vertice a un'intensità 40 o 50% al di sopra del sub-motore intensità soglia dell'8. Purtroppo, a causa dei nervi periferici che innervano i muscoli ES non sono accessibili alla stimolazione elettrica non siamo in grado di normalizzare questi potenziali evocati motori al potenziale di azione composto fibre muscolari.
  8. Quantificare Durata silenzioso Periodo con singolo impulso TMS: Quando un impulso TMS alla corteccia viene consegnato nel corso di una contrazione muscolare produrrà un potenziale evocati motori seguita dalla quiescenza elettrica prima di riprende l'attività che è indicativo di inibizione cortico-spinale e comunemente indicato come il silenzioso periodo di 13 (Figura 5). Per quantificare il periodo di silenzio forniamo un singoloTMS impulso al 'hotspot' ad una intensità pari al 130% della soglia motoria, mentre il partecipante allo studio è eseguire una flessione del polso contrazione muscolare del 15% della loro forza massimale. Non abbiamo precedentemente quantificato il periodo di durata silenzioso dei muscoli ES, ma dobbiamo notare che abbiamo aneddoticamente osservato la sua esistenza in questo gruppo muscolare quando la TMS impulso id consegnato nel corso di una contrazione di sfondo.
  9. Quantificare la facilitazione intracorticale utilizzando appaiati Pulse TMS: Noi usiamo accoppiato impulso TMS per quantificare facilitazione intracorticale 6,7 (Figura 6 e 7 rappresenta questa misura per la FCR e muscoli ES, rispettivamente). Per il muscolo FCR dobbiamo prima stabilire l'intensità stimolo necessario per ottenere un potenziale evocati motori che è compreso tra 0,5-1,0 mV. Successivamente, forniamo un condizionamento sottosoglia impulsi che nel nostro laboratorio è comunemente fissato pari al 70% del motore soglia-15-msec prima dell'impulso di prova suprathreshold. Questo condizionamentoimpulso fornito in questo periodo di tempo prima dell'impulso di prova aumenterà, o facilitare, l'ampiezza dei potenziali evocati motori più di un singolo impulso incondizionato della stessa intensità. Per il gruppo muscolare ES l'intensità degli impulsi di condizionamento è impostato sul osservato sub-motore intensità soglia (o 40% o 50% della produzione stimolatore) e l'intensità degli impulsi di prova è impostato al 40% al di sopra del sub-motore livello di soglia (80% o 90% della produzione stimolatore) 8. Dobbiamo notare che l'intensità degli impulsi di condizionamento potrebbe essere variata in funzione dell'obiettivo dello studio. Allo stesso modo, gli intervalli di impulso può variare a seconda del muscolo e la sua posizione rispetto alla corteccia.
  10. Quantificare breve intervallo inibizione intracorticale utilizzando appaiati Pulse TMS: Usiamo anche accoppiato impulso TMS di quantificare a breve intervallo di inibizione intracorticale 6,7 (Figura 6 e 7 rappresenta questa misura per i muscoli FCR e ES, rispettivamente). Qui, sia per ilFCR e muscoli ES, le procedure sono le stesse descritte per la misurazione della facilitazione intracorticale con l'eccezione che l'intervallo interstimulus tra i due impulsi è ridotto a 3 msec. Questo impulso condizionata consegnato a questo periodo di tempo prima dell'impulso di test diminuirà, o inibire, l'ampiezza delle potenziali evocati motori più di un singolo impulso incondizionato della stessa intensità.
  11. Quantificare lungo intervallo inibizione intracorticale utilizzando appaiati Pulse TMS: dare due identici impulsi di test suprathreshold che sono separati da 100 millesimi di secondo può essere utilizzato anche per valutare a lunghi intervalli di inibizione intracorticale 6,7. In questo caso per la FCR-muscolare il potenziale evocati motori associati al secondo impulso sarà più piccola, più o inibito, di quella associata con la prima (Figura 8). Non abbiamo quantificato in precedenza a lungo intervallo di inibizione intracorticale nei muscoli ES a causa delle preoccupazioni sul tema tollerabilità.

2. Rappresentante dei risultati:

Dopo la consegna di un TMS suprathreshold impulso, i muscoli sono stimolati dovrebbero dimostrare una risposta facilmente osservabili EMG (il MEP) (illustrati nelle figure 4-8). La latenza tra l'inizio stimolo e l'eurodeputato varierà tra i gruppi muscolari in esame, ma per l'FCR è generalmente 16-19 msec (figura 6) e per l'ES è 17-22 ms (Figura 7, anche se dovrebbe da notare che in alcuni soggetti definitiva insorgenza MEP nei muscoli ES è più difficile da identificare visivamente). Va notato che durante il test del muscolo ES gruppo più gruppi muscolari sono anche visibilmente e drammaticamente stimolati contemporaneamente (compresi i muscoli degli arti inferiori, che sono rappresentati all'interno della stessa regione generale del homunculus). Durante la misura di facilitazione intracorticale l'ampiezza MEP è generalmente più grande di quella osservata con un singolo impulso incondizionato (FIGURA 6 e 7). Tuttavia, è nostra esperienza che il grado di agevolazione varia tra i gruppi di muscoli con alcuni gruppi muscolari, ad esempio come la FCR-mostra solo modesta agevolazione in molti soggetti. Per la misura di breve intervallo e lunghi intervalli di inibizione intracorticale una diminuzione dell'ampiezza MEP è generalmente osservata rispetto ad un singolo impulso incondizionato della stessa intensità (figure 6-8).

