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Neuroscience

Misurazione del periodo di silente controlaterale indotto dalla stimolazione magnetica transcranica a impulso singolo per studiare l'inibizione corticospinale M1

Published: August 23, 2022 doi: 10.3791/64231
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3,4, 1
1Neuromodulation Center and Center for Clinical Research Learning, Spaulding Rehabilitation Hospital and Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 2Universidad de Investigación para la Generación y Síntesis de Evidencia en Salud, Universidad San Ignacio de Loyola, 3Research and Development, Soterix Medical, 4City College of New York

Summary

La valutazione del periodo di silente controlaterale (cSP) è un biomarcatore promettente per indicizzare l'eccitabilità corticale e la risposta al trattamento. Dimostriamo un protocollo per valutare cSP destinato allo studio dell'inibizione corticospinale M1 degli arti superiori e inferiori.

Abstract

Il periodo di silente controlaterale (cSP) è un periodo di soppressione dell'attività muscolare elettrica di fondo catturata dall'elettromiografia (EMG) dopo un potenziale evocato motorio (MEP). Per ottenere ciò, un MEP viene suscitato da un impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS) sovrasoglia erogato alla corteccia motoria primaria (M1) del muscolo bersaglio selezionato, mentre il partecipante fornisce una contrazione muscolare bersaglio volontaria standardizzata. Il cSP è il risultato di meccanismi inibitori che si verificano dopo il MEP; Fornisce un'ampia valutazione temporale dell'inibizione spinale nella sua iniziale ~ 50 ms e dell'inibizione corticale dopo. I ricercatori hanno cercato di comprendere meglio il meccanismo neurobiologico alla base del cSP per convalidarlo come potenziale biomarcatore diagnostico, surrogato e predittivo per diverse malattie neuropsichiatriche. Pertanto, questo articolo descrive un metodo per misurare M1 cSP degli arti inferiori e superiori, inclusa una selezione del muscolo bersaglio, il posizionamento degli elettrodi, il posizionamento della bobina, il metodo di misurazione della stimolazione della contrazione volontaria, l'impostazione dell'intensità e l'analisi dei dati per ottenere un risultato rappresentativo. Ha l'obiettivo educativo di fornire una linea guida visiva nell'esecuzione di un protocollo cSP fattibile, affidabile e riproducibile per gli arti inferiori e superiori e discutere le sfide pratiche di questa tecnica.

Introduction

Il periodo di silenzio (SP) è un periodo di silenzio elettromiografico (EMG) che segue un potenziale motorio evocato (MEP) indotto dalla stimolazione magnetica transcranica (TMS) applicata durante la contrazione muscolare sostenuta. L'impulso TMS soprasoglia può essere applicato alla corteccia motoria primaria controlaterale o omolaterale (M1) del muscolo bersaglio da cui viene registrata l'attività EMG producendo due fenomeni: periodo di silente controlaterale (cSP) e periodo di silente omolaterale (iSP).

Anche se iSP e cSP condividono caratteristiche simili, possono riflettere componenti leggermente diversi. Si ritiene che il primo rifletta l'inibizione transcallosa e quindi sia interamente di origine corticale 1,2. Al contrario, cSP è studiato come un possibile surrogato dell'inibizione corticospinale, molto probabilmente mediata dai recettori B dell'acido gamma-aminobutirrico (GABA) all'interno di M1 3,4,5.

A sostegno del ruolo di cSP nelle vie mediate da GABA, lavori precedenti hanno riscontrato un aumento della durata del cSP dopo somministrazione orale di componenti potenzianti il GABA 5,6,7,8. Tuttavia, i processi spinali sono anche coinvolti nell'alterare la sua durata. La fase precedente (<50 ms) del cSP è associata a valori ridotti del riflesso H3-a che è un prodotto dei neurocircuiti periferici e che quantifica l'eccitabilità dei neuroni spinali9. Si ritiene che l'elaborazione spinale sia mediata attraverso l'attivazione delle cellule di Renshaw, la post-iperpolarizzazione del motoneurone e l'inibizione postsinaptica da parte degli interneuroni spinali 10,11,12,13,14.

Nonostante il contributo spinale, cSP deriva principalmente dall'attivazione dei neuroni inibitori corticali, che sono responsabili della generazione della parte successiva del cSP (50-200 ms)3,10,13,15,16. A tale riguardo, la prima parte della durata della cSP è stata associata a meccanismi di inibizione spinale, mentre i cSP lunghi richiedono meccanismi inibitori corticali più grandi 3,13,17,18.

