Medición del período de silencio contralateral inducido por la estimulación magnética transcraneal de pulso único para investigar la inhibición corticoespinal M1

Resumen

La evaluación del período de silencio contralateral (cSP) es un biomarcador prometedor para indexar la excitabilidad cortical y la respuesta al tratamiento. Demostramos un protocolo para evaluar cSP destinado a estudiar la inhibición corticoespinal M1 de miembros superiores e inferiores.

Resumen

El período de silencio contralateral (cSP) es un período de supresión en la actividad muscular eléctrica de fondo capturada por electromiografía (EMG) después de un potencial evocado motor (MEP). Para obtener esto, un MEP es provocado por un pulso de estimulación magnética transcraneal (TMS) supraumbral entregado a la corteza motora primaria (M1) del músculo objetivo seleccionado, mientras que el participante proporciona una contracción muscular diana voluntaria estandarizada. El cSP es el resultado de mecanismos inhibitorios que ocurren después del MEP; Proporciona una amplia evaluación temporal de la inhibición espinal en su inicial ~ 50 ms, y la inhibición cortical después. Los investigadores han tratado de comprender mejor el mecanismo neurobiológico detrás del cSP para validarlo como un posible biomarcador diagnóstico, sustituto y predictivo para diferentes enfermedades neuropsiquiátricas. Por lo tanto, este artículo describe un método para medir M1 cSP de las extremidades inferiores y superiores, incluida una selección del músculo objetivo, la colocación de electrodos, el posicionamiento de la bobina, el método para medir la estimulación de la contracción voluntaria, la configuración de la intensidad y el análisis de datos para obtener un resultado representativo. Tiene el objetivo educativo de dar una guía visual para realizar un protocolo de cSP factible, confiable y reproducible para miembros inferiores y superiores y discutir los desafíos prácticos de esta técnica.

Introducción

El período de silencio (SP) es un período de silencio electromiográfico (EMG) que sigue un potencial evocado motor (MEP) inducido por la estimulación magnética transcraneal (TMS) aplicada durante la contracción muscular sostenida. El pulso TMS supraumbral se puede aplicar a la corteza motora primaria contralateral o ipsilateral (M1) del músculo objetivo desde el cual se registra la actividad EMG produciendo dos fenómenos: período de silencio contralateral (cSP) y período de silencio ipsilateral (iSP).

Aunque iSP y cSP comparten características similares, pueden reflejar componentes ligeramente diferentes. Se cree que el primero refleja la inhibición transcallosa y, por lo tanto, es completamente de origen cortical ^1,2. Por el contrario, cSP se investiga como un posible sustituto de la inhibición corticoespinal, muy probablemente mediada por receptores B de ácido gamma-aminobutírico (GABA) dentro de M1 ^3,4,5.

Apoyando el papel de cSP en las vías mediadas por GABA, trabajos previos han encontrado un aumento en la duración de cSP después de la administración oral de componentes que mejoran GABA 5,6,7,8. Aún así, los procesos espinales también están involucrados en la alteración de su duración. La fase más temprana (<50 ms) del cSP se asocia con valores disminuidos del reflejo H^3-a reflejo que es un producto de los neurocircuitos periféricos y que cuantifica la excitabilidad de las neuronas espinales⁹. Se cree que el procesamiento espinal está mediado por la activación de las células de Renshaw, la motoneurona después de la hiperpolarización y la inhibición postsináptica por las interneuronas espinales 10,11,12,13,14.

A pesar de la contribución espinal, la cSP resulta principalmente de la activación de neuronas inhibidoras corticales, que son responsables de generar la parte posterior de la cSP (50-200 ms)3,10,13,15,16. En ese sentido, la primera parte de la duración de la cSP se ha asociado con mecanismos de inhibición espinal, mientras que los cSP largos requieren mecanismos inhibitorios corticales más grandes 3,13,17,18.

Por lo tanto, la cSP es un candidato prometedor a biomarcadores para la mala adaptación corticoespinal debida a trastornos neurológicos, mientras que las duraciones más significativas de la cSP reflejan potencialmente un aumento en la inhibición corticoespinal y viceversa ^5,11. En consecuencia, trabajos anteriores han encontrado una asociación entre la duración de cSP y patologías como distonía, enfermedad de Parkinson, dolor crónico, accidente cerebrovascular y otras afecciones neurodegenerativas y psiquiátricas 19,20,21,22. Para ilustrar, en una cohorte de osteoartritis de rodilla, una mayor inhibición intracortical (indexada por cSP) se asoció con una edad más joven, mayor degeneración del cartílago y menor rendimiento cognitivo en la escala de evaluación cognitiva de Montreal²³. Además, los cambios en el cSP también podrían indexar longitudinalmente la respuesta al tratamiento y la recuperación motora 24,25,26,27,28,29,30.