Figura 1
Figura 1. I meccanismi di base della TMS. La bobina TMS induce un campo magnetico, che penetra nel cuoio capelluto e induce una corrente Eddy all'interno della corteccia motoria. Questo correnti parassite è quindi in grado di stimolare i neuroni all'interno del cervello. Figura ristampato da McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 2
Figura 2. Setup per l'esecuzione di T MS sul muscolo FCR. Nota la registrazione di elettromiografia (EMG) segnali l'avambraccio, e la pagaia TMS sulla corteccia motoria. In genere anche le forze muscolari registrare e utilizzare la stimolazione elettrica dei nervi periferici per ottenere il massimo potenziale delle fibre muscolari mescola azione, come questo è utile per interpretare i valori di ampiezza (ad esempio, si può esprimere e deputato europeo relativo alla risposta muscolare massima in contrapposizione ad un assoluto mV valore che può essere fortemente influenzata da fattori non fisiologici come il tessuto adiposo sottocutaneo). Figura ristampato dalla seguente: Clark et al. 2008 9, Clark et al., 2010 6, e McGinley et al. 2010 7.

Figura 3
Figura 3. Setup per l'esecuzione di TMS sui muscoli erettori della Spinale. Figura ristampato da Goss et al. 2011 8.

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Figura 4. Esempio di determinazione della soglia del motore. Le tracce EMG rappresentano i potenziali evocati motori (MEP) risposta a stimoli di intensità via via crescente (rappresentato come una percentuale della produzione stimolatore (SO)). Si noti che alla intensità inferiore (28-30% di SO) eurodeputati molto piccoli sono stati suscitato (sotto soglia), ma che al 32% SO un europarlamentare è stata evidenziata la soglia raggiunta motore (di solito definita come un eurodeputato con un ampiezza pp> 50 uV).

Figura ristampato da McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 5
TMS Figura 5 nel corso di una contrazione:. Potenziali evocati motori periodo e silenziosa. Il periodo di silenzio è stato osservato quando un soggetto compie una leggera contrazione e un singolo stimolo è applicato alla corteccia motoria. La prima parte del periodo di silenzio èa causa dell'inibizione del midollo spinale e l'ultima parte è attribuita alla inibizione corticale, i recettori GABA B specifico. Non c'è modo il consenso per quantificare la durata del periodo di silenzio, ma i nostri risultati indicano che sia la definizione di insorgenza stimolo o insorgenza MEP per il ritorno del segnale interferenza volontaria elettromiogramma è il più affidabile 15.
Figura ristampato da Clark e Quick, 2011 16, e McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 6
Cambia Figura 6. Potenziali evocati motori in dimensioni TMS-esimo impulso accoppiati del muscolo FCR. Misurazione di breve intervallo di inibizione intracorticale (SICI) e la facilitazione intracorticale (ICF). Per quantificare SICI ed ICF il polso condizionata (CP) è al di sotto della soglia del motore, e il polso di prova (TP) è impostato per evocare europarlamentari tra 0,5-1 mV. A intervalli brevi interstimulus(Ad esempio, 3-msec) il CP inibisce l'eurodeputato rispetto alla TP solo (SICI), mentre ad intervalli più lunghi interstimulus (ad esempio, di 15 msec) facilita l'eurodeputato (ICF).

CP: impulso condizionata, TP: Figura impulso prova ristampato da Clark et al, 2010 6, McGinley et al.. 2010 14, Clark e Quick, 2011 16, e McGinley e Clark, In Press 14.

Figura 7
Cambia la figura 7. In dimensioni potenziali evocati motori con TMS impulsi appaiati del muscolo ES. Esempio di tracce EMG dai muscoli erettori del erettore e la misurazione di breve intervallo di inibizione intracorticale (SICI) e la facilitazione intracorticale (ICF).
Figura ristampato da Goss et al. 2011 8.

Figura 8
Figura 8. Variazione motore evopotenziale KED dimensioni con TMS impulsi appaiati. Misurazione del lungo intervallo di inibizione intracorticale (Lici). Per quantificare Lici due impulsi di prova sono consegnati ad un intervallo interstimulus di 100-msec. Il risultato è l'eurodeputato seconda è inibita rispetto alla MEP prima.
Figura ristampato da Clark et al., 2010 6, McGinley et al. 2010 7 e McGinley e Clark, In Press 14.

