Estimulação Combinada de Nervos Periféricos e Parâmetro de Pulso Controlável Estimulação Magnética Transcraniana para Sonda de Controle Sensório-Motor e Aprendizagem

Resumo

A inibição aferente de curta latência (IAF) é um protocolo de estimulação magnética transcraniana para sondar a integração sensório-motora. Este artigo descreve como a IAC pode ser usada para estudar as alças sensório-motoras convergentes no córtex motor durante o comportamento sensório-motor.

Resumo

A habilidade motora habilidosa depende da integração eficiente da aferência sensorial nos comandos motores apropriados. A inibição aferente fornece uma ferramenta valiosa para investigar a influência procedimental e declarativa sobre a integração sensório-motora durante ações motoras habilidosas. Este artigo descreve a metodologia e as contribuições da inibição aferente de curta latência (IAF) para a compreensão da integração sensório-motora. A IAC quantifica o efeito de um voleio aferente convergente sobre o débito motor corticoespinhal evocado pela estimulação magnética transcraniana (EMT). O voleio aferente é desencadeado pela estimulação elétrica de um nervo periférico. O estímulo da EMT é entregue a um local sobre o córtex motor primário que provoca uma resposta motora confiável em um músculo servido por esse nervo aferente. A extensão da inibição na resposta evocada motora reflete a magnitude do voleio aferente convergindo para o córtex motor e envolve contribuições gabaérgicas e colinérgicas centrais. O envolvimento colinérgico na ISC torna a IAC um possível marcador de interações declarativo-procedimentais no desempenho sensório-motor e na aprendizagem. Mais recentemente, estudos começaram a manipular a direção da corrente da EMT na ISC para desvendar o significado funcional de circuitos sensório-motores distintos no córtex motor primário para ações motoras habilidosas. A capacidade de controlar parâmetros de pulso adicionais (por exemplo, a largura de pulso) com o parâmetro de pulso controlável de última geração TMS (EMTc) aumentou a seletividade dos circuitos sensório-motores sondados pelo estímulo TMS e proporcionou uma oportunidade para criar modelos mais refinados de controle sensório-motor e aprendizagem. Portanto, o presente artigo enfoca a avaliação da ISC por meio da EMTc. No entanto, os princípios aqui delineados também se aplicam à IAC avaliada por meio de estimuladores convencionais de TMS de largura de pulso fixa e outras formas de inibição aferente, como a inibição aferente de longa latência (IAF).

Introdução

Múltiplas alças sensório-motoras convergem no córtex motor para formar projeções do trato piramidal para neurônios motores espinhais e interneurônios¹. No entanto, como essas alças sensório-motoras interagem para moldar as projeções corticoespinhais e o comportamento motor permanece uma questão em aberto. A inibição aferente de curta latência (IAF) fornece uma ferramenta para sondar as propriedades funcionais de alças sensório-motoras convergentes na saída do córtex motor. A IAC combina estimulação magnética transcraniana cortical motora (EMT) com estimulação elétrica do nervo aferente periférico correspondente.

A EMT é um método não invasivo para estimular com segurança neurônios motores piramidais transsinapticamente no cérebro humano ^2,3. A EMT envolve a passagem de uma corrente elétrica grande e transitória através de um fio enrolado colocado no couro cabeludo. A natureza transitória da corrente elétrica cria um campo magnético em rápida mudança que induz uma corrente elétrica no cérebro⁴. No caso de um único estímulo da EMT, a corrente induzida ativa uma série de entradas excitatórias para os neurônios motores^{piramidais5-7}. Se a força das entradas excitatórias geradas for suficiente, a atividade descendente provoca uma resposta muscular contralateral conhecida como potencial evocado motor (PEmáx). A latência da PEmáx reflete o tempo de condução corticomotora⁸. A amplitude da PEmáx indexa a excitabilidade dos neurônios corticoespinhais⁹. O estímulo único da EMT que provoca a PEmáx também pode ser precedido por um estímulo condicionante^10,11,12. Esses paradigmas de pulso pareado podem ser usados para indexar os efeitos de vários pools de interneurônios sobre o débito corticoespinhal. No caso do IAF, o estímulo do condicionamento elétrico periférico é utilizado para sondar o impacto do voleio aferente sobre a excitabilidade cortical motora^11,13,14,15. O tempo relativo do estímulo da EMT e da estimulação elétrica periférica alinha a ação do estímulo da EMT no córtex motor com a chegada das projeções aferentes ao córtex motor. Para a IAC nos músculos distais dos membros superiores, o estímulo do nervo mediano tipicamente precede o estímulo da EMT em 18-24 ms11,13,15,16. Ao mesmo tempo, a IAC aumenta à medida que aumenta a força do voleio aferente induzido pelo estímulo periférico13,17,18.

