Valutazione non invasiva dei cambiamenti nella trasmissione corticomoturonale negli esseri umani

Summary

Lo scopo del presente studio era quello di valutare i cambiamenti nella trasmissione alle sinapsi corticomoturoniche nell'uomo dopo la stimolazione magnetica transcranica ripetitiva. A tale scopo viene introdotto un metodo elettrofisiologico che consente di valutare la trasmissione corticospinale specifica del percorso, ovvero la differenziazione dei percorsi corticospinali veloci e diretti da connessioni polisintettive.

Abstract

Il percorso corticospinale è il percorso principale che collega il cervello ai muscoli ed è pertanto molto rilevante per il controllo del movimento e l'apprendimento del motore. Esiste un certo numero di metodi elettrofisiologici non invasivi che indagano l'eccitabilità e la plasticità di questo percorso. Tuttavia, la maggior parte dei metodi si basa sulla quantificazione dei potenziali composti e trascurare che il percorso corticospinale consiste in molte connessioni diverse più o meno dirette. Qui presentiamo un metodo che consente di testare l'eccitabilità di diverse frazioni della trasmissione corticospinale. Questa cosiddetta tecnica di condizionamento H-riflesso consente di valutare l'eccitabilità dei percorsi più veloci (monosintetici) e anche polysynaptici corticospinali. Inoltre, utilizzando due diversi siti di stimolazione, la corteccia motoria e la giunzione cervicomodulare, consente non solo la differenziazione tra effetti corticali e spinali, ma anche la valutazione della trasmissione alla corticomSinapse otoneurale. In questo manoscritto descriviamo come questo metodo può essere usato per valutare la trasmissione corticomotoneurale dopo una stimolazione magnetica transcranica ripetitiva a bassa frequenza, un metodo precedentemente dimostrato per ridurre l'eccitabilità delle cellule corticali. Qui dimostriamo che non solo le cellule corticali sono influenzate da questa stimolazione ripetitiva ma anche la trasmissione alla sinapsi corticomotoneuronale a livello spinale. Questo risultato è importante per la comprensione dei meccanismi di base e dei siti di neuroplasticità. Oltre all'indagine dei meccanismi di base, la tecnica di condizionamento H-riflesso può essere applicata per testare i cambiamenti nella trasmissione corticospinale a seguito di interventi di comportamento ( ad es . Formazione) o terapeutici, di patologia o di invecchiamento e quindi consentono una migliore comprensione dei processi neurali che sono alla base del controllo del movimento e del motore apprendimento.

Introduction

Nei primati, il tratto corticospinale costituisce il principale percorso discendente che controlla le azioni volontarie ¹ . Il percorso cortico-spinale collega le aree motorie corticali agli α-motoneuroni spinali mediante connessioni dirette monocinaptiche corticomotoneuronali e tramite connessioni oligo- e polysynaptiche indirette ^{2 , 3} . Sebbene la corteccia motoria possa essere facilmente eccitata non invasiva dalla stimolazione magnetica transcranica (TMS), la risposta elettromiografica evocata a questa stimolazione è spesso difficile da interpretare. La ragione di questo è che il composto evocato potenziale motore (MEP) può essere influenzato da cambiamenti nell'eccitabilità dei neuroni intracorticali e corticospinali, interneuroni spinali e α-motoneuroni spinali ^{4 , 5 , 6 , 7} . Diversi elettrofisiologi non invasiviTecniche e protocolli di stimolazione mirano a determinare se i cambiamenti nell'eccitabilità e nella trasmissione corticospinale siano causati da cambiamenti a livello corticale o spinale. Di solito, i cambiamenti nell'ampiezza del riflettore H elettricamente evocato vengono utilizzati come "indicativi" delle alterazioni dell'eccitabilità nel pool di motoneuron. Tuttavia, è stato dimostrato in precedenza che il riflesso H dipende non solo dall'eccitabilità del pool di motoneuron, ma è anche modulato da altri fattori quali l'inibizione presinaptica ^{8 , 9} o la depressione post-attivazione omosintetica ^{5 , 10} . Un'altra limitazione nel confronto tra MEP e riflessi H è la disabilità per rilevare i cambiamenti di eccitabilità a livello interneuronale ^{11 , 12} . Oltre a questi inconvenienti, i motoneuroni possono essere attivati ​​in modo diverso dalla stimolazione del nervo periferico rispetto a wiTMS in modo che i cambiamenti nell'eccitabilità motoneuronale influenzino queste risposte in un modo diverso rispetto alle risposte mediate attraverso il percorso corticospinale ^{13 , 14 , 15} .