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Discussion

L'obiettivo generale di questo articolo è quello di fornire agli scienziati e medici un resoconto visivo dei nostri laboratori uso di stimolazione magnetica transcranica. Tuttavia, oltre a fornire una visualizzazione di questi esperimenti, sotto discutiamo questioni fondamentali da considerare quando si esegue TMS in questo modo, fornire una breve panoramica della fisiologia di risposte TMS, e anche discutere il nostro uso di TMS per quanto riguarda l'utilizzo di altri.

Problemi generali di essere a conoscenza durante l'esecuzione di TMS Come descritto in questo articolo

Ci sono diverse questioni di essere a conoscenza durante l'esecuzione di paired-TMS impulsi. Per esempio, il Magstim BiStim 2 Sistema-probabilmente le attrezzature più popolari TMS linea offre la possibilità di combinare due Magstim 200 2 unità e permette accoppiato impulsi di stimolazione attraverso una singola bobina stimolante. Tuttavia, va notato che quando si è evocando deputati con l'impulso incondizionato cheè meglio impostare una delle unità Magstim a "0%" e ancora indicare un intervallo interpulso (ad esempio, 100 msec), in opposizione a spegnere l'unità. Essere motivo è che il 2 BiStim sistema quando una delle unità non è in summates due singoli impulsi forniti dal stimolatori Magstim per produrre un singolo impulso ad alta potenza pari a 113% di un singolo Magstim 200 2. Così, quando si sta usando l'impulso incondizionato per la normalizzazione a potenziali suscitato con abbinato impulso TMS è fondamentale che le intensità di prova a impulsi essere mantenuta costante in questo senso.

Problemi di essere a conoscenza durante l'esecuzione di TMS sui muscoli erettori spinali

Per quanto riguarda le procedure TMS per il gruppo muscolare ES ci sono diverse questioni specifiche e limitazioni di menzionare. Per esempio, l'intensità degli impulsi utilizzati nel nostro protocollo non vengono espresse in relazione alla soglia del motore. Nel singolo e associato impulsi studi TMS in appendicolari muscles è comune per soglie di motore da definire entro un intervallo relativamente piccolo (es. 1-3% della produzione stimolatore), e gli impulsi di condizionamento e di prova viene espressa rispetto ai livelli di soglia (per esempio, legumi condizionata pari al 70% della soglia motoria ) 17. In genere scelgono di non eseguire un protocollo di questa natura a causa del numero aggiuntivo di impulsi che sarebbero necessarie per determinare con precisione la soglia del motore. TMS dei muscoli dell'arto superiore è in genere altamente tollerabile, e isola la risposta contrazione per il segmento di arto mirati. Al contrario, TMS dei muscoli paravertebrali lombari è molto meno tollerabile. Abbiamo già segnalato che il nostro protocollo semplificato è sopportabile per la maggior parte soggetti (~ 5 su una scala di 0-10 con 10 intollerabile essere). Allo stesso modo, in genere scegliere di limitare ulteriormente il numero totale di impulsi TMS per il gruppo muscolare ES, stimolando direttamente il vertice per permettere la registrazione di risposte bilaterali. Questo stimulation sito è stato utilizzato in precedenti studi TMS dei muscoli paravertebrali lombari 18-22. Tuttavia, dobbiamo notare che la stimolazione vertice non può essere il sito ottimale per evocare deputati lombare come recenti scoperte indicano che il sito ottimale per evocare le risposte della controlaterale muscoli lombari paravertebrali si trova a 1 cm anteriore e 4 cm lateralmente al vertice 23 . Infine, dobbiamo notare che è la nostra esperienza che strettamente di controllo per il posizionamento biomeccanico / posturale della colonna lombare è fondamentale per ottenere dati affidabili TMS dal gruppo muscolare ES. Nel nostro lavoro abbiamo esaminato le risposte pilota in molte diverse posizioni posturali, ma ha scoperto che i nostri migliori risposte sono state ottenute con il soggetto seduto come illustrato nell'articolo video.

Fisiologia della singola Esito Pulse TMS

TMS impulso singolo, come dice il nome, prevede la consegna di un impulso magnetico al cervello e la registrazione ed esaminando la resultant EMG risposta. Il metodo si è dimostrato estremamente utile per testare l'integrità dell'intero tratto neuromuscolare. In generale, questo metodo viene utilizzato per dedurre variabili come soglia motoria, potenziali evocati motori ampiezza e la durata periodo di silenzio che tutti danno un'idea l'eccitabilità del sistema neuromuscolare. Sebbene questa tecnica ha permesso di ricerca di capire molto sul sistema neuromuscolare ha alcuni svantaggi, che si affronta in questa sezione.