Pertanto, cSP è un promettente biomarcatore candidato per il disadattamento corticospinale dovuto a disturbi neurologici, mentre durate più significative di cSP riflettono potenzialmente un aumento dell'inibizione corticospinale e viceversa 5,11. Di conseguenza, lavori precedenti hanno trovato un'associazione tra la durata del cSP e patologie come distonia, morbo di Parkinson, dolore cronico, ictus e altre condizioni neurodegenerative e psichiatriche 19,20,21,22. Per illustrare, in una coorte di osteoartrosi del ginocchio, una maggiore inibizione intracorticale (come indicizzato da cSP) è stata associata a età più giovane, maggiore degenerazione della cartilagine e minori prestazioni cognitive nella scala di valutazione cognitiva di Montreal23. Inoltre, le variazioni della cSP potrebbero anche indicizzare longitudinalmente la risposta al trattamento e il recupero motorio 24,25,26,27,28,29,30.

Per quanto promettente sia il ruolo del cSP nel campo della neuropsichiatria, un aspetto impegnativo della sua valutazione è che può essere troppo sensibile alle variazioni del protocollo. Ad esempio, la durata del cSP (~100-300 ms)11 è distinguibile tra arti superiori e inferiori. Salerno et al. hanno trovato una durata media del cSP di 121,2 ms (± 32,5) per il primo muscolo interosseo dorsale (FDI) e 75,5 ms (± 21) per il muscolo tibiale anteriore (TA), in un campione di pazienti con fibromialgia31. Pertanto, la letteratura trasmette una miriade di divergenze nei parametri utilizzati per ottenere cSP, che a sua volta mette a repentaglio la comparabilità tra gli studi e ritarda la traduzione nella pratica clinica. All'interno di una popolazione simile, i protocolli sono stati eterogenei per quanto riguarda l'impostazione dell'impulso TMS sopra soglia utilizzata per stimolare M1 e il muscolo bersaglio, per esempio. Inoltre, i ricercatori non sono riusciti a riportare correttamente i parametri utilizzati nei loro protocolli.

Pertanto, l'obiettivo è quello di fornire una linea guida visiva su come applicare un protocollo cSP fattibile, affidabile e facilmente riproducibile per valutare l'eccitabilità corticospinale M1 degli arti superiori e inferiori e discutere le sfide metodologiche pratiche di tale procedura. Inoltre, per aiutare a illustrare il ragionamento per la scelta dei parametri, abbiamo condotto una revisione della letteratura non esaustiva su Pubmed / MEDLINE per identificare articoli pubblicati su cSP nelle popolazioni di dolore cronico e riabilitazione, utilizzando il termine di ricerca: Riabilitazione (Mesh) o riabilitazione o dolore cronico o ictus e termini come stimolazione magnetica transcranica e singolo impulso o periodo di silenzio corticale. Non sono stati definiti criteri di inclusione per l'estrazione e i risultati aggregati sono visualizzati nella tabella 1 solo a scopo illustrativo.

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Protocol

Questo protocollo prevede la ricerca su soggetti umani ed è in alleanza con le linee guida istituzionali ed etiche dei comitati etici locali e la Dichiarazione di Helsinki. Il consenso informato è stato ottenuto dai soggetti per l'utilizzo dei loro dati nello studio.

1. Procedure pre-sperimentali

  1. Screening del soggetto. Screening del soggetto per impianti intracranici, epilessia, storia di convulsioni e gravidanza. Utilizzare le linee guida del questionario per garantire la conformità con le precauzioni di sicurezza aggiornate32.
    1. La consegna di impulsi elettromagnetici con TMS è controindicata per le persone con impianti intracranici di materiale ferromagnetico, come schegge, clip di aneurisma o frammenti di saldatura. Prendere precauzioni con gli individui ad aumentato rischio di convulsioni.
    2. La valutazione TMS non rappresenta alcun rischio fetale per le donne in gravidanza a cui si consiglia di avere una posizione conservativa quando si tratta di questa popolazione. È sicuro applicare la TMS nelle popolazioni pediatriche, procedere con cautela in alcune fasi dello sviluppo (ad esempio, chiusura della fontanella, maturazione dell'eccitabilità corticale e crescita del canale uditivo esterno)33.
  2. Preparazione dei materiali. Per questa procedura, oltre ai dispositivi TMS ed EMG, avere a disposizione una cuffia da nuoto, tamponi per alcol (con la preparazione di alcol isopropilico al 70%), gel conduttivo e un computer acceso con la configurazione del software EMG e un dinamometro appropriato per il muscolo studiato (vedi Tabella dei materiali).
    NOTA: Le cuffie da nuoto hanno il vantaggio di essere l'opzione più economica e accessibile che consente comunque valutazioni TMS affidabili e riproducibili senza causare il disagio di marcare la testa dei soggetti.