Tan prometedor como es el papel de cSP en el campo de la neuropsiquiatría, un aspecto desafiante de su evaluación es que puede ser demasiado sensible a las variaciones del protocolo. Por ejemplo, la duración de cSP (~100-300 ms)¹¹ se distingue entre miembros superiores e inferiores. Salerno et al. encontraron una duración promedio de cSP de 121,2 ms (± 32,5) para el primer músculo interóseo dorsal (FDI) y 75,5 ms (± 21) para el músculo tibial anterior (AT), en una muestra de pacientes con fibromialgia³¹. Por lo tanto, la literatura transmite una miríada de divergencias en los parámetros utilizados para obtener cSP, lo que a su vez pone en peligro la comparabilidad entre los estudios y retrasa la traducción a la práctica clínica. Dentro de una población similar, los protocolos han sido heterogéneos con respecto a la configuración del pulso TMS supraumbral utilizado para estimular M1 y el músculo objetivo, por ejemplo. Además de eso, los investigadores no han informado adecuadamente los parámetros utilizados en sus protocolos.

Por lo tanto, el objetivo es proporcionar una guía visual sobre cómo aplicar un protocolo de cSP factible, confiable y fácilmente reproducible para evaluar la excitabilidad corticoespinal M1 de las extremidades superiores e inferiores y discutir los desafíos metodológicos prácticos de ese procedimiento. Además, para ayudar a ilustrar el razonamiento para la elección de los parámetros, realizamos una revisión no exhaustiva de la literatura en Pubmed / MEDLINE para identificar artículos publicados sobre cSP en poblaciones de dolor crónico y rehabilitación, utilizando el término de búsqueda: Rehabilitación (malla) o rehabilitación o dolor crónico o accidente cerebrovascular y términos como estimulación magnética transcraneal y pulso único o período de silencio cortical. No se definieron criterios de inclusión para la extracción, y los resultados agrupados se muestran en la Tabla 1 solo con fines ilustrativos.

Protocolo

Este protocolo implica la investigación en seres humanos y está en alianza con las directrices institucionales y éticas de los comités éticos locales y la Declaración de Helsinki. Se obtuvo el consentimiento informado de los sujetos para utilizar sus datos en el estudio.

1. Procedimientos preexperimentales

1. Cribado de la asignatura. Examinar al sujeto para detectar implantes intracraneales, epilepsia, antecedentes de convulsiones y embarazo. Utilice las directrices del cuestionario para garantizar el cumplimiento de las precauciones de seguridad actualizadas³².
   1. La administración de pulsos electromagnéticos con TMS está contraindicada para individuos con implantes intracraneales de material ferromagnético, como metralla, clips de aneurisma o fragmentos de soldadura. Tome precauciones con las personas ante una mayor probabilidad de convulsiones.
   2. La evaluación de TMS no presenta ningún riesgo fetal para las mujeres embarazadas a las que se les aconseja tener una postura conservadora al tratar con esta población. Es seguro aplicar TMS en poblaciones pediátricas, proceder con precaución en ciertas etapas del desarrollo (es decir, cierre de la fontanela, maduración de la excitabilidad cortical y crecimiento del canal auditivo externo)³³.
2. Preparación de materiales. Para este procedimiento, aparte de los dispositivos TMS y EMG, tenga a su disposición un gorro de baño, almohadillas de alcohol (con la preparación de alcohol isopropílico al 70%), gel conductor y una computadora encendida con la configuración del software EMG y un dinamómetro apropiado para el músculo investigado (ver Tabla de materiales).
   NOTA: Los gorros de natación tienen la ventaja de ser la opción más barata y accesible que aún permite evaluaciones TMS confiables y reproducibles sin causar la incomodidad de marcar la cabeza de los sujetos.

2. Instrucciones apropiadas para los pacientes

1. Explique los pasos básicos del procedimiento y cuánto tiempo tomará.
2. Indique al participante que permanezca despierto pero que no realice actividades cognitivas que requieran atención y / o enfoque adicionales (por ejemplo, cálculos matemáticos, meditación, etc.) y anticipe que podría experimentar contracciones en la mano / mandíbula o efectos secundarios plausibles. Tales eventos pueden parecer inesperados para un sujeto inexperto y, por lo tanto, poner en peligro el procedimiento.
   NOTA: Las EMT de pulso único y pareado solo se han asociado con eventos adversos leves y transitorios, que incluyen dolor de cabeza, dolor local, dolor de cuello, dolor de muelas y parestesia. Las convulsiones son raras y no se han asociado otros eventos adversos graves³³. Para mayor seguridad, se recomienda ofrecer tapones para los oídos, debido a la posibilidad de sonidos dañinos, y bloques de mordida para una posible contracción del masetero³⁴.

