Utilizzando la Stimolazione Magnetica Transcranica per studiare il sistema neuromuscolare umano

Riepilogo

Stimolazione magnetica transcranica (TMS) è un strumento non invasivo per ottenere informazioni sulla fisiologia e la funzione del sistema nervoso umano. Qui, presentiamo le nostre tecniche di TMS per studiare l'eccitabilità corticale dell'arto superiore e della muscolatura lombare.

Abstract

Stimolazione magnetica transcranica (TMS) è stato in uso da oltre 20 anni ^1, ed è cresciuta in modo esponenziale in popolarità negli ultimi dieci anni. Mentre l'uso di TMS ha ampliato allo studio di molti sistemi e dei processi in questo periodo, l'applicazione originale e forse uno degli usi più comuni di TMS comporta studiare la, la plasticità fisiologia e la funzione del sistema neuromuscolare umano. TMS singolo impulso applicato alla corteccia motoria eccita i neuroni piramidali transsynaptically ² (Figura 1) e si traduce in una risposta misurabile elettromiografici che può essere utilizzato per studiare e valutare l'integrità e l'eccitabilità del tratto corticospinale negli esseri umani ^3. Inoltre, i recenti progressi nella stimolazione magnetica consente ora per il partizionamento di eccitabilità corticale rispetto a ^4,5 spinale. Per esempio, accoppiato impulsi TMS può essere utilizzata per valutare le proprietà facilitazione intracorticale e inibitori combinando una condizioneING stimolo ed uno stimolo test a intervalli diversi interstimulus ^3,4,6-8. In questo articolo il video ci mostrerà gli aspetti metodologici e tecnici di queste tecniche. In particolare, dimostreremo singolo impulso ea due impulsi tecniche di TMS applicata al flessore radiale del carpo (FCR) muscolare così come la erettori spinali (ES) muscolatura. Il nostro laboratorio studia i muscoli FCR in quanto è di interesse per la nostra ricerca sugli effetti del polso-mano gessato sul rendimento muscolare ridotto ^6,9, e studiamo i muscoli ES a causa di questi muscoli rilevanza clinica, in quanto riguarda il mal di schiena ^8. Con questo detto, dobbiamo notare che TMS è stata utilizzata per studiare molti muscoli della mano, il braccio e le gambe, e dovrebbe ribadire che le nostre manifestazioni in FCR e gruppi muscolari sono solo ES selezionati esempi di TMS viene utilizzato per studiare la neuromuscolare umano sistema.