Un altro metodo utilizzato per separare la spina dallo effetto corticale rappresenta la stimolazione elettrica transcranica (TES) della corteccia motore ¹⁶ . Applicata a basse intensità di stimolazione, TES è stato sostenuto di non essere influenzato dai cambiamenti nell'eccitabilità corticale. Poiché entrambi TES e TMS attivano i α-motoneuroni attraverso il percorso corticospinale, il confronto tra MEPs magneticamente e elettricamente evocati fornisce un metodo più attraente per trarre conclusioni sulla natura corticale dei cambiamenti nella dimensione dei MEP rispetto al confronto tra riflessi H E deputati. Tuttavia, quando l'intensità di stimolazione è aumentata, i MEP evocati da TES sono influenzati anche dai cambiamenti nell'eccitabilità corticale <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Questo problema può essere aggirato quando la stimolazione elettrica non è applicata alla corteccia del motore, ma alla giunzione cervicomodulare. Tuttavia, sebbene la stimolazione elettrica possa evocare potenziali evocati motori cervicomodulari (cMEPs) negli arti superiori e nei muscoli dell'arto inferiore, la maggior parte dei soggetti percepisce stimolazioni elettriche al sistema cerebrale (e corteccia) come estremamente sgradevoli e dolorose. Un'alternativa meno dolorosa è quella di attivare il percorso cortico-spinale alla giunzione cervicomodulare usando la stimolazione magnetica all'inione ¹⁹ . È generalmente accettato che la stimolazione magnetica cervicomedulare (CMS) attiva molte delle stesse fibre discendenti come il TMS motorocorticale e che i cambiamenti nell'eccitabilità corticale possono essere rilevati confrontando MEP con cMEP ¹⁹ . Gli aumenti dell'eccitabilità delle cellule intracorticali e delle cellule corticomotoneuronali sono pensati per facilitare la corticaleHa evocato MEP senza un cambiamento concorrente nel MEP evocato nel cervicomodulare.

Tuttavia, nella maggior parte dei soggetti è impossibile ottenere cMEP magneticamente evocati nell'estremità inferiore al resto ^{20 , 21} . Un approccio per superare questo problema è quello di elevare l'eccitabilità dei motoneuroni spinali mediante volontario preconfezionamento del muscolo bersaglio. Tuttavia, è noto che piccoli cambiamenti nella forza di contrazione influenzano la dimensione del cMEP. Pertanto, è difficile confrontare i diversi compiti. Inoltre, i cambiamenti nell'eccitabilità motoneuronale dovuti alla pre-contrazione influenzeranno gli eurodeputati ei cMEP ma non necessariamente nella stessa misura. Infine, confrontando i MEP composti con i cMEP composti, alcune informazioni contenute nei volle discendenti vengono perse. Ciò è stato rivelato dagli studi che hanno coinvolto il condizionamento del riflesso H del muscolo soleus, tibiale anteriore e del muscolo radiale con stimoli motori magnetici corticaliIl ^{12 , 22} . Combinando la stimolazione del nervo periferico e la TMS sulla corteccia motoria con intervalli di interstimulazione specifici (ISI), è possibile studiare effetti facilitatori e inibitori dei diversi volle discendenti sul riflesso H. Questa tecnica è notevolmente ispirata dalla tecnica di facilitazione spaziale utilizzata per determinare la trasmissione nelle vie neurali in esperimenti animali e può essere considerata come una versione non invasiva e indiretta di tale tecnica ²³ . Mentre il riflesso H non è solo importante