Soglia motoria è definita come la più bassa intensità necessaria per evocare un eurodeputato nel gruppo muscolare controlaterale di interesse quando un singolo impulso è applicato alla corteccia motoria 3. Dopo il "hotspot" (la posizione in cui si osserva la più grande MEP) è stato trovato, MT è determinata dalla lentamente aumentando l'intensità dell'impulso applicato alla corteccia motoria fino a quando un europarlamentare è affidabile suscitato. In generale, la maggior parte dei ricercatori definisconosoglia dei muscoli a riposo come l'intensità dello stimolo necessario per evocare eurodeputato con una picco-picco di ampiezza che è maggiore di 50 uV nel 50% dei processi (ad esempio, in 5 su 10 prove) 3. Questo valore può anche essere definito durante la contrazione ('attivo MT') se lo stato-dipendente misure di interesse. Qui, MT è generalmente definito come una determinata quota di fondo dell'attività EMG (ad esempio, 2x sopra lo sfondo), o un'ampiezza assoluta (ad esempio, 300 uV). MT riposo è influenzato dall'orientamento, la densità e la suscettibilità elettrica dei neuroni corticali. Come tale, alterazioni MT riposo può riflettere cambiamenti a vari livelli [vale a dire, la membrana neuronale, assonale proprietà elettroniche, la struttura e il numero di proiezioni eccitatori sulla corteccia motoria primaria, o sovraregolazione dei recettori in questa regione 24 e quindi rappresenta una valutazione globale della eccitabilità della membrana dei neuroni piramidali 24,25. Per quanto riguardadi MT attiva, i risultati contrazione volontaria in una riduzione della soglia motoria rispetto alle condizioni di riposo, che è pensato per essere indicativo della grandezza del motore di volontariato per la via corticomuscular 26.

MEP ampiezza è un'altra misura risultato indicativo di eccitabilità. Quando TMS viene applicata la corteccia motoria ad una intensità superiore MT, onde indiretto ad alta frequenza (onde I) ha suscitato nel tratto corticospinale 27, che sono modificabili da meccanismi tra cui i neurotrasmettitori (cioè, glutatmate, GABA), modulatori della neurotrasmissione (cioè, l'acetilcolina, noradrenalina e dopamina) 25, e interneurones contattato da cellule del tratto cortico-28 con la reale efficacia della sinapsi corticomotoneuronal si dimostrano alcune attività-dipendente cambia tutti i 29 funzionamento di influenzare l'ampiezza del MEP. Come tale, l'ampiezza del segnale può essere modulato a both il livello corticale e spinale è difficile da analizzare in modo specifico in cui, spazialmente all'interno del sistema nervoso, si è verificato un cambiamento o una differenza esiste. Ridotto o aumentato ampiezze MEP può essere indicativo dei cambiamenti all'interno del sistema neuromuscolare e può essere associata a processi patologici specifici 3. Un altro modo di valutare l'eccitabilità cortico-spinale attraverso un singolo impulso TMS è attraverso lo sviluppo di una curva di reclutamento (o un ingresso-uscita curva). Qui, intensità dello stimolo è gradualmente aumentata e il cambiamento conseguente ampiezza del MEP è tracciata. Questa curva indica che vi è un nucleo di neuroni che sono necessari per la soglia del motore, ma ci sono neuroni aggiuntivi che possono essere reclutati per aumentare la risposta del muscolo 30.

Un altro risultato relativamente comune deriva da TMS singolo impulso è il periodo corticospinale silenzio. Fornire un impulso magnetico per la corteccia nel corso di una contrazione muscolare valutail periodo di silenzio. Questo impulso produce l'eurodeputato caratteristica come detto in precedenza seguita da quiescenza elettrica prima di riprende l'attività che è indicativo di inibizione cortico-spinale e comunemente indicato come il periodo corticospinale silenzio. Mentre non vi è una certa polemica circa il metodo migliore per quantificare l'intervallo di silenzio 31, ha dimostrato di essere un utile strumento scientifico per la comprensione dei meccanismi fisiologici con diagnostica clinica 32-34 potenziale. I meccanismi fisiologici alla base del periodo di silenzio non sono pienamente compresi, ma includono l'inibizione sia nella corteccia motoria e nel midollo spinale. La prima parte del periodo muto (50-60 ms) è attribuita a meccanismi all'interno del midollo spinale come l'attivazione di cellule Renshaw 3,35, mentre l'ultima parte è stata attribuita a meccanismi corticali, in particolare γ-aminobutirrico (GABA) recettore di tipo B inibizione mediata. I dati di questi alla base fisiologicas sono basate sui risultati che l'amministrazione di tiagabina, un inibitore della captazione GABA dalla fessura sinaptica nei neuroni, si traduce in un accorciamento del periodo di silenzio 35. Di conseguenza, questi risultati suggeriscono che il blocco dei GABA all'interno della corteccia motoria porta all'inibizione diminuito. Anche se il periodo di silenzio è una misura utile di inibizione ha alcuni trabocchetti. La più grande caduta di misurare il periodo silente è che se le modifiche vengono scoperti i loro localizzazione spaziale è difficile da accertare in quanto contiene componenti sia corticale e spinale. Nonostante l'impossibilità di utilizzare questo valore per localizzare adattamenti plastica o lesioni è ancora un buon riflesso di inibizione nel tratto neuromuscolare.