Protocollo

1. TMS singoli e associati-Pulse dei muscoli FCR e ES

1. Precauzioni di base di sicurezza: Prima di effettuare TMS su un soggetto umano, è necessario prima schermata loro per le misure di sicurezza di base in quanto riguarda l'esposizione ad un campo magnetico. Nel nostro laboratorio seguiamo le linee guida di screening indicati dall'Istituto per la Risonanza Magnetica di sicurezza, dell'istruzione e della ricerca ^10. Nel nostro laboratorio abbiamo anche regolarmente escludere gli individui con una storia familiare di convulsioni epilessia. Abbiamo anche bisogno di soggetti sottoposti a TMS dei muscoli ES di indossare tappi per le orecchie e una bocca guardia a causa della minore intensità di stimolazione focale e più forte.
2. Registrazioni elettrica: per esaminare le risposte TMS nel sistema motorio è necessario per la registrazione elettromiografica (EMG) segnali provenienti da muscoli scheletrici. Per il muscolo FCR mettiamo elettrodi di superficie sull'avambraccio con un arrangiamento elettrodo bipolare situato longitudinalmente sopra tha muscoli sulla pelle rasata e abrasa, come abbiamo descritto in precedenza ^7,11. Per i muscoli erettori del erettori usiamo un accordo simile elettrodo situato longitudinalmente sopra i muscoli alla L3-L5 livello vertebrale sulla pelle rasata e abrasa ^8.
3. TMS Orientamento Coil: Per attivare prevalentemente neuroni cortico-transsynaptically è necessario posizionare la bobina TMS opportunamente ^12. Per i muscoli FCR abbiamo posto a 70 mm figura di otto bobine TMS tangenziale al cuoio capelluto e di 45 gradi rispetto alla linea mediana in modo che i flussi di corrente indotta in una laterale-posteriore a mediale-anteriore direzione. Per i muscoli ES usiamo un doppio cono bobina che ha profondità maggiore penetrazione ed è necessaria a causa della rappresentazione di questi muscoli sono più in profondità nella homunculus. Qui, la bobina è posizionato in modo tale che la corrente scorre in una direzione anteriore a posteriore. Abbiamo modificato il nostro custom-coil con un sistema di attacco laser per aiutarci in subsequent riposizionamento della bobina doppio cono.
4. Identificare 'hotspot': E 'necessario determinare la posizione stimolazione che provoca il più grande motore potenziale evocato. Per il muscolo FCR facciamo questo sottilmente spostando la bobina TMS intorno con incrementi molto piccoli e determinare dove si osserva la più grande evocati motori ampiezza potenziale. Una volta individuato si nota questa zona con inchiostro indelebile sia sul cuoio capelluto o un cappuccio in lycra. TMS dei muscoli ES è molto più scomodo da soggetti umani di TMS dei muscoli degli arti superiori. Di conseguenza, abbiamo ottimizzato il nostro protocollo TMS per i muscoli ES per aumentare sia la tollerabilità e la fattibilità. Qui, invece di localizzare la "hotspot" che usiamo misure antropometriche per identificare il vertice del cranio. In particolare, identifichiamo il vertice come l'intersezione del cranio in sagittale (tra il nasinon e inion) e coronale (tra il trago) aerei.
5. Il posizionamento biomeccanico: Nel nostro laboratorio quando facciamo TMS dei soggetti FCR muscoli sono seduti con il braccio a riposo in posizione distesa in un sistema Biodex 4 Dinamometro (Figura 2). Tuttavia, dobbiamo notare che questo è solo un esempio di un possibile set-up per la misurazione della forza esercitata. Per i soggetti ES muscoli sono invitati a sedere con una postura eretta, mentre il loro riposo mani in grembo (Figura 3). Sono seduto su una sedia girevole con la coscia a 90 ° rispetto al tronco, parte inferiore della gamba a circa 45 ° rispetto alla coscia, e la colonna lombare in modo neutrale posture8.
6. Quantificare Soglia Motore: Per l'FCR, si determina soglia motoria (MT), fornendo impulsi singoli ad aumentare gradualmente intensità di stimolazione fino potenziali evocati motori hanno ampiezze superiori a 50 microvolt picco-picco in più del 50% delle prove (Figura 4) . Per semplificare il protocollo TMS e aumentare la tollerabilità e fattibilità non determina soglia motoria nella ES i muscoli con la stessa precisione come quando si prova la muscolatura degli arti superiori. Piuttosto, cominciamo il protocollo di TMS, fornendo un impulso iniziale solo al 50% della potenza massima di stimolatore per determinare se questa intensità dello stimolo è al di sopra o al di sotto della soglia del motore. Se un europarlamentare si osserva a questo stimolo di intensità definito come europarlamentare percepibile rispetto al livello dello sfondo EMG-l'intensità è ridotta al 40% della produzione stimolatore per determinare se questa intensità dello stimolo è sotto-o sopra-soglia ^dell'8.