distinguere fra diverse frazioni del percorso corticospinale (proiezioni corticospinali veloci rispetto a quelle più lente), è anche essenziale elevare l'eccitabilità spinale in modo controllato e comparabile. Quindi, a riposo e durante l'attività, questa combinazione di tecniche di stimolazione consente di valutare le variazioni delle diverse frazioni del percorso cortico-spinale con una elevata risoluzione temporale, cioè in tÈ il più veloce, presumibilmente connessioni corticomotoneuronali monosynaptiche e in più lento percorso oligo- e polisintetico ^{12 , 22 , 24 , 25} . Recentemente, questa tecnica è stata estesa non solo condizionando il riflesso H con TMS sulla corteccia del motore (M1-condizionamento) ma anche tramite stimolazione aggiuntiva di condizionamento alla giunzione cervicomodulare (CMS-conditioning) ²⁶ . Confrontando gli effetti tra il condizionamento M1 e CMS, questa tecnica consente la differenziazione specifica del percorso con una elevata risoluzione temporale e consente di interpretare i meccanismi corticali e spinali. Inoltre, e soprattutto per quanto riguarda l'attuale studio, questa tecnica consente di valutare la trasmissione alla sinapsi corticomotoneurale quando si considera la facilitazione anticipata. L'agevolazione anticipata del riflesso H è probabilmente causata dall'attivazioneDi proiezioni corticomotoneurali dirette e monosintettive ai motoneuroni spinali ^{12 , 26} . Per testare i percorsi corticospinali più veloci e quindi la facilitazione precoce, il riflesso H deve essere lanciato da 2 a 4 ms prima del TMS. La ragione di questa è la latenza leggermente più breve del MEP (circa 32 ms; vedi ²⁷ ) rispetto al riflesso H (circa 34 ms; vedi ²⁵ ). Elicitando il riflesso H prima di applicare TMS, conduce alla convergenza delle eccitazioni ascendenti e più veloci che scendono a livello dei motoneuronali spinali. Quando il TMS viene applicato sulla giunzione cervicomodulare, il volley discendente arriverà intorno ai 3 - 4 ms prima nella piscina del motoneuron spinale che dopo la stimolazione su M1. Per la CMS, la stimolazione del nervo periferico dovrebbe essere evocata 6 - 8 ms prima dell'impulso magnetico. Un cambiamento della facilitazione precoce dopo il condizionamento del CMS indica il differenziale trL'ansmazione alla sinapsi tra il tratto corticospinale e l'α-motoneuron ²⁸ . Nello studio attuale, questa tecnica recentemente sviluppata è stata utilizzata per differenziare la spina dallo effetto corticale a seguito di TMS ripetitivo a bassa frequenza (rTMS). Più in particolare, abbiamo ipotizzato che se la facilitazione iniziale con M1-condizionamento è ridotta a seguito dell'intervento rTMS, ma la facilitazione iniziale dopo il condizionamento del CMS non è, l'effetto dovrebbe essere puramente corticale in origine. Al contrario, se si modifica anche la facilitazione precoce con il condizionamento del CMS, questa alterazione dovrebbe essere correlata a meccanismi che si svolgono a livello spinale. Più in particolare, in quanto l'anticipazione precoce del riflesso H si pensa che sia causata dall'attivazione di proiezioni dirette corticomoturoniche ai motoneuroni spinali ^{12 , 29} , un cambiamento del riflesso H-CMS e M1 condizionato all'epoca del L'agevolazione anticipata dovrebbe indicareE una trasmissione alterata di corticomotoneuronale, vale a dire l' efficacia sinaptica ²⁸ .

