Utilizando estimulación magnética transcraneal para Estudiar el Sistema Neuromuscular Humanos

Resumen

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

Resumen

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

Protocolo

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

1. Precauciones básicas de seguridad: Antes de realizar TMS en un ser humano es necesario para la primera pantalla que tomar precauciones de seguridad básicas en lo que respecta a la exposición a un campo magnético. En nuestro laboratorio se siguen las pautas de selección establecidas por el Instituto para la Seguridad de Resonancia Magnética, Educación e Investigación ^10. En nuestro laboratorio de forma rutinaria excluir a los individuos con un historial familiar de ataques epilépticos. También exigimos que los sujetos sometidos a TMS de los músculos de la ES para ponerse audífonos y un protector bucal, debido a la intensidad de la estimulación focal menor y más fuerte.
2. Las grabaciones eléctricas: Examinar las respuestas TMS en el sistema motor, es necesario registrar electromiográfica (EMG) de las señales de los músculos esqueléticos. Para el músculo FCR ponemos electrodos de superficie en el antebrazo con una disposición de electrodos bipolares ubicados longitudinalmente sobre tque los músculos en la piel afeitada y raída como hemos descrito previamente ^7,11. De los músculos erectores de la columna se utiliza una disposición de electrodos similares ubicados longitudinalmente sobre los músculos a nivel vertebral L3-L5 en la piel afeitada y raída ^8.
3. TMS de orientación de la bobina: Para activar predominantemente neuronas corticoespinal transsynaptically es necesario a la posición de la bobina adecuada TMS ^12. Para los músculos FCR ponemos un 70-mm en figura de ocho bobinas TMS tangencial en el cuero cabelludo y 45 grados a la línea media, por lo que los flujos de corriente inducida en un lateral-posterior a la medial-anterior dirección. Para los músculos ES usamos una bobina de doble cono, que tiene mayor profundidad de penetración y es necesario debido a la representación de estos músculos que son más profundas en el homúnculo. En este caso, la bobina se coloca de tal manera que la corriente fluye en una dirección anterior a la posterior. Hemos modificado nuestra medida de la bobina con un sistema de fijación de láser para que nos ayuden en subsequent el cambio de posición de la bobina de doble cono.
4. La identificación de 'Hotspot': Es necesario determinar la ubicación de la estimulación que produce el motor más grande de potenciales evocados. Para el músculo FCR hacemos esto sutilmente en movimiento alrededor de la bobina de TMS en incrementos muy pequeños y determinar donde se observa la mayor amplitud del potencial evocado motor. Una vez localizado tomamos nota de esta área con tinta indeleble, ya sea en el cuero cabelludo o una gorra de lycra. TMS de los músculos de la ES es mucho más incómodo para los sujetos humanos de TMS de los músculos de las extremidades superiores. En consecuencia, hemos agilizado el protocolo TMS para los músculos ES para aumentar su tolerancia y viabilidad. Aquí, en lugar de ubicar el "punto caliente" que utilizan las mediciones antropométricas para identificar el vértice del cráneo. En concreto, se identifican los vértices de la intersección del cráneo en el plano sagital (entre el nasinon y inion) y coronal (entre el trago) aviones.
5. Posicionamiento biomecánica: En nuestro laboratorio cuando llevamos a cabo TMS de los músculos FCR sujetos están sentados con el brazo apoyado en una posición extendida en un dinamómetro Biodex Sistema 4 (Figura 2). Sin embargo, debemos tener en cuenta que esto es sólo un ejemplo de una posible puesta a punto para la medición de fuerzas que se ejercen. Para la ES sujetos los músculos se le pide sentarse con una postura erguida, mientras que sus manos descansan en su regazo (Figura 3). Están sentados en una silla de base giratoria con el muslo a 90 ° respecto al tronco, la pierna a 45 º en relación con el muslo, y la columna lumbar en una posición neutral posture8.
6. Cuantificación del umbral Motor: Para la FCR, que determinar el umbral motor (MT) mediante la entrega de los pulsos individuales en aumentar gradualmente la intensidad de la estimulación hasta los potenciales evocados motores han de pico a pico de amplitud de más de 50 microvoltios en más de 50% de los ensayos (Figura 4) . Para agilizar el protocolo de TMS y aumentar la tolerabilidad y la viabilidad no determinar el umbral de motor en la ES músculos con la misma precisión que cuando se prueba la musculatura del miembro superior. Más bien, se inicia el protocolo de TMS mediante la entrega de un solo impulso inicial a 50% de la producción máxima estimulador para determinar si la intensidad del estímulo está por encima o por debajo del umbral motor. Si un diputado se observa a este estímulo de intensidad se define como MEP discernible con respecto al nivel del fondo de EMG-la intensidad se reduce a 40% de la producción estimulador para determinar si la intensidad del estímulo es sub o supra-umbral de ^8.