Apesar de sua forte associação com as propriedades extrínsecas da projeção aferente para o córtex motor, a ISC é um fenômeno maleável implicado em muitos processos de controle motor. Por exemplo, o IAC é reduzido em músculos relevantes para a tarefa antes de um movimento iminente 19,20,21, mas é mantido em representações motoras irrelevantes para tarefas adjacentes^19,20,22. Hipotetiza-se que a sensibilidade à relevância da tarefa reflita um mecanismo de inibição surround²³ que visa reduzir o recrutamento indesejado de efetores. Mais recentemente, foi proposto que a redução do IAC no efetor relevante para a tarefa pode refletir um fenômeno de gating relacionado ao movimento projetado para suprimir a aferência sensorial esperada²¹ e facilitar correções durante o planejamento e execução sensório-motora²⁴. Independentemente do papel funcional específico, a ISC correlaciona-se com reduções na destreza manual e eficiência de processamento²⁵. A alteração da ISC também está associada ao aumento do risco de quedas em idosos 26 e comprometimento da função sensório-motora na doença de Parkinson 26,27,28 e em indivíduos com distonia focal das mãos ²⁹.

Evidências clínicas e farmacológicas indicam que as vias inibitórias mediadoras da ISC são sensíveis à modulação colinérgica central³⁰. Por exemplo, a administração do antagonista muscarínico do receptor de acetilcolina escopolamina reduz a ISC³¹. Em contraste, o aumento da meia-vida da acetilcolina via inibidores da acetilcolinesterase aumenta a ISC^32,33. Consistente com evidências farmacológicas, a ISC é sensível a vários processos cognitivos com envolvimento colinérgico central, incluindo excitação 34, recompensa³⁵, alocação de atenção 21,36,37 e memória^38,39,40. A ISC também está alterada em populações clínicas com déficits cognitivos associados à perda de neurônios colinérgicos, como doença de Alzheimer41,42,43,44,45,46,47, doença de Parkinson (com comprometimento cognitivo leve)^48,49,50 e comprometimento cognitivo ^leve47,51,52. A modulação diferencial da ISC por vários benzodiazepínicos com afinidades diferenciais para vários tipos de subunidades de receptores do ácido γ-aminobutírico tipo A (GABA_A) sugere que as vias inibitórias da ISC são distintas das vias que mediam outras formas de inibição do pulso pareado³⁰. Por exemplo, o lorazepam diminui o ISC, mas aumenta a inibição cortical de curto intervalo (SICI)⁵³. O zolpidem reduz a ISC, mas tem pouco efeito sobre a SICI⁵³. Diazepam aumenta SICI, mas tem pouco impacto sobre SAI⁵³. A redução do ISC por esses moduladores alostéricos positivos da função do receptor_{GABA A}, aliada à observação de que o GABA controla a liberação de acetilcolina no tronco cerebral e córtex⁵⁴, levou à hipótese de que o GABA modula a via colinérgica que se projeta para o córtex sensório-motor para influenciar a ISC⁵⁵.