Fisiologia della Outcomes Pulse associati TMS

Simile a TMS impulso singolo, abbinato impulsi TMS può essere utilizzato per accertare le proprietà eccitatori e inibitori del sistema neuromuscolare. La differenza principaletra le coppie e le tecniche di singolo impulso, che sono appaiati impulsi esperimenti sono generalmente si pensa di misurare con maggiore precisione le proprietà intracorticale. I valori primari che vengono valutati sono brevi inibizione intracorticale (SICI), lungo l'inibizione intracorticale (Lici) e facilitazione intracorticale (ICF). In TMS impulso accoppiati due stimoli vengono applicati alla corteccia motoria e seconda dell'intervallo di interstimulus e intensità dello stimolo varie risposte eccitatorie ed inibitorie verrà osservato. Inoltre, abbinato impulsi TMS può essere utilizzata per studiare l'inibizione interemisferica e facilitazione utilizzando un paradigma simile.

Dopo l'hotspot e la soglia di motore sono stati determinati, SICI si manifesta mediante l'applicazione di un impulso sottosoglia (per esempio, 70-95% sotto soglia), e 2-4 ms dopo l'applicazione di un impulso suprathreshold. Il vantaggio di questa tecnica è che gli stimoli prima attiva i neuroni intracorticale, ma non attiva i neuroni motori inferiori nel spinalecavo. L'importo medio di inibizione osservato è del 20-40% del incondizionato MEP 3. Sulla base di una serie di studi farmacologici si suggerisce che il meccanismo alla base di SICI è l'inibizione mediata dal GABA A. Per esempio, la somministrazione di GABA A agonisti (ad esempio, lorazepam) aumento SICI, e la somministrazione di GABA re-uptake della serotonina (es. tiagabina) diminuire SICI 25. SICI ha un vantaggio rispetto alla misurazione singolo impulso del periodo di silenzio perché il livello di inibizione può essere localizzato alla corteccia motoria primaria.

La misurazione della ICF è praticamente identico a quello utilizzato nella valutazione SICI, tranne che l'intervallo interstimulus è più lungo (ad esempio, 10-25 msec). Semplicemente aumentando l'intervallo inerstimulus l'eurodeputato secondo evocato è facilitata 20-30% sopra uno stimolo incondizionato suprathreshold MEP 3, anche se è la nostra esperienza che il grado di agevolazione varia tra respective gruppi muscolari in corso di esame. ICF rappresenta un equilibrio o una combinazione di aumento e diminuzione della facilitazione proprietà inibitorie. Studi farmacologici hanno osservato che sia N-metil-D-aspartato (NMDA) e antagonisti GABA agonisti Una diminuzione ICF 25. Questi risultati indicano che ICF è mediata dalla facilitazione glutammato attraverso i recettori NMDA, ma questo processo è mitigato attraverso l'inibizione GABA A, suggerendo che SICI ed ICF non si escludono a vicenda.

Lici è un altro indicatore di inibizione intracorticale, ma questo paradigma impulsi appaiati ha due differenze principali rispetto al SICI ed ICF. Non solo è l'intervallo interstimulus maggiore (ad esempio, 50-200 ms), ma entrambi gli impulsi sono suprathreshold. Simile al SICI, il meccanismo fisiologico è mediata da GABA, ma in Lici l'inibizione si pensa che avvenga principalmente attraverso i recettori GABA B in contrasto con l'inibizione dei recettori GABA A come si è visto inSICI. Studi farmacologici amministrare baclofen, un agonista del GABA B, hanno osservato un aumento di Lici e una diminuzione indica che sono mediate dai recettori diversi SICI, ma sono correlati 36. È stato proposto che aumenta Lici da attivazione del post-sinaptica recettori GABA B e SICI è diminuito da attivazione del pre-synpatic recettori GABA B che riducono il rilascio di GABA 36. Pertanto, questi risultati suggeriscono l'Lici e l'ultima parte del periodo di silenzio sono mediate da meccanismi simili, GABA B.

Confronto e contrasto nostro uso di TMS a quella degli altri

In questo articolo abbiamo dimostrato TMS impulso singolo e associato applicata allo studio dei muscoli dell'avambraccio e della colonna lombare, ma dobbiamo notare che molti scienziati e medici (compreso il nostro gruppo) hanno usato la TMS per studiare altri muscoli della mano, parte superiore del braccio, gamba, eccQuindi, il documento di presentazione visiva è semplicemente vuole essere un esempio di approcci metodologici utilizzati nella ricerca TMS, al contrario di una panoramica completa dei suoi usi. Allo stesso modo, TMS può essere utilizzata per valutare altri parametri, non presentati in questo articolo. Alcuni di questi sono presentati e discussi di seguito.

