Utilisant la stimulation magnétique transcrânienne à l'étude du système neuromusculaire de l'homme

Résumé

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est un outil non-invasif d'avoir un aperçu sur la physiologie et le fonctionnement du système nerveux humain. Ici, nous présentons nos techniques TMS pour étudier l'excitabilité corticale du membre supérieur et de la musculature lombaire.

Résumé

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a été utilisé pendant plus de 20 ans ^1, et a connu une croissance exponentielle en popularité au cours de la dernière décennie. Bien que l'utilisation de TMS a été élargi pour l'étude de nombreux systèmes et les processus pendant ce temps, la demande initiale et peut-être l'une des utilisations les plus courantes de TMS consiste à étudier la physiologie, de la plasticité et la fonction du système humain neuromusculaire. TMS seule impulsion appliquée sur le cortex moteur excite les neurones pyramidaux transsynaptically ² (figure 1) et aboutit à une réponse mesurable électromyographiques qui peut être utilisé pour étudier et évaluer l'intégrité et l'excitabilité des voies ^cortico-3 chez les humains. En outre, les avancées récentes dans la stimulation magnétique permet désormais de partitionnement de l'excitabilité corticale par rapport épinière ^4,5. Par exemple, double choc TMS peuvent être utilisés pour évaluer les propriétés intracorticale facilitation et d'inhibition, en combinant une conditionING relance et un stimulus de test à intervalles différents interstimulus ^3,4,6-8. Dans cet article, vidéo, nous allons démontrer les aspects méthodologiques et techniques de ces techniques. Plus précisément, nous allons montrer un seul pouls et double choc techniques TMS appliquées au fléchisseur radial du carpe (FCR) du muscle ainsi que le monteur spinae (ES) musculature. Notre laboratoire étudie le muscle RCF comme il est d'intérêt pour nos recherches sur les effets de l'immobilisation plâtrée du poignet-main sur la performance musculaire réduite ^6,9, et nous étudions les muscles ES à cause de ces muscles la pertinence clinique de ce qui a trait à la lombalgie ^8. Avec ce dit, il faut noter que la SMT a été utilisée pour étudier de nombreux muscles de la main, bras et jambes, et devrait réitérer que nos démonstrations dans le FCR et les groupes musculaires ES ne sont que des exemples choisis de TMS sont utilisées pour étudier l'neuromusculaire humaine système.