Recentemente, a IAC tem sido utilizada para investigar interações entre as alças sensório-motoras que definem processos de controle motor de procedimentos e aquelas que alinham processos procedimentais a objetivos explícitos de cima para baixo e processos de controle cognitivo 21,36,37,38. O envolvimento colinérgico central na ISC³¹ sugere que a ISC pode indexar uma influência executiva sobre o controle sensório-motor e a aprendizagem do procedimento. É importante ressaltar que esses estudos começaram a identificar os efeitos únicos da cognição em circuitos sensório-motores específicos, avaliando a ISC usando diferentes direções de corrente da EMT. Os estudos de IAC tipicamente empregam corrente induzida póstero-anterior (PA), enquanto apenas alguns estudos de IAC empregaram corrente induzida anteroposterior (AP)⁵⁵. No entanto, o uso da EMT para induzir PA em comparação com a corrente PA durante a avaliação da IAC recruta circuitos sensório-motores distintos^16,56. Por exemplo, circuitos sensório-motores sensíveis ao PA, mas não sensíveis ao PA, são alterados pela modulação cerebelar ^37,56. Além disso, circuitos sensório-motores sensíveis ao PA, mas não sensíveis ao PA, são modulados pela carga de atenção³⁶. Finalmente, a atenção e as influências cerebelares podem convergir para os mesmos circuitos sensório-motores sensíveis ao PA, levando a alterações desadaptativas nesses circuitos³⁷.

Os avanços na tecnologia da EMT proporcionam flexibilidade adicional para manipular a configuração do estímulo da EMT empregado durante aplicações de pulso único, pulso pareado e repetitivas^57,58. Os estimuladores TMS (cTMS) de parâmetros de pulso controláveis estão agora comercialmente disponíveis para uso em pesquisa em todo o mundo, e fornecem controle flexível sobre a largura e a forma do pulso⁵⁷. O aumento da flexibilidade decorre do controle da duração da descarga de dois capacitores independentes, cada um responsável por uma fase separada do estímulo da EMT. A natureza bifásica ou monofásica do estímulo é governada pela amplitude relativa de descarga de cada capacitor, um parâmetro chamado razão M. Estudos de EMTc combinaram a manipulação da largura de pulso com diferentes direções de corrente para demonstrar que as larguras de pulso fixas usadas por estimuladores convencionais de EMT (70-82 μs)^59,60 provavelmente recrutam uma mistura de circuitos sensório-motores funcionalmente distintos durante a^ISC56. Portanto, a EMTc é uma ferramenta empolgante para desvendar ainda mais o significado funcional de várias alças sensório-motoras convergentes no desempenho sensório-motor e na aprendizagem.

Este manuscrito detalha uma abordagem única da ISC para estudar a integração sensório-motora que integra a estimulação elétrica periférica com a EMTc durante comportamentos sensório-motores. Essa abordagem melhora a abordagem típica da ISC ao avaliar o efeito de projeções aferentes em populações selecionadas de interneurônios no córtex motor que governam o débito corticoespinhal durante o comportamento sensório-motor contínuo. Embora relativamente nova, a EMTc oferece uma vantagem distinta no estudo da integração sensório-motora em populações típicas e clínicas. Além disso, a abordagem atual pode ser facilmente adaptada para uso com estimuladores convencionais de EMT e para quantificar outras formas de inibição e facilitação aferente, como a inibição aferente de longa latência (IAF)¹³ ou a facilitação aferente de curta latência (FAS)¹⁵.

Protocolo

O protocolo a seguir pode ser aplicado a vários experimentos. As informações fornecidas detalham um experimento no qual o ISC é usado para quantificar a integração sensório-motora durante a resposta de um dedo a uma sonda sinalizada de forma válida ou inválida. Nesse protocolo, a IAC é avaliada sem tarefa, concomitantemente durante a tarefa sensório-motora sinalizada e, novamente, sem tarefa. O estimulador de EMTc pode ser substituído por qualquer estimulador convencional de EMT disponível comercialmente. Entretanto, a largura de pulso do estimulador convencional de EMT seria fixada entre 70-82 μs dependendo do hardware específico^59,60. Este estudo foi aprovado pelo Escritório de Ética em Pesquisa da Universidade de Waterloo. Todos os participantes assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido.