3. Procedimientos experimentales (Figura 1)

1. Seleccione el músculo para colocar los electrodos.
   1. Pídale al sujeto que ponga su mano sobre la mesa, en posición prona. Seleccione el músculo FDI, localizado entre el primer y segundo hueso metacarpiano. Para identificar la IED, pídale al sujeto que abduca su dedo índice contra la resistencia, manteniendo el resto de la mano quieta y acostada sobre la mesa, mientras palpa el área.
   2. Exponga el área seleccionada. Use una maquinilla de afeitar desechable para afeitar el área para mejorar el contacto del electrodo con la piel, si es necesario, y limpie el área con almohadillas de alcohol para eliminar los aceites de la piel y otros factores que podrían aumentar la impedancia. Certificar que hay piel libre para asegurar el contacto con el electrodo.
      NOTA: Si evalúa la actividad de las extremidades inferiores, use el músculo TA para la colocación de electrodos. Se localiza en el lado lateral de la tibia y se encuentra cerca de las superficies de la piel. Se puede identificar por la dorsiflexión del tobillo.
2. Coloque los electrodos EMG de superficie
   1. Con el área expuesta y limpia, aplique el gel conductor a cada electrodo del canal para garantizar una buena impedancia.
   2. Coloque el electrodo negativo en el vientre del músculo FDI (el centro o la protuberancia más prominente del vientre muscular) y el positivo en la articulación interfalángica distal, con una distancia entre electrodos de al menos 1,5 cm. Coloque el electrodo de referencia (neutro) en la muñeca, sobre el proceso estiloides cubital.
      NOTA: La presencia de criterios de valoración motores, tendones musculares u otros músculos activos puede afectar la estabilidad de las grabaciones, por lo que es importante evitar estas localizaciones³⁵. Para el músculo TA, los electrodos deben colocarse en un tercio de la línea que conecta la punta del peroné y la punta del maléolo medial. Proporcione una distancia de 20 mm entre el polo de cada electrodo y coloque el electrodo de referencia en el tobillo.
3. Determinar la fuerza de contracción muscular requerida
   1. Utilice un dinamómetro de pellizco digital y un soporte piramidal cuadrangular para minimizar las distorsiones mecánicas y elevar la sensibilidad para contracciones mínimas.
   2. Coloque el dinamómetro entre el primer y segundo dedo con la ayuda del soporte piramidal. Asegúrese de que el tercero, cuarto y quinto dedos permanezcan quietos sobre la mesa, mientras que el 1º y^2º generan las fuerzas del movimiento de pellizco.
   3. Con la posición fija, pida al participante que presione el dinamómetro con el dedo índice y el lado de la pirámide con el dedo índice, apretando el sistema dinamómetro-pirámide con su fuerza máxima y creando una fuerte contracción del músculo FDI.
   4. Usando ese valor como referencia, determine el 20% de la fuerza máxima. El participante debe practicar el mantenimiento del objetivo en el 20% de la contracción sostenida. Permitir variaciones del 15% al 25% de MVC.
      NOTA: Alternativamente, en caso de que no esté disponible un dinamómetro que pueda detectar la actividad muscular aislada que se está investigando, use la retroalimentación EMG para estandarizar la fuerza. El software de grabación medirá la amplitud máxima pico a pico que corresponde a la fuerza máxima del sujeto, y utilizando ese valor como referencia, determinará el 20% MVC. Los sujetos pueden recibir pistas visuales y / o auditivas de cuándo se alcanza el 20%.
4. Identificación de la ubicación inicial para la búsqueda de puntos críticos
   1. Ponga un gorro de baño en la cabeza del sujeto. Todos los puntos de referencia estarán marcados en él.
   2. Mida la circunferencia sagital de la cabeza desde la nasión (el punto entre la frente y la nariz) hasta el inion (el punto más prominente en la región occipital). Divide ese valor por dos y marca ese punto medio en la cabeza.
   3. Marque la ubicación de la nasión del paciente, el inion, la hélice de los oídos externos derecho e izquierdo, y la cresta supraorbital derecha e izquierda. Esto es para certificar que la tapa no se ha deslizado durante el procedimiento, y / o que en futuros experimentos se colocará igualmente en la cabeza del paciente.