Facilitazione e inibizione interemisferica: una diversa applicazione di coppie di impulsi TMS comporta uno stimolo sottosoglia applicata alla corteccia motoria e poi uno stimolo suprathreshold applicato al contrario corteccia motoria, che permette l'indagine delle interazioni interemisferica. Entrambe le agevolazioni interemisferica (IHF) e inibizione interemisferica (IHI) può essere osservato, ma IHI è una risposta forte. IHF non ha un ben definito protocollo o meccanismo, ma è stato osservato ad intervalli di 4-8 ms interstimulus 4. IHI può essere evocata in una vasta gamma di intervalli interstimulus (6-50ms), ed è partially mediata dal GABA B. Studi farmacologici amministrare baclofen, un agonista del GABA B, in particolare suggeriscono che IHIs intervallo più lungo sono stati mediati da recettori postsinaptici GABA B 4. In generale, la tecnica degli impulsi associati possono essere utilizzati per studiare una vasta gamma di variabili che forniscono informazioni sulle proprietà intracorticale e interemisferica.

TMS ripetitiva: TMS ripetitiva (rTMS) può essere usato anche per studiare il sistema neuromuscolare umano. Questo utilizza la sperimentazione stessa set-up base come TMS singolo impulso, ma una serie di stimoli a una intensità fisso vengono applicate alla corteccia motoria e gli effetti sulle variabili come europarlamentare ampiezza e il periodo di silenzio sono misurati. I parametri per rTMS può essere manipolata modificando l'intensità, frequenza, numero e durata degli stimoli. In generale ci sono due tipi di frequenze elevate (> 1Hz) o basso (<1 Hz), che sono associati a due tipi of post-sinaptico a lungo termine plasticità 37. Impulsi ad alta frequenza sono generalmente dato in modo intermittente per un periodo di tempo (ad esempio, 100 treni a 100 Hz ogni 10 s per una decina di studi) e che la stimolazione a bassa frequenza è data continuamente per un lungo periodo (ad esempio, 1Hz per 20-30 minuti) 34 . Quando gli stimoli sono applicati ripetutamente alla corteccia il risultato è una sommatoria temporale che porta ad un cambiamento maggiore attività corticale di un singolo impulso di 38. rTMS ha un grande potenziale in situazioni cliniche che verranno discussi ulteriormente nella sezione applicazione clinica. I meccanismi fisiologici alla base TMS alta e bassa frequenza sono mal definiti, ma sono generalmente si pensa a riflettere potenziale a lungo termine (LTP) e depressione a lungo termine (LTD), rispettivamente. Uno studio di Chen e colleghi hanno indicato che rTMS a bassa frequenza (900 impulsi a 1 Hz) negli esseri umani ha portato a cambiamenti nella eurodeputato ampiezza, soglia motoria, e diffondere l'eccitazione che riflette un depressione di eccitabilità corticale 39. Un altro studio con fettine di ippocampo di ratti ha osservato che ad alta frequenza rTMS (10 treni su 20 impulsi a 100Hz con intervalli di 1 s, 5 ripetizioni con intervalli di 10 s, o 3 treni di 100 impulsi a 100Hz con intervalli di 20 s) cambiamenti indotti LTP che sono direttamente correlati con l'attività NMDA 40. In generale si ritiene che l'attivazione del recettore NMDA, depolarizzazione postsinaptica, aumento della concentrazione intracellulare di calcio, e GABA mediare LTP e LTD 34,39,40, ma sono necessarie ulteriori ricerche per definire completamente il meccanismo di rTMS.

Cervicomidollare Potenziali Evocati. Stimolazione magnetica applicata sopra la parte posteriore della testa mediante un doppio cono stimolatore magnetico può essere utilizzato per attivare i tratti della colonna vertebrale ed evocano risposte motorie. Le risposte del motore, comunemente indicato come potenziali evocati cervicomidollare (CMEPs), sono di particolare interesse per gli scienziati interessati alla scomportamento egmental del percorso motore in quanto hanno una grande componente monosinaptico e come tale può essere usato per testare l'alfa-motorneuron eccitabilità 41.

Suscitando CMEPs è tecnicamente impegnativo, in quanto le risposte evocate sono relativamente piccole in ampiezza. In generale, le risposte si vedono meglio con la bobina posizionata con la sua sezione centrale, sopra o vicino alla inion e con l'attuale 41 diretto verso il basso. Tuttavia, in alcune risposte CMEP individui non si osservano più probabilmente a causa di differenze anatomiche con conseguente limite di stimolazione efficace non essere realizzabile come il decadimento di intensità degli impulsi magnetici per la radice quadrata della distanza. Tuttavia, con formazione adeguata e di competenze, laboratori con esperti di eseguire la stimolazione cervicomidollare giunzione hanno riportato alti livelli del giorno per giorno l'affidabilità (r = 0,87) 42. Accoppiando due stimolatori magnetici in serie consentirà un impulso più forte complessivo, Che può essere vantaggiosa quando si tenta di suscitare CMEPs. Inoltre, utilizzando contrazione volontaria per aumentare l'eccitabilità degli alfa-motorneuron piscina può aumentare la probabilità di ottenere risposte. Va notato che, mentre cervicomidollare la stimolazione magnetica è molto meno doloroso di stimolazione elettrica, che fa attivare i muscoli della testa e del collo e alcuni soggetti trovano questa esperienza di essere a disagio.