2. Istruzioni appropriate per i pazienti

  1. Spiega i passaggi di base della procedura e quanto tempo ci vorrà.
  2. Istruire il partecipante a rimanere sveglio ma a non eseguire attività cognitive che richiedono ulteriore attenzione e / o concentrazione (ad esempio, calcoli matematici, meditazione, ecc.) e anticipare che potrebbero verificarsi contrazioni della mano / mascella o effetti collaterali plausibili. Tali eventi potrebbero sembrare inaspettati per un soggetto inesperto e quindi compromettere la procedura.
    NOTA: La TMS a polso singolo e accoppiato è stata associata solo a eventi avversi lievi, transitori, tra cui mal di testa, dolore locale, dolore al collo, mal di denti e parestesia. Le convulsioni sono rare e non sono stati associati altri eventi avversi gravi33. Per una maggiore sicurezza, si consiglia di offrire tappi per le orecchie, a causa della possibilità di suoni nocivi, e morsi per la possibile contrazione del massetere34.

3. Procedure sperimentali (Figura 1)

  1. Selezionare il muscolo per posizionare gli elettrodi.
    1. Chiedi al soggetto di mettere la mano sul tavolo, in posizione prona. Selezionare il muscolo FDI, localizzato tra il primo e il secondo metacarpo osseo. Per identificare gli IDE, chiedi al soggetto di rapire il dito indice contro la resistenza, mantenendo fermo il resto della mano e sdraiato sul tavolo, mentre stai palpando l'area.
    2. Esporre l'area selezionata. Utilizzare un rasoio usa e getta per radere l'area per migliorare il contatto degli elettrodi con la pelle, se necessario, e pulire l'area con tamponi imbevuti di alcool per rimuovere gli oli della pelle e altri fattori che potrebbero aumentare l'impedenza. Certificare che ci sia pelle libera per garantire il contatto con l'elettrodo.
      NOTA: Se si valuta l'attività degli arti inferiori, utilizzare il muscolo TA per il posizionamento degli elettrodi. È localizzato sul lato laterale della tibia e si trova vicino alle superfici della pelle. Può essere identificato dalla dorsiflessione della caviglia.
  2. Posizionare gli elettrodi EMG di superficie
    1. Con l'area esposta e pulita, applicare il gel conduttivo su ciascun elettrodo del canale per garantire una buona impedenza.
    2. Posizionare l'elettrodo negativo sulla pancia del muscolo FDI (il centro o il rigonfiamento più prominente della pancia muscolare) e il positivo sull'articolazione interfalangea distale, con una distanza inter-elettrodo di almeno 1,5 cm. Posizionare l'elettrodo di riferimento (neutro) sul polso, sopra il processo stiloideo ulnare.
      NOTA: La presenza di endpoint motori, tendini muscolari o altri muscoli attivi può influire sulla stabilità delle registrazioni, quindi è importante evitare queste posizioni35. Per il muscolo TA, gli elettrodi devono essere posizionati a un terzo sulla linea che collega la punta del perone e la punta del malleolo mediale. Fornire una distanza di 20 mm tra il polo di ciascun elettrodo e posizionare l'elettrodo di riferimento nella caviglia.
  3. Determinare la forza di contrazione muscolare richiesta
    1. Utilizzare un dinamometro digitale a pizzico e un supporto piramidale quadrangolare per ridurre al minimo le distorsioni meccaniche ed elevare la sensibilità per contrazioni minime.
    2. Posizionare il dinamometro tra il primo e il secondo dito con l'aiuto del supporto piramidale. Assicurati che il terzo, il quarto e il quinto dito siano ancora sul tavolo, mentre il 1 ° e il 2° generano le forze del movimento di pizzicamento.
    3. Con la posizione fissa, chiedere al partecipante di premere il dinamometro con il primo dito e il lato della piramide con l'indice, schiacciando il sistema dinamometro-piramide con la loro massima forza e creando una forte contrazione del muscolo FDI.
    4. Utilizzando tale valore come riferimento, determinare il 20% della forza massima. Il partecipante deve esercitarsi a mantenere l'obiettivo al 20% della contrazione sostenuta. Consentire variazioni dal 15% al 25% di MVC.
      NOTA: In alternativa, in caso di indisponibilità di un dinamometro in grado di catturare l'attività muscolare isolata oggetto di indagine, utilizzare il feedback EMG per standardizzare la forza. Il software di registrazione misurerà l'ampiezza massima picco-picco che corrisponde alla forza massima del soggetto e, utilizzando quel valore come riferimento, determinerà il 20% MVC. I soggetti possono ricevere indizi visivi e / o uditivi di quando viene raggiunto il 20%.