Protocol

Questo protocollo è stato approvato dal comitato etico locale e gli esperimenti sono conformi alla Dichiarazione di Helsinki (1964).

1. Preparazione del soggetto

NOTA: istruzioni del soggetto - Prima di iniziare con l'esperimento, indichi ogni argomento circa lo scopo dello studio e i potenziali fattori di rischio. Per la stimolazione magnetica transcranica (TMS), i rischi medici comprendono qualsiasi storia di epilessia epilettica, impianti mentali negli occhi e / o testa, malattie del sistema cardiovascolare e gravidanza. Escludere tutti i soggetti che affermano uno di questi fattori di rischio. Inoltre, nell'esperimento di test di individui sani, escludere tutti i soggetti con malattia neurologica e / o ortopedica.

1. Posizionamento del soggetto
   1. Posizionare il soggetto in una sedia che supporti le gambe, il tronco e la testa in posizione. Assicurarsi che le gambe siano estese in modo che le ginocchia siano estTerminata e il nervo periferico è più vicino alla pelle rendendo il nervo più agevole e più eccitabile per stimolazione elettrica.
   2. Assicurarsi che la testa del soggetto sia flessa, appoggiata su una superficie di supporto stabile, ad esempio una tavola ed è fissata con cuscini. Assicurarsi che il collo e l'atlanto-occipital siano flessi per consentire la stimolazione del percorso corticospinale.
   3. Posizionare la bobina magnetica a doppio cono in modo che la sua porzione centrale sia posizionata o vicina all'inione e la prima derivata della corrente indotta sia diretta cranialmente ^{19 , 26} . Utilizzare cinghie elastiche alla testa e al tronco per assicurare che questa posizione sia mantenuta durante l'esperimento.
2. Utilizzando gli elettrodi di superficie, misurare le risposte elettrofisiologiche mediante stimolazione nervosa periferica (PNS) e TMS.
   1. Preparare la pelle sopra il ventre muscolare del soleus rasatura, disinfezione con propanolo e abrasione leggeran.
      1. Posizionare gli elettrodi EMG autoadesivi sulla pelle sopra il ventre muscolare di m. soleo. Posizionare un elettrodo di riferimento sulla pelle sopra l'osso, ad esempio, sulla patella o sul malleolo mediale.
      2. Collegare tutti gli elettrodi ad un amplificatore EMG e infine ad un convertitore analogico-digitale. Amplificare i segnali EMG (× 1000), il filtro passa-banda (10 - 1000 Hz) e il campione a 4 kHz.
   2. PNS
      1. Per il condizionamento a riflessione H, registrare i riflessi H nel muscolo soleo stimolando il nervo tibiale posteriore nella fossa poplitea. Applausi stimolando con impulsi a onda quadrata in durata di 1 ms. Per la stimolazione, fissare un anodo di 5 x 5 cm con nastro sull'aspetto anteriore del ginocchio appena sotto la patella.
         NOTA: L'ampiezza dello stabile H-riflesso è un prerequisito per un condizionamento H-reflex di successo e la minima variabilità di tutti i muscoli si può trovare quando si registra dal muscolo soleus.
      2. Spostare il catodo nella popliteaL fossa fino a trovare la migliore posizione per la stimolazione.
         NOTA: La posizione migliore si riferisce alla registrazione di riflessi H nel muscolo soleo con minima intensità di stimolazione, senza un'onda M visibile nelle registrazioni EMG a queste intensità di stimolazione bassa e senza ricevere alcuna risposta nell'antagonista m. tibiale.
      3. Evitare le risposte in m. Tibialis come quelli possono influenzare i risultati con inibizione reciproca da Ia afferenti di n. Peroneus communis ai motoneuroni spinali del muscolo soleo. Dopo aver trovato la posizione ottimale, posizionare un elettrodo autoadesivo sulla pelle e fissare l'elettrodo con nastro per garantire condizioni di stimolazione coerenti.
   3. TMS
      1. Stimolare l'area corticale del motore dell'emisfero contralaterale con TMS usando una figura a otto bobine per provocare potenziali evocati dal motore (MEP) nelle registrazioni elettromiografiche del muscolo soleus.
      2. Al fine di trovare il punto di stimolazione ottimale, plaCe la bobina prima sul vertice e frontale di 1 cm. La maniglia della bobina dovrebbe puntare indietro, evocando un posteriore al flusso anteriore della corrente indotta nel centro della bobina.
      3. Avviare la stimolazione con basse intensità di circa il 20-30% dell'uscita massima stimolatore in modo che i soggetti si abituino allo stimolo magnetico. Scegli la pausa tra stimoli successivi per essere 4 s.
      4. Dopo alcuni studi, aumentare l'intensità della stimolazione a circa il 40-60% dell'uscita massima del stimolatore e spostare la bobina nella direzione frontale-rostrale e medio-laterale per trovare l'hotspot di m. soleo. L'hotspot è definito come la posizione in cui i MEP nel m. Il soleus può essere evocato con una minima intensità di stimolazione.
      5. Dopo aver individuato l'hotspot di soleus, determinare la soglia del motore di riposo (1,0 MT) come l'intensità minima necessaria per evocare le ampiezze picco-pic-MEP nell'EMG superiore a 50 μV in sei su dieci prove consecutive ³⁰. Nei soggetti in cui l'EMG di fondo è già di circa 50 μV, utilizzare 100 μV come soglia.
   4. Fissaggio della bobina
      1. Posizionare la testa del soggetto su una tavola (vedere "Posizionamento del soggetto") e utilizzare la schiuma rigida per evitare movimenti della testa in tutte le direzioni. Fissare la bobina ad un supporto e la testa del soggetto alla sedia.
      2. Fissare la bobina con nastri Velcro alla testa e utilizzare un sistema di navigazione TMS guidato dall'immagine per monitorare la posizione della bobina e della testa durante tutto l'esperimento. Evitare anche piccoli movimenti della bobina rispetto alla testa del soggetto in quanto ciò modifica il reclutamento dei neuroni da parte di TMS.
   5. Stimolazione magnetica alla giunzione Cervicomedullary
      1. Utilizzare una bobina magnetica a doppio cono posizionata alla giunzione cervicomodulare per eccitare gli assoni del tratto corticospinale.
      2. Posizionare la bobina in modo che il primo derivato della corrente indotta iS diretto cranialmente e che la sua porzione centrale sia accesa o vicina all'inione. Applicare la stimolazione con l'uscita massima dello stimolatore (100%).
         NOTA: Anche con questa intensità di stimolazione elevata, lo stimolo è troppo debole per reclutare adeguatamente motoneuroni spinali e attivare i muscoli della gamba inferiore ( cioè m. Soleus e m. Tibialis anterior) nella maggior parte dei soggetti. Quindi, con stimolazione cervicomedollare, non esiste alcun potenziale composto nella superficie EMG dei muscoli della gamba inferiore. Quindi, combinare la simulazione cervicomodulare con il riflesso H (vedi "3.1) per aumentare l'eccitabilità dei motoneuroni spinali.