7. Quantificare ampiezza MEP con singolo impulso TMS: Per esaminare le potenziali evocati motori ampiezza del FCR forniamo un singolo impulso TMS al 'hotspot' ad una intensità pari al 130% della soglia motoria, e calcolare il picco-picco di ampiezza . Generalmente, normalizzare questo risultato alla massima potenziale di azione composto di fibre muscolari osservata in seguito sovramassimale stimolazione elettrica del nervo mediano. Dobbiamo notare che la dimensione del MEP è verdipende dal grado di eccitabilità corticale y. Di conseguenza, quando l'impulso TMS viene consegnato nel corso di una contrazione di fondo, quando l'eccitabilità corticale è aumentata, la dimensione parlamentare europeo aumenterà notevolmente. Per i muscoli ES, forniamo un singolo impulso TMS al vertice a un'intensità 40 o 50% al di sopra del sub-motore intensità soglia ^dell'8. Purtroppo, a causa dei nervi periferici che innervano i muscoli ES non sono accessibili alla stimolazione elettrica non siamo in grado di normalizzare questi potenziali evocati motori al potenziale di azione composto fibre muscolari.
8. Quantificare Durata silenzioso Periodo con singolo impulso TMS: Quando un impulso TMS alla corteccia viene consegnato nel corso di una contrazione muscolare produrrà un potenziale evocati motori seguita dalla quiescenza elettrica prima di riprende l'attività che è indicativo di inibizione cortico-spinale e comunemente indicato come il silenzioso periodo di ¹³ (Figura 5). Per quantificare il periodo di silenzio forniamo un singoloTMS impulso al 'hotspot' ad una intensità pari al 130% della soglia motoria, mentre il partecipante allo studio è eseguire una flessione del polso contrazione muscolare del 15% della loro forza massimale. Non abbiamo precedentemente quantificato il periodo di durata silenzioso dei muscoli ES, ma dobbiamo notare che abbiamo aneddoticamente osservato la sua esistenza in questo gruppo muscolare quando la TMS impulso id consegnato nel corso di una contrazione di sfondo.
9. Quantificare la facilitazione intracorticale utilizzando appaiati Pulse TMS: Noi usiamo accoppiato impulso TMS per quantificare facilitazione intracorticale ^6,7 (Figura 6 e 7 rappresenta questa misura per la FCR e muscoli ES, rispettivamente). Per il muscolo FCR dobbiamo prima stabilire l'intensità stimolo necessario per ottenere un potenziale evocati motori che è compreso tra 0,5-1,0 mV. Successivamente, forniamo un condizionamento sottosoglia impulsi che nel nostro laboratorio è comunemente fissato pari al 70% del motore soglia-15-msec prima dell'impulso di prova suprathreshold. Questo condizionamentoimpulso fornito in questo periodo di tempo prima dell'impulso di prova aumenterà, o facilitare, l'ampiezza dei potenziali evocati motori più di un singolo impulso incondizionato della stessa intensità. Per il gruppo muscolare ES l'intensità degli impulsi di condizionamento è impostato sul osservato sub-motore intensità soglia (o 40% o 50% della produzione stimolatore) e l'intensità degli impulsi di prova è impostato al 40% al di sopra del sub-motore livello di soglia (80% o 90% della produzione stimolatore) ^8. Dobbiamo notare che l'intensità degli impulsi di condizionamento potrebbe essere variata in funzione dell'obiettivo dello studio. Allo stesso modo, gli intervalli di impulso può variare a seconda del muscolo e la sua posizione rispetto alla corteccia.
10. Quantificare breve intervallo inibizione intracorticale utilizzando appaiati Pulse TMS: Usiamo anche accoppiato impulso TMS di quantificare a breve intervallo di inibizione intracorticale ^6,7 (Figura 6 e 7 rappresenta questa misura per i muscoli FCR e ES, rispettivamente). Qui, sia per ilFCR e muscoli ES, le procedure sono le stesse descritte per la misurazione della facilitazione intracorticale con l'eccezione che l'intervallo interstimulus tra i due impulsi è ridotto a 3 msec. Questo impulso condizionata consegnato a questo periodo di tempo prima dell'impulso di test diminuirà, o inibire, l'ampiezza delle potenziali evocati motori più di un singolo impulso incondizionato della stessa intensità.
11. Quantificare lungo intervallo inibizione intracorticale utilizzando appaiati Pulse TMS: dare due identici impulsi di test suprathreshold che sono separati da 100 millesimi di secondo può essere utilizzato anche per valutare a lunghi intervalli di inibizione intracorticale ^6,7. In questo caso per la FCR-muscolare il potenziale evocati motori associati al secondo impulso sarà più piccola, più o inibito, di quella associata con la prima (Figura 8). Non abbiamo quantificato in precedenza a lungo intervallo di inibizione intracorticale nei muscoli ES a causa delle preoccupazioni sul tema tollerabilità.