  4. Identificazione della posizione iniziale per la ricerca dell'hotspot
    1. Metti una cuffia da nuoto sulla testa del soggetto. Tutti i punti di riferimento saranno contrassegnati su di esso.
    2. Misurare la circonferenza sagittale della testa dal nasion (il punto tra la fronte e il naso) all'inion (il punto più prominente nella regione occipitale). Dividi quel valore per due e segna quel punto centrale sulla testa.
    3. Segnare la posizione della nasion, dell'inion, dell'elica delle orecchie esterne destra e sinistra e della cresta sopraorbitale destra e sinistra. Questo per certificare che il cappuccio non è scivolato durante la procedura e / o che in esperimenti futuri sarà ugualmente posizionato sulla testa del paziente.
    4. Come descritto sopra, misurare la distanza trago-trago e aggiungere un segno a metà strada. Segnare l'intersezione tra di loro, un punto identificato come vertice (Cz).
    5. Dal vertice, spostarsi di 5 cm lateralmente in parallelo alla linea mediosagittale, sul lato controlaterale del muscolo selezionato. Questo segno identifica approssimativamente il (M1), allo stesso livello coronale della corteccia motoria della mano. Utilizzare questo come primo punto per avviare la ricerca dell'hotspot.
    6. L'hotspot è l'area della corteccia motoria in cui è rilevabile la soglia motoria più bassa. Imposta una bassa intensità (ad esempio, il 30% della potenza massima dello stimolatore [MSO]) e avvia la ricerca erogando più impulsi al primo punto.
    7. Perseguire con piccoli incrementi di intensità fino a identificare lo stimolo più basso che rileva una risposta indicizzata EMG (ad esempio, MEP). Per l'erogazione degli stimoli, inclinare la bobina a forma di otto a 45° rispetto alla linea mediosagittale con l'impugnatura rivolta verso la parte posteriore del paziente.
    8. Per garantire che sia stato identificato il punto migliore, spostarsi intorno al primo punto e testare i successivi ~ 3 MEP a 1 cm anteriormente, 1 cm lateralmente, 1 cm mediale e 1 cm posteriormente. Ripetere questa procedura tutte le volte che è necessario per una risposta coerente; attenersi al punto che suscita il più grande MEP36.
    9. Una volta trovato l'hotspot, segnare quel punto nella testa del paziente (cuffia da nuoto). Utilizzare questa posizione durante questo esperimento e le potenziali visite di follow-up. Fai attenzione a non causare disagio al soggetto a causa di una pressione extra. Usa entrambe le mani per sostenere la bobina sulla testa del soggetto.
  5. Determinare la soglia del motore a riposo (RMT)
    1. Stimare la soglia motoria come l'intensità minima richiesta per promuovere un MEP di ampiezza minima rilevabile (di solito almeno 50-100 μV).
    2. Per determinare la soglia motoria, applicare dieci stimoli consecutivi all'hotspot e selezionare l'intensità più bassa che ha prodotto un MEP con un'ampiezza picco-picco di almeno 50 μV sul muscolo target, nel 50% degli studi.
      NOTA: Questo protocollo può essere fatto con il muscolo bersaglio a riposo (soglia motoria a riposo [RMT]) o durante la contrazione attiva (soglia motoria attiva [AMT]). Entrambi possono essere ulteriormente utilizzati come riferimenti per gli impulsi TMS soprasoglia. L'acquisizione dell'AMT è più soggetta alla variabilità perché si basa sulla standardizzazione di MVC, che può essere un problema per gli studi longitudinali con valutazioni multiple.
  6. Protocollo CSP
    1. Fornire stimoli al di sopra della soglia per suscitare i deputati durante la contrazione tonica volontaria del muscolo bersaglio.
    2. Erogare 10 stimoli con l'intensità di stimolazione (SI) del 120% della RMT con 10 s di periodo tra di loro. Durante l'applicazione degli stimoli, chiedere al paziente di mantenere il 20% della massima contrazione motoria del muscolo bersaglio, come praticato con il dinamometro.
    3. Per garantire l'acquisizione dell'intero SP, certificare che la finestra temporale EMG sia sufficientemente lunga da acquisire fino a 400 ms di attività EMG. Non di rado - a seconda della malattia studiata - i soggetti potrebbero richiedere SI più elevati per ottenere un cSP di successo.