1. Requisitos de hardware/software

NOTA: A Figura 1 exibe um esquema dos requisitos de hardware para integrar os estimuladores elétricos e TMS periféricos com uma tarefa sensório-motora controlada por computador. A Figura 2A mostra a configuração do SAI para a corrente induzida por PA e AP. A Figura 2B ilustra a sequência de eventos para a tarefa sensório-motora sinalizada e o tempo relativo da avaliação da IAT. Um sistema de orientação estereotáxica para rastrear a orientação da bobina de EMT em relação ao participante é fortemente recomendado para reduzir a variabilidade tentativa a tentativa na resposta fisiológica associada à variação na posição e trajetória da bobina⁶¹.

Figura 1: Esquema do hardware utilizado para avaliar a IAC em repouso e durante o comportamento sensório-motor concomitante. O PC1, que é usado para controlar a tarefa sensório-motora e o tempo do estímulo da EMTc/estimulação elétrica periférica, é conectado a um conversor digital-analógico capaz de gerar um gatilho de saída TTL de 5 V através de um cabo USB. Para ensaios não condicionados, o gatilho do canal digital de entrada-saída 1 é enviado para o estimulador cTMS através de um cabo BNC. Para ensaios condicionados, o gatilho do canal digital de entrada-saída 1, que é enviado para o estimulador de EMTc, é precedido por um gatilho do canal digital de entrada-saída 2 para o estimulador elétrico periférico. Um cabo BNC do canal de saída do gatilho na unidade cTMS é enviado para a placa analógica-digital do sistema EMG para acionar a gravação do amplificador EMG e a exibição/salvamento dos dados pelo software de aquisição EMG no PC2. Um cabo BNC opcional do gatilho da EMTc também é enviado ao sistema de orientação estereotáxica para registrar a posição e a trajetória da bobina no momento do estímulo da EMTc. Abreviações: PC = computador pessoal; USB = barramento serial universal; TTL = cabo de disparo lógico transistor-transistor; BNC = conector Bayonet Neill-Concelman; EMTc = estimulador magnético transcraniano de parâmetro de pulso controlável; EMT = estimulação magnética transcraniana; A/D = analógico-digital; EMG = eletromiografia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Configuração do IAC e tarefa sensório-motora . (A) Esquema do posicionamento para avaliação da ISC no músculo IDE. É importante notar que a corrente induzida no cérebro é oposta à direção da corrente na bobina de EMT. (B) Uma representação de uma pista válida do dedo indicador (superior) e uma pista inválida do dedo indicador (inferior). A pista é sempre representada como o estímulo superior (destacado pelo círculo tracejado). A cor da pista corresponde a uma resposta específica do dedo. Os participantes foram instruídos a responder à cor da sonda o mais rápido e preciso possível. Pistas e sondas podem ser de qualquer cor. A probabilidade de uma pista válida foi de 70%. Pistas inválidas ocorreram em 30% das tentativas. Abreviações: SAI = inibição aferente de curta latência; AF = póstero-anterior; AP = anteroposterior; IDE = primeiro interósseo dorsal; EMG = eletromiografia; MNS = estímulo do nervo mediano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