2. Premeasurement

1. Regolare la dimensione del riflesso H (stimolazione del nervo periferico)
   1. Per il condizionamento H-reflex, regolare la dimensione del riflesso H al 20% dell'onda M massima (Mmax) ³¹ modificando l'intensità di stimolazione dello stimolatore elettrico. Per ottenere Mmax, registrare unCurva di reclutamento H-reflex. A tal fine, applicare stimoli con intensità di stimolazione variabile. La pausa tra prove successive è di 4 s.
   2. Calcola i riflessi H e le onde M come ampiezze di picco-picco nell'EMG (in mV) on-line nel software di registrazione. Fare attenzione che la dimensione del riflettore H di controllo rimanga costante al 20% di Mmax durante l'esperimento e controllare la dimensione in ogni prova. Quando si rileva una deviazione sistematica della dimensione del riflesso H (riflesso H di controllo è sempre più piccolo o più grande come la dimensione di destinazione), regolare l'intensità di stimolazione appena prima della prova consecutiva.
2. Regolare l'intensità di stimolazione di TMS prima dell'esperimento.
   1. Per il condizionamento a riposo H, impostare l'intensità di stimolazione per TMS sulla corteccia del motore a 90-100% di MT. Assicurarsi che nessun MEP sia visto in prove senza PNS.
      NOTA: L'intensità di simulazione dovrebbe essere prossima al 100% della MT per garantire grandi effetti sul riflesso H condizionato a rIn modo che l'agevolazione anticipata sia facilmente individuabile.
   2. Regolare l'intensità di stimolazione cervicomedollare prima dell'esperimento. A differenza della stimolazione corticale, regolare sempre l'intensità della stimolazione per la stimolazione cervicomedollare al 100% della massima stimolazione.
3. Condizione del riflesso H con stimolazione magnetica sulla corteccia del motore.
   1. Applicare TMS e PNS variando la temporizzazione tra i due stimoli (condizionamento H-riflesso) per consentire la valutazione dei cambiamenti nella trasmissione corticomotoneuronale. Per rilevare l'agevolazione anticipata, avviare il protocollo di condizionamento con un intervallo di interstimulus (ISI) di -5 ms e modificare gli ISI in passi di millisecondi, da -5 a +1 ms ( Figura 1B ).
      NOTA: Gli ISI negativi indicano che PNS viene generato prima del TMS, mentre gli ISI positivi indicano l'opposto.
   2. Varia l'ISI tra TMS e PNS a caso dalla prova di stimolazione alla prova di stimolazione in modo che nessuna polarizzazione a causa di un determinato ordineDi stimoli possono sorgere.
      NOTA: L'"agevolazione anticipata" dovrebbe avvenire intorno agli ISI da -4 ms a -2 ms quando si applica TMS sulla corteccia del motore. Ciò significa che i più veloci (percorsi corticospinali monosintettivi) si scontrano con il volley afferente da PNS ai motoneuroni spinali in questo momento (vedere 5.2 per rilevare la facilitazione precoce).
   3. Impostare la pausa tra prove successive di stimolazione a 4 secondi.
4. Condizionare il riflesso H con stimolazione magnetica sulla giunzione cervicomodulare.
   NOTA: Utilizzando la stimolazione cervicomodulare per il condizionamento, l'eccitazione dei percorsi corticospinali è spatialmente più vicina ai motoneuronali spinali che con la stimolazione della corteccia motoria. Pertanto, l'ISI corrispondente alla prima facilitazione viene spostato di circa 3 - 4 ms. Ad esempio, la facilitazione precoce con TMS sulla corteccia motore primaria a -4 ms corrisponderebbe ad un ISI compreso tra -7 e -8 ms con stimolazione cervicomodulare.
5. Stimolazione alternativa sulla corteccia del motore e sulla giunzione cervicomedullare
   1. Applicare il condizionamento del SOL H-riflesso mediante stimolazione magnetica della corteccia del motore (M1-condizionamento, vedere 2.1) e mediante stimolazione cervicomodulare magnetica (CMS-conditioning, vedere 2.2) in un ordine casuale durante lo stesso trial.
      NOTA: Si raccomanda di applicare in alternativa M1 e CMS in una sola prova allo scopo di far riferimento ai riflessi H condizionati allo stesso campione di riflessi H di controlloEe Figura 1 ).

3. Intervento - Slow TMS ripetitivo

1. Impostare l'intensità di stimolazione a 1,2 MT, che induce una soppressione duratura ^{32 , 33 di} eccitabilità corticospinale necessaria perché il condizionamento H-riflesso richiede diversi minuti per eseguire. Durante l'intervento rTMS, applicare TMS sulla corteccia motore primaria a 1 Hz per 20 minuti.

4. Postmeasurement

1. Direttamente dopo l'intervento, applicare il condizionamento H-riflesso con gli stessi ISI usati nella premeasurement.
2. Utilizzare le stesse intensità di stimolazione per la stimolazione magnetica su M1 e la giunzione cervicomodulare rispetto alla pre-misurazione.
3. Assicurarsi che il controllo H-reflex abbia la stessa dimensione della preimpostazione. Se viene rilevata una deviazione sistematica, regolare l'intensità della stimolazione.