2. Rappresentante dei risultati:

Dopo la consegna di un TMS suprathreshold impulso, i muscoli sono stimolati dovrebbero dimostrare una risposta facilmente osservabili EMG (il MEP) (illustrati nelle figure 4-8). La latenza tra l'inizio stimolo e l'eurodeputato varierà tra i gruppi muscolari in esame, ma per l'FCR è generalmente 16-19 msec (figura 6) e per l'ES è 17-22 ms (Figura 7, anche se dovrebbe da notare che in alcuni soggetti definitiva insorgenza MEP nei muscoli ES è più difficile da identificare visivamente). Va notato che durante il test del muscolo ES gruppo più gruppi muscolari sono anche visibilmente e drammaticamente stimolati contemporaneamente (compresi i muscoli degli arti inferiori, che sono rappresentati all'interno della stessa regione generale del homunculus). Durante la misura di facilitazione intracorticale l'ampiezza MEP è generalmente più grande di quella osservata con un singolo impulso incondizionato (FIGURA 6 e 7). Tuttavia, è nostra esperienza che il grado di agevolazione varia tra i gruppi di muscoli con alcuni gruppi muscolari, ad esempio come la FCR-mostra solo modesta agevolazione in molti soggetti. Per la misura di breve intervallo e lunghi intervalli di inibizione intracorticale una diminuzione dell'ampiezza MEP è generalmente osservata rispetto ad un singolo impulso incondizionato della stessa intensità (figure 6-8).

Figura 1. I meccanismi di base della TMS. La bobina TMS induce un campo magnetico, che penetra nel cuoio capelluto e induce una corrente Eddy all'interno della corteccia motoria. Questo correnti parassite è quindi in grado di stimolare i neuroni all'interno del cervello. Figura ristampato da McGinley e Clark, In Press ^14.

Figura 2. Setup per l'esecuzione di T MS sul muscolo FCR. Nota la registrazione di elettromiografia (EMG) segnali l'avambraccio, e la pagaia TMS sulla corteccia motoria. In genere anche le forze muscolari registrare e utilizzare la stimolazione elettrica dei nervi periferici per ottenere il massimo potenziale delle fibre muscolari mescola azione, come questo è utile per interpretare i valori di ampiezza (ad esempio, si può esprimere e deputato europeo relativo alla risposta muscolare massima in contrapposizione ad un assoluto mV valore che può essere fortemente influenzata da fattori non fisiologici come il tessuto adiposo sottocutaneo). Figura ristampato dalla seguente: Clark et al. 2008 ^9, Clark et al., 2010 ^6, e McGinley et al. 2010 ^7.

Figura 3. Setup per l'esecuzione di TMS sui muscoli erettori della Spinale. Figura ristampato da Goss et al. 2011 ^8.

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Figura 4. Esempio di determinazione della soglia del motore. Le tracce EMG rappresentano i potenziali evocati motori (MEP) risposta a stimoli di intensità via via crescente (rappresentato come una percentuale della produzione stimolatore (SO)). Si noti che alla intensità inferiore (28-30% di SO) eurodeputati molto piccoli sono stati suscitato (sotto soglia), ma che al 32% SO un europarlamentare è stata evidenziata la soglia raggiunta motore (di solito definita come un eurodeputato con un ampiezza pp> 50 uV).

Figura ristampato da McGinley e Clark, In Press ^14.