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Representative Results

Dopo aver seguito la procedura passo-passo, l'erogazione di un impulso TMS sopra soglia (120% della RMT) susciterà un MEP osservabile nella registrazione EMG del muscolo bersaglio e un successivo periodo di soppressione dell'attività EMG di fondo di circa 150 ms a 300 ms (Figura 2). Da quel modello EMG, è possibile calcolare le metriche cSP. Gli esiti più riportati sono la durata (nell'intervallo di ms) dell'SP relativo e assoluto. L'SP relativo viene misurato dall'inizio del MEP alla ricomparsa dell'attività EMG. Un'alternativa è utilizzare l'uscita amplificata stimolata dal motore (MSO = 120% di RMT, come da protocollo) per stabilire l'insorgenza di SP relativo. Poiché l'insorgenza reale a livello di rete non può essere conosciuta, selezionare l'insorgenza MEP come punto di partenza iniziale per aumentare l'affidabilità sperimentale13. D'altra parte, l'SP assoluto può essere misurato dalla fine del MEP all'inizio del riemergere dell'attività EMG volontaria. Ad esempio, utilizzando una registrazione dell'attività EMG a riposo del soggetto come riferimento per il confronto qualitativo. Tali parametri temporali possono essere identificati manualmente o utilizzando un software automatizzato37.

Una questione metodologica fondamentale per un calcolo accurato del cSP è la definizione del riemergere dell'attività di fondo EMG. Qui si possono esplorare due approcci: il primo è l'utilizzo del calcolo di prova individuale. In questo caso, il calcolo si basa su una misura prova per prova, utilizzando ciascuna registrazione per calcolare la durata del cSP. Quindi, una media (o mediana) dei singoli studi può essere calcolata e riportata. Il secondo approccio consiste nell'utilizzare prove multiple rettificate. Per questo approccio, tutte le prove saranno rettificate e quindi dovranno essere mediate e sovrapposte l'una con l'altra. Quindi, utilizzando le tracce rettificate e mediate, calcolare la durata del cSP utilizzando i segni temporali medi. Il principale vantaggio di questo metodo è la sua precisione e la più facile identificazione della ricomparsa dell'attività EMG volontaria rispetto al livello di EMG tonico basale36. L'uso della media rettificata è vantaggioso perché è più comparabile e riduce la variabilità tra i soggetti.

È importante ricordare che la durata del cSP può essere prolungata come funzione sigmoidea dell'intensità dello stimolo38, ma è a malapena influenzata dal grado di contrazione intenzionale del muscolo bersaglio39. Inoltre, le ampiezze MEP aumentano con l'aumentare delle intensità di stimolo. Kojima et al. hanno dimostrato che questi aumenti dell'ampiezza MEP (secondari ad aumenti di intensità) sono anche accompagnati da aumenti della durata del cSP40. Questo comportamento è previsto poiché si ritiene che la durata di MEP e cSP sia influenzata da fattori comuni38. Questi fattori comuni sembrano essere presenti in tutto il tratto spinale corticale e non nell'unità motoria; poiché gli aumenti dell'intensità dello stimolo aumentano entrambi, ma gli aumenti della contrazione muscolare non influenzano la durata del cSP.

Con questa discussione, è possibile concludere che l'intensità dello stimolo e la contrazione muscolare devono essere attentamente considerate durante l'analisi e l'interpretazione dei risultati. Il cSP è caratterizzato da un aumento lineare dovuto al SI, ma poi si raggiunge un plateau ad alte intensità; Questo modello è altamente variabile tra i soggetti39, poiché potrebbero avere pendenze uniche e diverse intensità di plateau. Un'analisi alternativa potrebbe includere la valutazione del cSP durante intensità progressivamente aumentate per eseguire una curva input-output (I/O), e quindi il cSP può essere ottenuto utilizzando l'intensità alla quale la curva I/O raggiunge il plateau41,42. Infine, poiché il cSP è influenzato da qualsiasi attività o esposizione che possa produrre eccitabilità corticale e cambiamenti di inibizione, si raccomanda di valutare e registrare i fattori confondenti generali nell'analisi. Ad esempio, utilizzando una lista di controllo per la segnalazione per gli esperimenti TMS43.