7. Cuantificar la amplitud del MEP con un solo pulso TMS: Para examinar la amplitud del potencial evocado motor de la FCR entregamos un pulso único de la EMT 'hotspot' con una intensidad igual al 130% del umbral motor y calcular la amplitud de pico a pico . Por lo general, se normaliza este resultado con el potencial compuesto de fibra muscular máxima acción observada después de la estimulación eléctrica supramáxima del nervio mediano. Debemos tener en cuenta que el tamaño del MEP es verdepende del grado de excitabilidad cortical y. En consecuencia, cuando el pulso de TMS se entrega durante una contracción de fondo, cuando la excitabilidad cortical se incrementa, el tamaño del MEP aumentará dramáticamente. Para los músculos ES, nosotros entregamos un pulso único TMS hasta el vértice a una intensidad de 40 o 50% por encima del umbral de intensidad sub-motor ^8. Desafortunadamente, debido a los nervios periféricos que inervan los músculos de la ES no son accesibles a la estimulación eléctrica no somos capaces de normalizar estos potenciales evocados motores para el potencial de acción muscular compuesto de fibra.
8. Cuantificar la duración del período silencioso con un solo pulso TMS: Cuando un pulso de TMS a la corteza se entrega durante una contracción muscular que se produce un potencial evocado motor seguido de inactividad eléctrica antes de reanudar la actividad que es indicativo de la inhibición de corticoespinal y comúnmente se conoce como el silencio período de ¹³ (Figura 5). Para cuantificar el período de silencio que entregar una solaTMS pulso a la 'hotspot' con una intensidad igual al 130% del umbral motor, mientras que los participantes del estudio es realizar una flexión de la muñeca la contracción muscular en un 15% de su fuerza máxima. No hemos cuantificado previamente la duración de período de silencio de los músculos de la ES, sin embargo, debemos señalar que hemos observado anecdóticamente su existencia en este grupo muscular cuando el pulso de TMS Identificación entregado durante una contracción de fondo.
9. La cuantificación de Facilitación intracortical utilizando pares-Pulse TMS: Utilizamos dos a dos pulsos TMS para cuantificar la facilitación intracortical ^6,7 (Figura 6 y 7 representa esta medida para el FCR y los músculos ES, respectivamente). Para el músculo FCR en primer lugar determinar la intensidad del estímulo necesario para provocar un potencial evocado motor que se encuentra entre 0,5-1,0 mV. A continuación, ofrecemos un condicionamiento subliminal pulso-que en nuestro laboratorio que comúnmente se establece entre el 70% del umbral motor-15-ms antes del pulso de prueba por encima del umbral. Este condicionamientopulso entregado en este periodo de tiempo antes de que el pulso de prueba se incrementará, o facilitar, la amplitud de la evocados motores más potencial que un solo pulso incondicional de la misma intensidad. Para el grupo de músculos ES la intensidad del pulso acondicionado se establece en el umbral de intensidad observada sub-motor (ya sea 40% o 50% de la producción estimulador) y la intensidad de impulsos de prueba se establece en un 40% por encima del umbral sub-motor (80% o 90% de la producción estimulador) ^8. Debemos tener en cuenta que la intensidad de los pulsos de aire podría variar en función del objetivo del estudio. Del mismo modo, los intervalos de pulso puede variar en función de los músculos y su ubicación con respecto a la corteza.
10. Cuantificar a corto intervalo de inhibición cortical utilizando pares-Pulse TMS: También usamos dos a dos pulsos TMS de cuantificar a corto intervalo de inhibición cortical ^6,7 (Figura 6 y 7 representa esta medida para los músculos FCR y ES, respectivamente). En este caso, tanto para elFCR y los músculos ES, los procedimientos son los mismos que los descritos para la medición de la facilitación intracortical con la excepción de que el intervalo inter-entre los dos pulsos se reduce a 3 ms. Este pulso de aire entregada en este periodo de tiempo antes de que el pulso de prueba se reducirá, o inhibir, la amplitud de la evocados motores más potencial que un solo pulso incondicional de la misma intensidad.
11. Cuantificar a largo intervalo de inhibición cortical utilizando pares-Pulse TMS: Entrega de dos pulsos de ensayo idénticos por encima del umbral que están separados por 100 milésimas de segundo también se puede utilizar para evaluar a largo intervalo de inhibición cortical ^6,7. En este caso, para el FCR muscular-el potencial evocados motores asociados con el segundo pulso será más pequeño, o se inhibe más, que el asociado con el primero (Figura 8). No hemos previamente cuantificados a largo intervalo de inhibición cortical en los músculos ES debido a preocupaciones sobre la tolerabilidad tema.

2. Los resultados representativos:

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

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

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

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

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

Figura reimpresa de McGinley y Clark, en prensa ^14.

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

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

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

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

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

Discusión

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

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nombre del Equipo	Empresa	Número de catálogo	Comentarios (opcional)
Estimulador magnético transcraneal 2002 Estimulador magnético transcraneal Bi-Stim2 En forma de ocho de 70 mm de bobina Bobina de doble cono	La Compañía Magstim	NA	TMS equipos (incluyendo las bobinas)
Biodex Sistema 4	Biodex	NA	Dinamómetro
Biopac MP150 Sistema de Adquisición de Datos	Biopac	MP150WSW	Convertidor AD de EMG y la fuerza
AcqKnowledge 4,0 software de adquisición de datos	Biopac	ACK100W
Nikomed traza un ECG electrodos	Nikomed	2015	EMG electrodos
Estimulador de corriente constante	Digitimer	DS7A	Estimulador de nervio periférico