Protocole

1. TMS unique et double choc de l'Muscles RCF et ES

1. Précautions de base: Avant d'effectuer TMS sur un sujet humain, il est nécessaire de dépister d'abord les précautions de sécurité pour la base que ce qui a trait à l'exposition à un champ magnétique. Dans notre laboratoire, nous suivons les directives de dépistage prévues par l'Institut pour la sécurité par résonance magnétique, l'éducation et de recherche ^10. Dans notre laboratoire, nous avons aussi systématiquement exclure les personnes ayant des antécédents familiaux de crises épileptiques. Nous exigeons également des sujets subissant TMS des muscles ES pour mettre des boules Quiès et un protège-dents en raison de l'intensité des moins de stimulation focale et plus fort.
2. Enregistrements électriques: Pour examiner les réponses TMS dans le système moteur, il est nécessaire d'enregistrer électromyographique (EMG) des signaux des muscles squelettiques. Pour le muscle RCF nous plaçons des électrodes de surface sur l'avant-bras en utilisant un dispositif d'électrode bipolaire situé longitudinalement sur tIl musculaire sur la peau rasée et écorchée que nous avons décrit précédemment ^7,11. Pour les muscles spinaux, nous utilisons un dispositif d'électrode similaires situés longitudinalement sur ​​les muscles au niveau L3-L5 sur la peau rasée et écorchée ^8.
3. Orientation Coil TMS: Pour activer des neurones cortico majoritairement transsynaptically il est nécessaire de positionner la bobine TMS appropriée ^12. Pour les muscles RCF nous plaçons un chiffre de 70 mm de huit bobines TMS tangentielle au cuir chevelu et de 45 degrés vers la ligne médiane afin que le flux de courant induit dans un latéral-médial postérieur-antérieur direction. Pour les muscles ES nous utilisons une bobine double cône qui a une plus grande profondeur de pénétration et est nécessaire à cause de la représentation de ces muscles étant plus profond dans l'homonculus. Ici, la bobine est positionnée de telle sorte que le courant circule dans une direction avant vers l'arrière. Nous avons modifié notre personnalisé bobine avec un système de fixation au laser pour nous aider à ssubséquents apportés re-positionnement de la bobine à double cône.
4. Identifier les «hotspots»: Il est nécessaire de déterminer l'emplacement de stimulation qui suscite le plus grand moteur de potentiel évoqué. Pour le muscle RCF nous faisons cela en déplaçant subtilement la bobine TMS autour de très petits incréments et de déterminer où l'on observe la plus grande amplitude de potentiels évoqués moteurs. Une fois localisé nous notons ce domaine à l'encre indélébile soit sur le cuir chevelu ou une casquette en lycra. TMS des muscles ES est nettement plus inconfortable pour les sujets humains que le TMS des muscles du membre supérieur. En conséquence, nous avons rationalisé notre protocole TMS pour les muscles ES pour en augmenter la tolérance et la faisabilité. Ici, au lieu de localiser le "hotspot" nous utilisons des mesures anthropométriques pour identifier le sommet du crâne. Plus précisément, nous identifions les sommets comme l'intersection du crâne dans le plan sagittal (entre le nasinon et inion) et coronale (entre le tragus) avions.
5. Positionnement biomécanique: Dans notre laboratoire, lorsque nous effectuons des TMS muscles RCF les sujets sont assis avec le bras au repos en position allongée dans un Biodex System 4 dynamomètre (figure 2). Toutefois, il convient de noter que ce n'est qu'un exemple d'une possible mise en place pour mesurer les forces exercées. Pour l'ES sujets muscles sont invités à s'asseoir avec une posture debout pendant que leurs mains dans le repos de leurs genoux (figure 3). Ils sont assis sur une chaise base pivotante avec la cuisse à 90 ° par rapport au tronc, la jambe inférieure à ~ 45 ° par rapport à la cuisse, et la colonne lombaire dans un posture8 neutre.
6. Quantifier seuil moteur: Pour le RCF, nous déterminons seuil moteur (MT) en fournissant des impulsions uniques à augmenter progressivement l'intensité de stimulation jusqu'à ce potentiels évoqués moteurs ont crête à crête amplitudes supérieure à 50 microvolts dans plus de 50% des essais (figure 4) . Afin de simplifier le protocole TMS et augmenter la tolérance et la faisabilité, nous ne déterminent pas le seuil moteur dans l'EMuscles S avec la même précision que lorsque nous testons la musculature des membres supérieurs. Plutôt, nous commençons le protocole TMS en fournissant une impulsion initiale unique à 50% de la production maximale stimulateur afin de déterminer si cette intensité du stimulus est au dessus ou en dessous du seuil moteur. Si un député européen est observé à ce stimulus d'intensité définie comme eurodéputée perceptible par rapport au niveau du fond EMG l'intensité est réduite à 40% de la production stimulateur afin de déterminer si cette intensité du stimulus est sous-ou supra-seuil de ^8.
7. Quantifier l'amplitude MEP en utilisant une seule impulsion de TMS: Pour examiner la évoqués moteurs d'amplitude potentielle du RCF nous livrons une seule impulsion de TMS à la «hotspot» à une intensité égale à 130% du seuil moteur, et de calculer l'amplitude crête à crête . En général, on normalise ce résultat au potentiel d'action musculaire composé de fibres maximale observée après stimulation électrique supramaximale du nerf médian. Il faut noter que la taille MEP est Verdépend du degré de l'excitabilité corticale y. En conséquence, lorsque l'impulsion de TMS est livré pendant une contraction de fond, quand l'excitabilité corticale est augmentée, la taille MEP va considérablement augmenter. Pour les muscles ES, nous livrons une seule impulsion de TMS au sommet d'une intensité de 40 ou 50% au-dessus du seuil d'intensité sous-moteur ^8. Malheureusement, parce que les nerfs périphériques innervant les muscles ES ne sont pas accessibles à une stimulation électrique nous ne sommes pas en mesure de normaliser ces potentiels évoqués moteurs du potentiel d'action musculaire composé de fibres.
8. Quantifier Durée période silencieuse en utilisant une seule impulsion de TMS: Quand une impulsion TMS vers le cortex est livré au cours d'une contraction musculaire qu'il va produire un potentiel évoqués moteurs suivie par la quiescence électriques avant la reprise de l'activité qui est indicatif de l'inhibition cortico et communément appelé le silence période de ¹³ (figure 5). Pour quantifier la période de silence que nous livrons une seuleImpulsions TMS à la «hotspot» à une intensité égale à 130% du seuil moteur alors que la participante à l'étude effectue une contraction des muscles du poignet en flexion à 15% de leur force maximale. Nous n'avons pas quantifié la durée préalablement période de silence des muscles ES, mais il convient de noter que nous avons observés anecdotique de son existence dans ce groupe de muscles lorsque l'impulsion de TMS Identifiant livré lors d'une contraction de fond.
9. Quantifier la facilitation intracorticale utilisant double choc TMS: Nous utilisons double choc TMS pour quantifier la facilitation intracorticale ^6,7 (figure 6 et 7 représente cette mesure pour le FCR et les muscles ES, respectivement). Pour le muscle RCF nous avons d'abord de déterminer l'intensité du stimulus nécessaire pour susciter un potentiel évoqués moteurs qui se situe entre 0.5 à 1.0 mV. Ensuite, nous livrons un conditionnement sous le seuil d'impulsion qui, dans notre laboratoire est généralement égal à 70% du seuil moteur-15-msec avant que l'impulsion de test supraliminaire. Ce conditionnementimpulsion délivrée à cette période de temps avant l'impulsion de test va augmenter, ou de faciliter, l'amplitude de la évoqués moteurs plus de potentiel que d'une seule impulsion inconditionnée de la même intensité. Pour le groupe musculaire ES l'intensité des impulsions conditionné est réglé à l'intensité du seuil de sous-moteurs observés (soit 40% ou 50% de la production stimulateur) et de l'intensité des impulsions de test est fixé à 40% au-dessus du seuil de sous-moteur (80% ou 90% de la production stimulateur) ^8. Il convient de noter que l'intensité des impulsions de conditionnement pourraient être modifiées en fonction de l'objectif de l'étude. De même, les intervalles d'impulsion peut varier en fonction du muscle et son emplacement par rapport au cortex.
10. Quantifier court intervalle inhibition intracorticale utilisant double choc TMS: Nous utilisons également double choc TMS à quantifier à court intervalle de l'inhibition intracorticale ^6,7 (figure 6 et 7 représente cette mesure pour les muscles du RCF et ES, respectivement). Ici, tant pour lesRCF et les muscles ES, les procédures sont les mêmes que celles décrites pour la mesure de facilitation intracorticale à l'exception que l'intervalle interstimulus entre les deux impulsions est réduit à 3 ms. Cette impulsion climatisation livré à cette période de temps avant l'impulsion d'essai va diminuer, ou inhiber, l'amplitude de la évoqués moteurs plus de potentiel que d'une seule impulsion inconditionnée de la même intensité.
11. Quantifier long intervalle inhibition intracorticale utilisant double choc TMS: délivrant deux identiques impulsions de test supraliminaire qui sont séparés par 100 millisecondes peut également être utilisée pour évaluer à long intervalle l'inhibition intracorticale ^6,7. Dans ce cas-pour le RCF muscle le potentiel évoqués moteurs associés à la deuxième impulsion sera plus petit, ou inhibé plus, que celui associé à la première (figure 8). Nous n'avons pas préalablement quantifiés à long intervalle l'inhibition intracorticale dans les muscles ES en raison de préoccupations sur l'objet de tolérance.