Interpretazione cSP
Il test TMS nel presente studio è stato utilizzato per mostrare l'implementazione di un biomarcatore fattibile e versatile di inibizione di M1. In generale, più lunga è la durata della SP, si osserva una maggiore inibizione corticospinale M144. Tuttavia, diversi fattori devono essere considerati per la sua interpretazione. In primo luogo, il cSP è definito da processi sia spinali che cortico-sottocorticali45. I componenti spinali rappresentano approssimativamente i primi 50 ms46. La durata rimanente è fortemente influenzata da meccanismi corticali come l'inibizione degli interneuroni M1 e altre afferenze inibitorie all'interno di M1 (da regioni sottocorticali e altre cortecce), mediate principalmente dai neuroni GABAergici B dopo un'importante attivazione corticale che ha suscitato MEPs6. È stato suggerito che il ruolo di questa inibizione è quello di prevenire movimenti indesiderati e sostenere il controllo motorio47. In secondo luogo, i fattori comportamentali e cognitivi possono influire sulla durata del CSP, nonché sui disturbi neuropsichiatrici motori e non motori45,48. A causa di questa duplice natura di cSP, i suoi valori devono essere interpretati all'interno del contesto dell'esperimento (popolazione target e uso di compiti di controllo motorio concomitanti).

Figure 1
Figura 1: Fasi sperimentali. 1. Posizionamento dell'elettrodo sulla pancia del muscolo FDI 2. Posizionamento del dinamometro tra le dita. 3. Contrazione volontaria del muscolo bersaglio per testare la standardizzazione del 20% MVC 4. Misurazioni della testina e impulsi TMS per l'identificazione dell'hotspot e della RMT (stimoli più bassi che suscitano un MEP di almeno 50 mV in cinque prove su dieci) 5. Protocollo CSP, consistente di 10 impulsi con 120% RMT distanziati di 10 secondi, durante la contrazione muscolare sostenuta. Nella figura in basso al centro, il piccolo rettangolo rosso rappresenta un singolo impulso TMS e divide lo stimolo pre-TMS (contrazione muscolare sostenuta e attività EMG di fondo) e la registrazione cSP. Il CSP è considerato dall'inizio del MEP fino al riemergere dell'attività di base EMG, rappresentata all'interno del rettangolo blu. Nel rettangolo giallo viene visualizzata la latenza MEP. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: MEP nella registrazione EMG del muscolo bersaglio. Sull'asse X, millisecondi (ms) e sull'asse Y, millivolt (mV) del segnale EMG. Da sinistra a destra: la linea rossa indica l'attività muscolare elettrica di fondo davanti al MEP, successivamente, dopo aver osservato l'effetto elettrico dell'impulso TMS è seguito dal potenziale evocato dal motore. Dopo il MEP, c'è una soppressione del segnale EMG noto come SP. Può essere relativo, contando l'intervallo dall'inizio dell'onda MEP al ritorno dell'attività in background EMG o SP assoluto, contando l'intervallo dalla fine del MEP al ritorno dell'onda di fondo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

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Discussion

Il SI predefinito per suscitare MEP e SP può variare in base alla popolazione. Intensità fino all'80% RMT hanno dimostrato di suscitare cSP in individui sani39, ancora studi su popolazioni sane e malate hanno usato intensità fino al 150% RMT 49,50,51. Sebbene questa fonte di eterogeneità possa essere inerente alla natura della popolazione target, non dovrebbe essere trascurata in quanto diversi SI hanno dimostrato di dettare autonomamente (indipendentemente dalla forza di contrazione muscolare) il periodo di attività EMG silenziosa successivo al MEP39,49,52. Le RMT dal 110% al 120% hanno suscitato con successo SP in una vasta gamma di popolazioni, pur essendo ancora tollerabili per i partecipanti53,54. Tuttavia, il 110% di RMT potrebbe essere borderline, dal momento che gli SI inferiori al 110% non sono riusciti a suscitare SP o SP indotti con durata inferiore a 50 ms39, che potrebbero rappresentare esclusivamente componenti spinali piuttosto che corticali o corticospinali dell'inibizione M1. Inoltre, SI più elevati sono associati a una diminuita focalizzazione della stimolazione e ad un aumento del disagio del paziente, specialmente nelle popolazioni malate con RMT55 più elevati, in cui alte percentuali di stimoli soprasoglia potrebbero corrispondere a una produzione di stimolatori vicina al massimo. Ciò può compromettere l'adesione dei partecipanti al protocollo utilizzato56. Anche se l'utilizzo del 120% RMT sembra essere la configurazione SI più sicura e adatta in generale, i ricercatori dovrebbero standardizzare il SI controllando precedenti esperimenti di successo condotti nella popolazione di interesse. La standardizzazione tra popolazioni simili è importante per facilitare ulteriori statistiche aggregate.