   4. Como se describió anteriormente, mida la distancia de trago a trago y agregue una marca a la mitad. Marque la intersección entre ellos, un punto identificado como el vértice (Cz).
   5. Desde el vértice, muévase 5 cm lateralmente en paralelo a la línea sagital media, en el lado contralateral al músculo seleccionado. Esta marca identifica aproximadamente el (M1), en el mismo nivel coronal que la corteza motora de la mano. Utilice este como el primer lugar para iniciar la búsqueda del punto de acceso.
   6. El punto caliente es el área de la corteza motora donde se detecta el umbral motor más bajo. Configure una intensidad baja (por ejemplo, 30% de la salida máxima del estimulador [MSO]) e inicie la búsqueda entregando múltiples pulsos al primer punto.
   7. Perseguir con pequeños incrementos de intensidad hasta identificar el estímulo más bajo que detecte una respuesta indexada por EMG (es decir, MEP). Para la entrega de los estímulos, incline la bobina en forma de ocho a 45 ° en relación con la línea sagital media con el mango apuntando hacia la parte posterior del paciente.
   8. Para asegurarse de que se identificó el mejor punto, muévase alrededor del primer punto y pruebe los siguientes ~ 3 MEP a 1 cm anterior, 1 cm lateral, 1 cm medial y 1 cm posterior a él. Repita este procedimiento tantas veces como sea necesario para una respuesta consistente; apégate al lugar que provoca el eurodiputado más grande³⁶.
   9. Una vez que se encuentre el punto caliente, marque ese punto en la cabeza del paciente (gorro de baño). Utilice esta ubicación durante este experimento y las posibles visitas de seguimiento. Tenga cuidado para no causar molestias al sujeto debido a la presión adicional. Use ambas manos para apoyar la bobina en la cabeza del sujeto.
5. Determinar el umbral motor en reposo (RMT)
   1. Estimar el umbral motor como la intensidad mínima requerida para promover un MEP de una amplitud mínima detectable (generalmente al menos 50-100 μV).
   2. Para determinar el umbral motor, aplique diez estímulos consecutivos en el punto caliente y seleccione la intensidad más baja que produjo un MEP con una amplitud pico a pico de al menos 50 μV en el músculo objetivo, en el 50% de los ensayos.
      NOTA: Este protocolo se puede hacer con el músculo objetivo en reposo (umbral motor en reposo [RMT]) o durante la contracción activa (umbral motor activo [AMT]). Ambos se pueden utilizar como referencias para los pulsos TMS supraumbral. La adquisición del AMT es más propensa a la variabilidad porque se basa en la estandarización de MVC, lo que puede ser un problema para estudios longitudinales con múltiples evaluaciones.
6. Protocolo CSP
   1. Administrar estímulos supraumbral para provocar MEPs durante la contracción tónica voluntaria del músculo objetivo.
   2. Entregar 10 estímulos con la intensidad de estimulación (SI) del 120% del RMT con un período de 10 s entre ellos. Durante la aplicación de los estímulos, pida al paciente que mantenga el 20% de la contracción motora máxima del músculo objetivo, como se practica con el dinamómetro.
   3. Para garantizar la captura de todo el SP, certifique que la ventana de tiempo de EMG es lo suficientemente larga como para capturar hasta 400 ms de actividad de EMG. No es raro que los sujetos -dependiendo de la enfermedad que se esté estudiando- puedan requerir ISs más altos para que se obtenga un cSP exitoso.

Resultados

Después de seguir el procedimiento paso a paso, la administración de un pulso TMS supraumbral (120% del RMT) provocará un MEP observable en el registro EMG del músculo objetivo, y un período posterior de supresión de la actividad EMG de fondo de aproximadamente 150 ms a 300 ms (Figura 2). A partir de ese patrón EMG, es posible calcular las métricas de cSP. Los resultados más informados son la duración (en el rango de ms) del PE relativo y absoluto. El SP relativo se mide desde el i...

Discusión

El IS predeterminado para obtener MEP y SP puede variar según la población. Se ha demostrado que intensidades tan bajas como 80% RMT provocan cSP en individuos sanos³⁹, aún así los estudios en poblaciones sanas y enfermas han utilizado intensidades tan altas como 150% RMT 49,50,51. Aunque esta fuente de heterogeneidad puede ser inherente a la naturaleza de la población objetivo, no debe descuidarse y...

Materiales

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