2. Les résultats représentatifs:

Après la délivrance d'une impulsion supraliminaire TMS, les muscles stimulés devrait démontrer une réponse facilement observables EMG (MEP) (illustré dans les figures 4-8). Le temps de latence entre le début du stimulus et de l'eurodéputé varient entre les groupes de muscles à l'étude, mais pour le RCF, il est généralement de 16 à 19 msec (figure 6) et pour l'ES, il est de 17 à 22 msec (figure 7; bien qu'il faille à noter que chez certains sujets l'apparition définitive MEP dans les muscles ES est plus difficile à identifier visuellement). Il convient de noter que lors du test du ES groupe musculaire de plusieurs autres groupes musculaires sont aussi visiblement et de façon spectaculaire stimulé de façon concomitante (y compris les muscles du membre inférieur, qui sont représentés au sein de la même région de l'homoncule). Pendant la mesure de facilitation intracorticale l'amplitude MEP est généralement plus grande que celle observée avec une seule impulsion inconditionnée (Figure 6 et 7). Cependant, il est de notre expérience que le degré de facilitation varie entre les groupes musculaires avec certains groupes musculaires, tels que le FCR-ne montrant que la facilitation modestes dans de nombreux sujets. Pour la mesure de l'inhibition intracorticale court intervalle et à long intervalle une diminution de l'amplitude MEP est généralement observée en comparaison avec une seule impulsion inconditionnée de la même intensité (figures 6-8).

Figure 1. Les mécanismes de base de TMS. La bobine SMT induit un champ magnétique qui pénètre le cuir chevelu et induit un courant de Foucault au sein du cortex moteur. Ce courant de Foucault est alors capable de stimuler les neurones dans le cerveau. Figure tiré à part de McGinley et Clark, dans la presse ^14.

Figure 2. Configuration pour réaliser T MS sur le muscle FCR. Remarque à l'enregistrement d'un électromyogramme (EMG) des signaux du bras, et la palette de TMS sur le cortex moteur. En général, nous aussi les forces musculaires record, et d'utiliser la stimulation électrique des nerfs périphériques pour obtenir le composé l'action musculaire maximale des fibres potentiels, comme cela est utile dans l'interprétation des valeurs d'amplitude (par exemple, on peut exprimer et MEP rapport à la réponse musculaire maximale, par opposition à une absolue valeur en mV qui peut être fortement influencée par des facteurs non physiologiques tels que le tissu adipeux sous-cutané). Figure réimprimé parmi les suivants: Clark et al. 2008 ^9, Clark et al., 2010 ^6, et McGinley et al. 2010 ^7.