DaTa Processing

1. Calcola tutte le risposte fisiologiche come riflessi H, MEP e riflessi H condizionati come ampiezze picco-picco dell'EMG non corretta.
   1. Per ciascuna ISI, i riflessi H basati in media di dieci per una stimolazione corticale e b) cervicomodulare. Inoltre, mediamente dieci riflessi H di controllo ( cioè incondizionati) che fungono da riferimento ( cioè al 100%) per i riflessi H condizionati.
   2. Di conseguenza, esprimere l'ampiezza media dei riflessi H condizionati per ogni ISI come percentuale dell'ampiezza media del riflesso H di controllo sia in pre- che in post-misurazione. Fare attenzione quando si determina l'agevolazione anticipata in quanto ciò è di importanza cruciale:
      NOTA: in presenza di variabilità inter-individuale nel verificarsi dell'insorgenza della facilitazione precoce, determinare separatamente l'agevolazione anticipata nella premeasura per ogni soggetto.
2. Utilizzare test Wilcoxon non parametrici per determinare il thPrimo salto del riflesso H condizionato. Per il condizionamento CMS, avviare i test a ISI -9 ms, per la ricerca di condizionamento M1 la prima facilitazione a partire da ISI -5 ms. Confrontare l'ampiezza di questa facilitazione iniziale ottenuta nella pre-misurazione con l'ampiezza della facilitazione iniziale ottenuta nella post-misurazione utilizzando la stessa ISI.
3. Inoltre, verificare la facilitazione anticipata tramite ispezione visiva.
   NOTA: dopo il condizionamento M1, l'agevolazione anticipata è più probabile che si verifichi intorno a ISI -3 ms. Poco dopo il primo aumento del reflex H condizionato, vale a dire da 1 a 2 ms più tardi, c'è un calo del riflesso H condizionato prima di risorgere di nuovo. Dopo il condizionamento del CMS, la facilitazione iniziale è probabile che si verifichi intorno a ISI -7 ms, quindi, circa 4 ms prima che dopo il condizionamento M1.

Representative Results

Evento di facilitazione anticipata dopo M1 e CMS

Il condizionamento H-riflesso con TMS su M1 ha consentito una facilitazione anticipata che si è verificata intorno a ISI -3 & -4 ms. La facilitazione iniziale dopo il condizionamento del CMS è avvenuta circa 3 ms prima (rispettivamente ISI -6 & -7 ms). Esempi di curve ISI di un soggetto sono visualizzate in Figura 1 . Nel presente studio, la prima facilitazione è stata valutata entro i primi ms della sua comparsa con sia M1 che CMS (cfr. Figura 1C , D ). Pertanto, è ragionevole supporre che questa facilitazione anticipata rifletta l'attività di percorsi corticospinali diretti, monosatinici ^{12 , 22 , 24 , 29 ,}Lass = "xref"> 34. I risultati successivi si concentrano quindi su questa facilitazione precoce per dare un'indicazione di come l'elaborazione è alterata in percorsi corticospinali diretti e monosintettivi dopo rTMS.

I cambiamenti indotti da rTMS nell'ampiezza della facilitazione iniziale

Dopo 20 minuti di rTMS, si è registrato un calo in entrambi, l'agevolazione anticipata con M1-condizionamento e la facilitazione precoce con il condizionamento CMS. Al contrario, il riflesso H di controllo è rimasto a un livello costante. Nella Figura 2 A, B, C viene visualizzato un esempio di un soggetto rappresentativo. Nella figura 2 D, E, F è fornita la media di due soggetti. Si può vedere che, sebbene la riduzione non sia tanto prominente dopo il condizionamento del CMS che dopo il condizionamento di M1, è comunque chiaramente visibile. Il dSet di tutti i campioni possono essere visualizzati in ²⁸ .

Figura 1 : Procedura di condizionamento M1 e CMS.
Questa figura modificata da una delle nostre precedenti pubblicazioni ²⁸ mostra un disegno schematico della procedura di condizionamento M1 e CMS. (A) Si può vedere che una bobina è posta sopra la corteccia motore primaria (indicata come M1) e l'altra sulla giunzione cervicomodulare (indicata come CMS). ( B) in quanto i volle discendenti dopo la stimolazione magnetica della corteccia motore primaria (M1-cond) e la giunzione cervicomodulare (CMS-cond) sono disperse per qualche ms, ma la stimolazione nervosa periferica (riflesso H) produce solo un effetto corto, Il riflesso H può essere spostato in avanti in relazione alla volle discendenteY in modo che collide con la frazione rapida (est) del discendente corticospinale volley (facilitazione anticipata) o può essere spostato all'indietro in modo che i percorsi più lenti del corticospinale possono essere testati (facilitazione tardiva). In C , viene visualizzata una curva di condizionamento H-riflesso dopo M1-condizionamento. In D , viene illustrata la curva di condizionamento H-riflesso dopo il condizionamento CMS. (Figura modificata da ²⁸ con autorizzazione da Oxford University Press). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2 : Effetti della rTMS a bassa frequenza sulla Facilitazione iniziale dopo il condizionamento M1 e CMS.
In A, B e C Ong> dati (medie di 10 tracce) di un soggetto rappresentativo prima e dopo l'intervento rTMS. Si può vedere che i reflex H condizionati rappresentanti le facilitazioni iniziali si riducono dopo entrambi, M1- (A) e CMS-conditioning (B), mentre i riflessi H di controllo rimangono invariati (C). In D, E, & F , viene visualizzata la media di due soggetti che mostrano lo stesso schema: riduzione sia nei riflessi H sia condizionati da M1 e CMS senza alcuna modifica del controllo H riflesso. La riduzione dopo il CMS condiziona la trasmissione trasmessa alle sinapsi corticomotoneuronali. Tuttavia, si può vedere che la soppressione dopo rTMS è maggiore dopo M1-condizionamento. Così, si possono presumere anche profondi cambiamenti a livello del motore corticale. I valori P nella prima riga si riferiscono ai dati del singolo soggetto. (Figura modificata da ²⁸ con autorizzazione da Oxford University Press).Pload / 52663 / 52663fig2large.jpg "target =" _ blank "> Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