TMS Figura 5 nel corso di una contrazione:. Potenziali evocati motori periodo e silenziosa. Il periodo di silenzio è stato osservato quando un soggetto compie una leggera contrazione e un singolo stimolo è applicato alla corteccia motoria. La prima parte del periodo di silenzio èa causa dell'inibizione del midollo spinale e l'ultima parte è attribuita alla inibizione corticale, i recettori GABA _B specifico. Non c'è modo il consenso per quantificare la durata del periodo di silenzio, ma i nostri risultati indicano che sia la definizione di insorgenza stimolo o insorgenza MEP per il ritorno del segnale interferenza volontaria elettromiogramma è il più affidabile ^15.
Figura ristampato da Clark e Quick, 2011 ^16, e McGinley e Clark, In Press ^14.

Cambia Figura 6. Potenziali evocati motori in dimensioni TMS-esimo impulso accoppiati del muscolo FCR. Misurazione di breve intervallo di inibizione intracorticale (SICI) e la facilitazione intracorticale (ICF). Per quantificare SICI ed ICF il polso condizionata (CP) è al di sotto della soglia del motore, e il polso di prova (TP) è impostato per evocare europarlamentari tra 0,5-1 mV. A intervalli brevi interstimulus(Ad esempio, 3-msec) il CP inibisce l'eurodeputato rispetto alla TP solo (SICI), mentre ad intervalli più lunghi interstimulus (ad esempio, di 15 msec) facilita l'eurodeputato (ICF).

CP: impulso condizionata, TP: Figura impulso prova ristampato da Clark et al, 2010 ^6, McGinley et al.. 2010 ^14, Clark e Quick, 2011 ^16, e McGinley e Clark, In Press ^14.

Cambia la figura 7. In dimensioni potenziali evocati motori con TMS impulsi appaiati del muscolo ES. Esempio di tracce EMG dai muscoli erettori del erettore e la misurazione di breve intervallo di inibizione intracorticale (SICI) e la facilitazione intracorticale (ICF).
Figura ristampato da Goss et al. 2011 ^8.

Figura 8. Variazione motore evopotenziale KED dimensioni con TMS impulsi appaiati. Misurazione del lungo intervallo di inibizione intracorticale (Lici). Per quantificare Lici due impulsi di prova sono consegnati ad un intervallo interstimulus di 100-msec. Il risultato è l'eurodeputato seconda è inibita rispetto alla MEP prima.
Figura ristampato da Clark et al., 2010 ^6, McGinley et al. 2010 ⁷ e McGinley e Clark, In Press ^14.

Discussione

L'obiettivo generale di questo articolo è quello di fornire agli scienziati e medici un resoconto visivo dei nostri laboratori uso di stimolazione magnetica transcranica. Tuttavia, oltre a fornire una visualizzazione di questi esperimenti, sotto discutiamo questioni fondamentali da considerare quando si esegue TMS in questo modo, fornire una breve panoramica della fisiologia di risposte TMS, e anche discutere il nostro uso di TMS per quanto riguarda l'utilizzo di altri.

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Name	Company	Catalog Number	Comments
Nome dell'Apparecchiatura	Azienda	Numero di catalogo	Commenti (opzionale)
Stimolatore magnetico transcranico 2002 Stimolatore magnetico transcranico Bi-Stim2 Figura-Eight di 70 mm bobina Cone Coil doppio	L'Azienda Magstim	NA	TMS attrezzature (tra cui bobine)
Biodex Sistema 4	Biodex	NA	Dinamometro
Biopac MP150 sistema di acquisizione dati	Biopac	MP150WSW	Convertitore AD di EMG e forza
AcqKnowledge 4,0 software di acquisizione dati	Biopac	ACK100W
Nikomed Trace 1 elettrodi ECG	Nikomed	2015	EMG elettrodi
Stimolatore di corrente costante	Digitimer	DS7A	Stimolatore del nervo periferico