Figure 3. Configuration pour effectuer TMS sur les muscles érecteurs spinale. Figure tiré à part de Goss et al. 2011 ^8.

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Figure 4. Exemple de la détermination du seuil moteur. Les traces EMG représentent le moteur des potentiels évoqués (MEP) de réponse à des intensités de stimulation augmente graduellement (représenté comme un pourcentage de la production stimulateur (SO)). Notez que pour des intensités plus faibles (28-30% de SO) Les eurodéputés ont suscité très peu (sous-seuil), mais que, à 32% SO eurodéputé a suscité ce seuil moteur atteint (généralement définie comme une eurodéputée avec une amplitude PP> 50 uV).

Figure tiré à part de McGinley et Clark, dans la presse ^14.

TMS figure 5 lors d'une contraction:. Potentiels évoqués moteurs période et silencieux. La période de silence est observée quand un sujet effectue une légère contraction et un stimulus unique est appliquée sur le cortex moteur. La première partie de la période de silence estdue à l'inhibition de la moelle épinière et la dernière partie est attribuée à l'inhibition corticale, les récepteurs GABA _B spécifiquement. Il n'existe aucun moyen de consensus pour quantifier la durée de la période de silence, mais nos résultats indiquent que ce soit en le définissant à partir du début de relance ou de l'apparition MEP au retour du signal d'interférence électromyogramme volontaire est le ¹⁵ les plus fiables.
Figure tiré à part de Clark et rapide, 2011 ^16, et McGinley et Clark, dans la presse ^14.

Changer la figure 6. Dans le moteur potentiel évoqué taille vec TMS impulsions jumelés du muscle FCR. Mesure de court intervalle de l'inhibition intracorticale (SICI) et la facilitation intracorticale (ICF). Pour quantifier SICI et ICF le pouls de conditionnement (CP) est fixé en dessous du seuil moteur, et l'impulsion d'essai (TP) est défini pour évoquer MEP entre 0,5 à 1 mV. A intervalles courts interstimulus(Par exemple, 3-ms) du CP inhibe la MEP en comparaison avec les TP seulement (SICI), tandis que, à intervalles plus interstimulus (par exemple, 15 ms), il facilite l'eurodéputé (ICF).

CP: impulsion de conditionnement, TP: Figure impulsion de test tiré à part de Clark et al, 2010 ^6, McGinley et al.. 2010 ^14, Clark et rapide, 2011 ^16, et McGinley et Clark, dans la presse ^14.

Changer la figure 7. Évoqués moteurs de taille potentielle avec TMS impulsions jumelés du muscle ES. Exemple de traces EMG des muscles spinaux et la mesure de court intervalle de l'inhibition intracorticale (SICI) et la facilitation intracorticale (ICF).
Figure tiré à part de Goss et al. 2011 ^8.

Figure 8. Changement de moteur evopotentiels ked taille avec TMS impulsions appariées. Mesure de long intervalle de l'inhibition intracorticale (LICI). Pour quantifier les impulsions LICI tester deux sont livrés à un intervalle de 100 interstimulus-ms. Il en résulte l'eurodéputé second étant inhibée par rapport à la MEP en premier.
Figure tiré à part de Clark et al., 2010 ^6, McGinley et al. 2010 ⁷ et McGinley et Clark, dans la presse ^14.

Discussion

L'objectif global de cet article est de fournir aux scientifiques et aux cliniciens un compte visuelle de nos laboratoires de l'utilisation de la stimulation magnétique transcrânienne. Cependant, en plus d'offrir une visualisation de ces expériences, discuter des questions ci-dessous nous de base à considérer lors de l'exécution TMS de cette manière, donner un bref aperçu de la physiologie de réponses TMS, et aussi de discuter de notre utilisation de TMS en ce qui concerne l'utilisation de a...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nom de l'Equipement	Société	Numéro de catalogue	Commentaires (optionnel)
Stimulateur magnétique transcrânien 2002 Stimulateur magnétique transcrânien Bi-Stim2 Figure-huit bobines de 70 mm Bobine double cône	La Société Magstim	NA	TMS équipement (y compris les bobines)
Biodex System 4	Biodex	NA	Dynamomètre
Biopac MP150 Système d'acquisition de données	Biopac	MP150WSW	Convertisseur AN pour l'EMG et la force
AcqKnowledge 4.0 du logiciel d'acquisition de données	Biopac	ACK100W
Trace une Nikomed électrodes ECG	Nikomed	2015	Électrodes EMG
Constante Stimulateur courant	Digitimer	DS7A	Stimulateur de nerf périphérique