La procedura di condizionamento H-riflesso descritta qui è stata specificamente indirizzata a valutare i cambiamenti acuti nella trasmissione sulla sinapsi corticomotoneuronale dopo l'attivazione ripetitiva del percorso corticospinale ²⁸ . A questo proposito, il condizionamento a riflessione H ha evidenziato che rTMS non solo influenza l'eccitabilità delle strutture corticali, ma ha anche un effetto sulla trasmissione corticomotoneurale alla sinapsi corticomotoneurale. Tuttavia, questo metodo può avere un'applicazione più ampia, in quanto i cambiamenti nella trasmissione corticospinale si verificano durante lo sviluppo del motore e l'invecchiamento, l'apprendimento del motore, l'esercizio fisico e la formazione, la stanchezza, l'inattività, il recupero da lesioni, interventi neurofisiologici e terapeutici, patologia ecc. Applicato in soggetti coraggiosi o in pazienti fino a quando si seguono le precauzioni di sicurezza TMS.

Il metodo introdotto può essere applicato per studiare all'interno della sessione efEsegue come nel contesto attuale o gli effetti longitudinali in un arco di tempo più lungo. La tecnica di condizionamento M1 è stata precedentemente dimostrata per consentire una valutazione affidabile degli effetti, ad esempio 8 settimane di immobilizzazione ³⁵ , 4 settimane di allenamento di equilibrio ^{36 , 37} e quattro settimane di formazione di resistenza balistica ³⁶ . In tutti questi studi, non sono stati osservati cambiamenti nei riflessi H condizionati nei gruppi di controllo, che non sono stati sottoposti ad un intervento comportamentale. Considerando la tecnica di condizionamento del CMS alle nostre conoscenze, nessuno studio è stato finora pubblicato sugli effetti a lungo termine.

Un protocollo di condizionamento con circa 12-14 ISI dura circa 15 minuti. Ciò significa che questo protocollo di stimolazione non è adatto per valutare la plasticità neurale più corta. Tuttavia è spesso possibile limitare la procedura di verifica dell'intervento post-interventoDuri per specificare, ad esempio, l'agevolazione anticipata valutata nella pre-misurazione e quindi abbreviare la durata della procedura in modo significativo a pochi minuti. In questo caso è importante determinare l'agevolazione anticipata per ciascun soggetto singolarmente. Questo è stato fatto nella misurazione di base e successivamente rispetto alla prima facilitazione ottenuta nella post-misurazione usando gli stessi ISI (s).

Il vantaggio di condizionare il riflesso H da TMS applicato su M1 o la giunzione cervicomodulare anziché monitorare i potenziali composti è duplice. In primo luogo, è possibile misurare la trasmissione selettiva di proiezioni corticospinali distinte, ad esempio per valutare i cambiamenti nell'attività di riflessione iniziale di facilitazione delle proiezioni corticomoturonali veloci e dirette. Questo è un grande vantaggio rispetto all'analisi delle potenziali ampiezze potenziali poiché queste ultime risposte sono influenzate da una moltitudine di effetti diretti e indirettiS. In secondo luogo, spesso non è possibile ottenere potenziali composti (CMEPs) mediante la stimolazione magnetica cervicomodulare, in particolare per i muscoli dell'estremità inferiore e durante le misurazioni a riposo (Ugawa et al., 1994, Oya et al., 2008). Usando il condizionamento H-reflex, il riflesso H aumenta la suscettibilità dei neuroni del motore spinale alla trasmissione corticospinale. Tuttavia, è importante mantenere la dimensione della costante H di riflessione del controllo SOL durante l'esperimento a circa il 20-25% di M _max, come è stato dimostrato in precedenza che la sensibilità del riflesso H agli ingressi facilitatori o inibitori dipende in modo cruciale da La sua dimensione ³¹ .