Mappatura corticale. Dal 1991, risposte motorie TMS evocati sono stati usati per mappare le funzioni cerebrali in uno stimolo diretto / evocato maniera risposta prima possibili solo durante l'intervento invasivo quando la superficie del cervello è stato esposto 43-45. Durante la mappatura corticale, una griglia è posto sul cuoio capelluto (ad esempio, una cuffia con uno schema a griglia) e le ampiezze MEP evocato in numerosi siti sono determinate ei valori sono tracciati per creare un 3-dimensionale rappresentanza tra localizzazione spaziale (x easse y ') e MEP ampiezza (asse z) 46. Queste mappe corticali fornire tre informazioni: la superficie totale del cuoio capelluto da cui MEP per il muscolo bersaglio sono stati registrati, il "punto caldo" per un muscolo, e il centro ampiezza ponderata di gravità (COG) 47. La COG corrisponde al centro della mappa TMS o il cuoio capelluto posizione / topografia dove la maggior parte dei neuroni può essere attivato per un muscolo o un movimento, che può o non può essere equivalente al punto caldo 46,48. Sposta nella posizione di COG (mediale direzioni laterale o anteriore posteriore) sono comunemente suggerite per dimostrare la riorganizzazione corticale o plasticità in risposta al danno, recupero spontaneo, oppure a causa di un intervento di riabilitazione 48,49.

Queste mappe corticali, mentre penetranti, devono essere interpretati con cautela. Anche se il protocollo di stimolazione è simile ai principi utilizzati da Penfield, i t è importante riconoscere che le mappe create con questa tecnica non si confronta in termini di precisione alle mappe create con microstimolazione intracorticale 46,48. Gli studi sugli animali hanno dimostrato che singoli neuroni cortico innervano diverse piscine motoneurone e quindi diversi muscoli e neuroni cortico che innervano un muscolo particolare sono distribuiti tra gli altri neuroni cortico proiettando a combinazioni muscolari differenti 50,51. Questo somatotopy mosaico della corteccia e le proiezioni sovrapposte midollo spinale, in combinazione con la mancanza di precisione stimolo con TMS significa che i muscoli più risponderà ad un singolo impulso TMS consegnato in un punto del cuoio capelluto matrice 46. L'utilità mappe possono essere ulteriormente confusi dal posizionamento degli elettrodi che permette cross talk, o segnali evocati nello stesso tempo da altri muscoli, di interferire con la specificità e la qualità del registrato MEP 47.

"> Tempo di conduzione. Tempo di conduzione centrale del motore è definito come la differenza di latenza tra i deputati indotta dalla stimolazione della corteccia motoria e quelli evocati da spinale (radice del motore) la stimolazione. E 'calcolato sottraendo la latenza del potenziale indotto dalla stimolazione spinale da quello della stimolazione corticale 3. Quando una bobina TMS è posta sopra la parte posteriore del collo o della colonna vertebrale lombosacrale, l'impulso magnetico stimolerà radici spinali, ma non la tratti discendente spinale stessi 3. Di conseguenza, il tempo di conduzione centrale del motore comprende probabilmente il vero tempo per la conduzione motore centrale più almeno un ritardo sinaptico a livello spinale e il tempo dalla radice prossimale del forame intervertebrale.

Accoppiato stimolazione associativa. Associati stimolazione associativa (PAS) è una tecnica che prevede la stimolazione di un nervo periferico e stimolazione TMS della corteccia motoria 30,52. Ildue stimoli vengono applicati a intervalli regolari in modo da indurre una risposta sincrona nella corteccia motoria. A seconda della lunghezza dell'intervallo gli stimoli si facilitano o inibiscono l'un l'altro 30,52. Per esempio, quando uno stimolo viene applicato il nervo mediano e 25 ms dopo la corteccia motoria agli stimoli facilitare l'un l'altro con conseguente potenziamento a lungo termine (LTP), come risposta 30. Al contrario se l'intervallo di stimolo è a soli 10 ms lo stimolo TMS inibisce la stimolazione dei nervi periferici con conseguente depressione a lungo termine (LTD) risposta 30. A causa di queste risposte, PAS viene spesso usato per aiutare la plasticità del cervello modello. Inoltre, gli studi con gli antagonisti del recettore NMDA ha mostrato che le risposte di tipo LTP nel PAS può essere bloccato, il che supporta ulteriormente il suo utilizzo come modello di plasticità 52. PAS ha anche alcune applicazioni cliniche, come la riabilitazione ictus, ma non è attualmente utilizzata nel modo più ampio rTMS 52