L'esperimento è tipicamente fatto utilizzando un singolo SI, ma alcuni studi hanno studiato le risposte cSP a più di una configurazione dello stimolo 53,57,58,59,60. Nel contesto di condizioni senza una chiara fisiopatologia o letteratura precedente, o in cui la comprensione del comportamento SP è l'obiettivo dello studio, si raccomanda di tracciare i cSP rispetto alle successive intensità crescenti dello stimolo (cioè un incremento del 10% in una curva stimolo-risposta sigmoide)42. In tal caso, il ricercatore dovrebbe prendere in considerazione l'aggiunta al protocollo di pause di riposo per evitare l'affaticamento muscolare. Anche se ancora contraddittorio, vi è una notevole quantità di prove che le cSP non sono influenzate dal livello di contrazione muscolare 39,61,62; Tuttavia, è influenzato dall'affaticamento muscolare63,64,65,66. Un valore del 20% della contrazione volontaria massima (MVC) ha costantemente dimostrato di suscitare con successo SP con meno probabilità di indurre affaticamento60,67,68,69.

Un altro parametro significativo che può contribuire all'eterogeneità dei risultati di cSP in letteratura è il muscolo selezionato per valutare cSP dopo gli stimoli TMS. Gli studi hanno scoperto che diversi muscoli possono reclutare reti di motoneuroni distintivi, che a loro volta avranno effetti divergenti sul cSP. Questo è vero non solo per la muscolatura degli arti superiori rispetto a quelli inferiori, ma anche per i muscoli prossimali e distali dello stesso arto. Ad esempio, in due studi separati, Van Kuijk e colleghi hanno trasmesso una sensibilità più significativa ai parametri TMS, come cSP, nei muscoli distali degli arti superiori rispetto ai muscoli prossimali70,71. E sebbene questa differenza non sia sempre stata statisticamente significativa71, è comunque degna di nota e può contribuire a risultati eterogenei. Inoltre, una differenza significativa nelle risposte cSP nei muscoli degli arti superiori e inferiori è stata denotata anche negli studi sulla fatica, con gli arti superiori che trasmettono il 30% di SP più lunghi rispetto agli arti inferiori72. Pertanto, per ridurre l'eterogeneità nei risultati di cSP, è importante standardizzare il muscolo in cui verrà valutata la valutazione cSP poiché alcuni sono più sensibili agli stimoli TMS rispetto ad altri. Pertanto, diversi muscoli possono cambiare drasticamente le specificità e l'interpretazione della procedura. Per illustrare, cSP viene anche utilizzato per valutare l'eccitabilità corticale nei muscoli più profondi, come le unità motorie laringee. L'applicazione del protocollo cSP a queste strutture comporta sfide uniche. Un esempio è quello della corteccia motoria laringea; il sito di stimolazione di questo protocollo è vicino all'elettrodo EMG, che può aumentare il numero di artefatti che richiedono regolazioni all'amplificatore EMG73. Inoltre, sono necessari elettrodi ad ago che penetrano nella pelle per misurare l'attività EMG di questi muscoli, rendendo difficile il posizionamento e, se necessario, la riallocazione degli elettrodi, oltre a cambiare l'interpretazione dei risultati. Pertanto, un limite di questo documento metodologico è che il suo scopo è limitato all'illustrazione di un protocollo per gli arti superiori e inferiori, e che comprende, ad esempio, il campo che esplora cSP come marker di inibizione corticobulbare o condizioni psichiatriche.