Per valutare se i cambiamenti nell'eccitabilità o trasmissione corticospinale sono causati da cambiamenti a livello corticale o spinale, alcuni studi hanno confrontato le risposte generate da TMS su M1 con risposte dopo TES di M1 ¹⁶ . TMS e TES differiscono rispetto a thE modo in cui essi provocano discendenti corticospinal volleys. Con TMS, una grande parte della risposta composta è causata da eccitazione transsinaptica delle cellule corticospinali ^{38 , 39} . Al contrario, TES depolarizza in maniera diretta una maggior percentuale di neuroni corticospinari, probabilmente in un sito assonale lontano dal colletto dell'assone, con conseguente cosiddetta 'diretta' o onda D ^{38 , 39 , 40} . I cambiamenti nell'eccitabilità della corteccia motorica influenzano quindi più fortemente le risposte dopo TMS rispetto a quelle successive alla TES - almeno a basse intensità di stimolazione ^{17 , 18} . Nell'attuale contesto TES non è stato applicato perché a) questo tipo di stimolazione è associato a notevoli dolori e b) volevamo garantire l'esclusione delle influenze corticali. Pertanto, abbiamo confrontato le risposte eliciCon TMS su M1 con risposte generate da TMS alla giunzione cervicomodulare. Per consentire la stimolazione del percorso corticospinale a livello cervicomedollare è necessario collocare l'oggetto in una posizione in cui il collo e l'articolazione atlanto-occipitale siano flessi per consentire il posizionamento della bobina in modo che la sua porzione centrale sia posta su O in prossimità dell'inione, con conseguente corrente craniale diretta ^{19 , 26} . Le modifiche delle risposte di questa procedura di condizionamento del CMS possono quindi essere chiaramente attribuite a cambiamenti a livello spinale. Inoltre, visto che l'anticipazione precoce del riflesso H condizionato è dovuto all'attivazione di proiezioni dirette corticomotoneuronali ai motoneuroni spinali ^{12 , 29} , un cambiamento del riflesso H del CMS condizionato al momento della facilitazione iniziale indica Una trasmissione corticomotoneuronale alterata cioè 28 .

Anche se è davvero una prospettiva rilevante che i metodi descritti possono anche essere applicati per ottenere misure per le estremità superiori attraverso la stimolazione dei nervi periferici nel braccio e le registrazioni dei muscoli del braccio o della mano, questa tecnica è limitata ai muscoli in cui è Possibile ottenere un H-riflesso stabile. Inoltre, a causa del carattere spiacevole del condizionamento CMS, i soggetti possono tendere in previsione dello stimolo. Pertanto, è importante per la randomizzazione di M1 e CMS per evitare una polarizzazione sistematica. Per la stessa ragione, taluni esperimenti che comportano compiti di simulazione mentale o di tempo di reazione potrebbero anche non essere possibili. Per esempio, abbiamo chiesto ai soggetti di immaginare determinati compiti posturali (cfr. ⁴¹ ), ma i soggetti non potevano concentrarsi sulla simulazione mentale quando anticipavano il condizionamento del CMS. Un'altra limitazione è l'utilizzo di questo metodo durante altriAttività dinamica in quanto è a) molto difficile fissare la bobina sopra la giunzione cervicomodulare e b) mantenere la testa in posizione flessibile. Infine, il metodo richiede molto tempo, limitando ulteriormente la sua applicazione in senso lato.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Self-adhesive EMG electrodes	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to record EMG signals
Electrical stimulator	Digitimer DS7A, Hertfordshire, UK		Used to elicit the soleus H-reflex
Stimulating electrode	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to elicit the soleus H-reflex
Magnetic stimulator #1	Magstim Rapid2 TMS stimulator, Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil #1: 90 mm figure-of-eight coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
			Stimulator #1 and coil #1 were used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex)
Magnetic stimulator #2	MagPro X100 with MagOption, MagVenture A/S, Farum, Denmark		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Co#2: 95 mm focal “butterfly-shaped” coil (D-B80)	MagVenture A/S, Farum, Denmark
Stimulator no2 and coil no2 were used in the video session
Magnetic stimulator #3	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Coil #3: double-cone magnetic coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Image-guided TMS navigational system #1	Brainsight 2, Rouge Research, Montreal, Canada		Used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex) to monitor coil position throughout the experiment
Image-guided TMS navigational system #2	TMS Navigator SW-Version 2.0, LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany	Used for the video session
Literature:
Taube et al. 2014	Taube, W., Leukel, C., Nielsen, J. B. & Lundbye-Jensen, J. Repetitive Activation of the Corticospinal Pathway by Means of rTMS may Reduce the Efficiency of Corticomotoneuronal Synapses. Cerebral cortex, doi:10.1093/cercor/bht359 (2014).