Applicazioni cliniche. TMS ha utilità clinica per la diagnosi e il trattamento selezionato condizioni neuromuscolari. Tecniche quali le tecniche di impulsi singoli e coppie vengono utilizzati dai ricercatori per capire meglio la patofisiologia di una varietà di malattie e molti con la speranza di trovare nuovi criteri diagnostici. Allo stesso modo, TMS viene utilizzato per aiutante nel processo diagnostico, aiutando medici e ricercatori di distinguere tra le malattie con presentazioni simili. Infine, un grande sforzo di ricerca è focalizzata sullo studio dell'utilità di rTMS come strategia terapeutica. Questa sezione discuterà gli usi clinici di TMS incentrato sulla malattia idiopatica di Parkinson, ictus, primario distonia, amytotrophic sclerosi laterale amiotrofica (SLA), e la sclerosi multipla (SM).

Ci sono una varietà di valori impulso singolo e associato TMS che hanno il potenziale per essere utilizzato nella diagnosi di una varietà di nedisturbi uromuscular. Ogni disordine neuromuscolare è un insieme distintivo di TMS risultati che possono essere utili a chiarire ulteriormente fisiopatologia, diagnosi e differenziare con disturbi simili presentazioni cliniche. Anche se non ci sono state conclusioni definitive, esiste la possibilità di TMS per aiutare a distinguere tra le condizioni di Parkinson (es. malattia di Parkinson, la degenerazione corticobasale), e distonia primaria e secondaria 34. Allo stesso modo, TMS ha il potenziale per aiutare a determinare l'esito prognostico per alcune condizioni neuromuscolari. Ad esempio, un buon fattore prognostico dopo ictus è la presenza dei deputati l'arto paretico quando l'emisfero colpito è stimolata 33,52. In generale, un grande sforzo di ricerca deve ancora essere condotti per determinare l'utilità di TMS nel processo diagnostico, ma i risultati attuali suggeriscono che ha un potenziale.

Oltre alla possibilità diagnostiche, una grande attenzionezione è stato dato rTMS come un potenziale strumento terapeutico. Una delle malattie più studiate è la malattia di Parkinson. Alcuni studi hanno osservato un miglioramento nella scala Unified Parkinson Disease: Voto (UPDRS), dopo di sotto della soglia rTMS ad alta frequenza alla corteccia motoria 30,34. Questi risultati vanno da un miglioramento del 15% al 50% nel risultato misurato che è durato fino a 1 mese 34. Purtroppo, la ricerca attuale è inconcludente perché c'è una grande variabilità nei protocolli che rende difficile chiarire il vero valore di rTMS come metodo terapeutico 3,32,34. Una manciata di studi che hanno indagato gli effetti della rTMS in distonia con risultati promettenti. La maggior parte di questi studi hanno utilizzato 1Hz rTMS applicata alla corteccia motoria primaria e di miglioramento dei sintomi osservato che durò per un paio d'ore per mesi dopo una singola sessione 30,34,53. Anche se questi risultati sono promettenti, più ricerca deve essere conducted per confermare questi risultati e indagare le potenzialità di più sessioni rTMS.

Ci sono stati diversi approcci rTMS nella riabilitazione dell'ictus. Gli studi hanno stimolato entrambi gli emisferi affetti e non nella speranza di facilitare il recupero dell'emisfero colpito. Nella maggior parte di questi studi vi è stato un significativo miglioramento sul punteggi di disabilità e di un complessivo miglioramento a breve termine della funzione motoria 3,30,52,54. Come la maggior parte dei metodi rTMS, gli studi più grandi dimensioni, controllato, a lungo termine devono essere eseguiti per mettere a punto il protocollo e determinare il potenziale terapeutico. Tuttavia, la promessa dimostrato in questo breve rassegna di rTMS come strumento terapeutico, garantisce la necessità di questi studi su larga scala per valutare la sua efficacia.

Conclusioni

In sintesi, in questo articolo abbiamo cercato di fornire prima un conto visiva di TMS procedure di base, almeno come occupati dal nostro laboratory. Inoltre, abbiamo cercato di evidenziare e discutere di altri usi scientifici e clinici di TMS a si riferisce al sistema neuromuscolare umano. Come TMS è in crescita esponenziale in popolarità, e, si spera, come ricerca continua, nuovi usi e le tecniche saranno applicate per ulteriormente la nostra comprensione del sistema neuromuscolare.

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Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato finanziato in parte da un finanziamento della Fondazione Heritage Osteopathic a BC Clark. Vorremmo stato un ringraziamento speciale a Marissa McGinley per la sua assistenza nella creazione di molte delle grafiche 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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