In tale materia, la ricerca bibliografica supporta che l'FDI è il muscolo bersaglio più comunemente usato per studiare l'inibizione corticospinale M1 dell'arto superiore. Le ragioni includono, ma non sono limitate alla sua rappresentazione corticale superficiale e ampia nella corteccia motoria, la soglia motoria più bassa per la stimolazione e la semplicità di eseguire la sua contrazione isolata e sostenuta, nonché il posizionamento degli elettrodi73,74. Per gli arti inferiori, l'uso del muscolo TA è più frequente, probabilmente a causa della sua maggiore rappresentazione corticale rispetto ad altri muscoli delle gambe75. Inoltre, la facilità di essere isolati dall'attività dei grandi gruppi muscolari che compongono la muscolatura degli arti inferiori gioca un ruolo. Nonostante l'importanza della riabilitazione degli arti inferiori (LL) sul campo, meno studi utilizzano il MEP LL date le sue particolari sfide. La regione anatomica cerebrale della LL è più mediale e più profonda nella fessura inter-emisferica rispetto agli arti superiori. Tuttavia, l'uso della neuronavigazione ha migliorato l'accuratezza degli stimoli 36, mentre l'uso di una bobina a doppio cono ha preso di mira con successo le regioni LL, incluso il muscolo TA, mostrando LL MT inferiore rispetto ad altri tipi di bobina 76,77,78,79, e attualmente è la raccomandazione standard per indirizzare LL 36,44. Tuttavia, l'uso delle moderne tecnologie di navigazione dovrebbe essere contemplato parallelamente alla fattibilità del protocollo. Jung et al. (2010) non hanno rivelato alcuna differenza significativa nella variabilità e riproducibilità MEP tra TMS non navigato e navigazione TMS, che raggiungono un livello di prestazioni comparabile80. L'utilizzo di TMS non navigati può essere più conveniente in circostanze specifiche (cioè risorse limitate), e quindi è stato l'approccio preferito per questo protocollo che mira a dimostrare una valutazione cSP fattibile, facile e riproducibile.

Dato l'uso promettente e versatile di cSP come biomarcatore di inibizione corticospinale in diversi disturbi neurologici, è essenziale fornire ai ricercatori un protocollo cSP fattibile, riproducibile e ancora affidabile per gli arti superiori e inferiori. Evidenziamo che solo pochi muscoli potrebbero essere rappresentati nell'esperimento, portando all'assenza di indagine di cSP per l'inibizione corticobulbare. Inoltre, i risultati della ricerca non esaustiva fornita nella tabella 1 non sono un tentativo di riassumere i dati esistenti, ma piuttosto di illustrare parte della logica alla base della scelta dei parametri e degli approfondimenti, quindi condotti senza rigore scientifico. Si spera che questo documento metodologico aiuterà i ricercatori a far progredire lo studio di cSP come biomarcatore per l'inibizione corticospinale M1.

Tabella 1: Diversi parametri utilizzati sui protocolli cSP. Abbiamo estratto i dati degli esperimenti cSP da 117 articoli diversi. I risultati sono riportati se il paradigma è stato utilizzato negli esperimenti ≥2, altrimenti sono stati raccolti all'interno di altri. †Include articoli che non hanno riportato il metodo di standardizzazione o che hanno segnalato di non applicare la standardizzazione. Abbreviazioni: MVC = massima contrazione volontaria. Clicca qui per scaricare questa tabella.

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Disclosures

Abhishek Datta è CEO, co-fondatore e CTO di Soterix Medical Inc., e Kamran Nazin è Chief Product Officer della stessa azienda. Soterix Medical Inc. ha fornito il materiale utilizzato per la realizzazione di questa pubblicazione video. Gli altri autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Acknowledgments

Nessun riconoscimento.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alcohol pads Medline Preparation with 70% isopropyl alcohol
Conductive gel Weaver and Company Used on the electrode
Echo Pinch JTECH medical 0902A302 Digital dynamometer.
Mega-EMG Soterix Medical NS006201 Digital multiple channel EMG with built in software.
MEGA-TMS coil Soterix Medical NS063201 8 shaped TMS coil
Mega-TMS stimulator Soterix Medical 6990061 Single Pulse TMS
Neuro-MEP.NET Soterix Medical EMG software used to analyse the muscles eletrical activity.
Swim cap Kiefer

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Neuroscienze Numero 186
Misurazione del periodo di silente controlaterale indotto dalla stimolazione magnetica transcranica a impulso singolo per studiare l'inibizione corticospinale M1
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Rebello-Sanchez, I., Parente, J., Pacheco-Barrios, K., Marduy, A., Pimenta, D. C., Lima, D., Slawka, E., Cardenas-Rojas, A., Rosa, G. R., Nazim, K., Datta, A., Fregni, F. Measuring Contralateral Silent Period Induced by Single-Pulse Transcranial Magnetic Stimulation to Investigate M1 Corticospinal Inhibition. J. Vis. Exp. (186), e64231, doi:10.3791/64231 (2022).

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