1. Equipe um computador pessoal (PC1) com software para controlar a tarefa sensório-motora através de uma placa analógico-digital USB (ou porta serial) com dois canais de saída digital.
2. Estabelecer uma rotina de software sem tarefa para controlar a ordem dos estímulos de EMTc não condicionados e estímulos de EMTc que serão condicionados por estimulação elétrica periférica com intervalo interestímulo (IIE) de 21 ms. Randomize o intervalo entre quaisquer dois estímulos (por exemplo, condicionados ou não condicionados) usando uma distribuição retangular com duração entre 5-8 s.
   1. Certifique-se de que a rotina envia um gatilho de saída digital para o gatilho na porta da unidade cTMS para os estímulos incondicionados. Certifique-se de que a rotina envie saídas digitais separadas para a unidade cTMS e o estimulador elétrico periférico para os estímulos condicionados.
   2. Certifique-se de que o gatilho para o estimulador periférico precede o gatilho da EMTc em 21 ms. Certifique-se de que o número de estímulos incondicionados e condicionados esteja entre 8 e 24. Idealmente, a ordem dos ensaios não condicionados e condicionados deve ser randomizada.
3. Configure uma rotina de software para controlar a tarefa sensório-motora. Certifique-se de que este software também bloqueie os gatilhos de saída digital enviados para o cTMS e estimuladores elétricos periféricos para um ponto específico (s) durante o comportamento.
   OBS: O experimento delineado utilizou uma tarefa sensório-motora sinalizada (Figura 2B). Os gatilhos para o estimulador periférico e estimulador de EMTc foram cronometrados para ocorrer 225-275 ms após o início da pista de resposta usando uma distribuição retangular. O objetivo desse momento foi avaliar mudanças na integração sensório-motora a partir da validade entre a pista de resposta e a pista de preparo prévio, que foi válida em 70% de todas as tentativas.
4. Equipar um segundo computador pessoal (PC2) com um amplificador de eletromiografia (EMG) de dois canais conectado a um conversor analógico-digital. Certifique-se de que o conversor analógico-digital tenha um canal de entrada digital para bloquear o EMG ao estímulo TMS. Certifique-se de que o PC2 esteja equipado com software de aquisição de dados EMG para registrar as respostas musculares evocadas pela EMT.
   NOTA: PC1 pode ser usado para controlar a tarefa sensório-motora e registrar a EMG. No entanto, os pesquisadores devem verificar independentemente o tempo dos gatilhos para o estimulador de EMT, estimulador periférico e sistema EMG. Vários dispositivos conectados a um único PC aumentam o potencial de conflitos com o processador central, levando à instabilidade no tempo relativo dos marcadores de eventos.
5. Configure o software de aquisição de dados EMG com as seguintes configurações: três canais de gravação, 2 EMG, um gatilho de entrada, gravações acionadas com uma época de −0,3 s a 0,5 s ao redor do gatilho TTL, um fator de amplificação EMG de 1.000x, uma taxa de amostragem de 4.000 Hz, um filtro passa-banda de 3 Hz a 1 kHz e um filtro de rede (opcional).
   Observação : O protocolo atual usa um método de gravação epoched. O software de aquisição EMG monitora continuamente o sinal EMG. No entanto, apenas os dados de época bloqueados no tempo para o estímulo da EMT são exibidos e registrados.
6. Conecte um canal de saída digital do PC1 à entrada do gatilho no estimulador cTMS. Conecte o segundo canal de saída digital do PC1 à entrada do gatilho no estimulador elétrico periférico. Ao usar o sistema operacional do PC, confirme independentemente o tempo relativo das duas saídas digitais do PC1.
7. Conecte a saída do gatilho à entrada digital do sistema EMG. Se for usado um sistema de orientação estereotáxica, pode ser possível dividir a saída do gatilho para o sistema de orientação para registrar a tentativa por posição de tentativa da bobina de EMTc no momento do estímulo da EMTc.

2. Triagem dos participantes e consentimento informado

1. Rastrear o participante quanto às contraindicações para EMT 9,62,63,64,65.
2. Informar o participante sobre os objetivos e procedimentos do estudo. Revisar os riscos descritos no documento de consentimento aprovado pelo comitê de ética da instituição. Responda a quaisquer perguntas sobre os riscos potenciais. Obter consentimento informado por escrito antes de iniciar qualquer procedimento do estudo.

3. Colocação do eletrodo eletromiográfico (EMG)

1. Instruir o participante a sentar-se na cadeira experimental com os cotovelos apoiados nos braços da cadeira e dobrados para permitir que o pulso/mão descanse confortavelmente no espaço de trabalho da mesa. Ajuste a altura da cadeira e do espaço de trabalho da mesa conforme necessário.
2. Limpe a pele sobre o primeiro interósseo dorsal (IDF), abdutor curto do polegar (APB) e o processo estiloide ulnar usando um creme levemente abrasivo colocado sobre um algodão redondo. Limpe qualquer resíduo usando uma almofada de preparação de álcool.
3. Para cada músculo, coloque um eletrodo adesivo Ag-AgCl descartável sobre o ventre muscular. Coloque um segundo eletrodo em um marco ósseo próximo como referência. Finalmente, coloque um eletrodo adesivo Ag-AgCl adicional no processo estiloide ulnar para servir de terra.
   NOTA: Um sítio comum de referência de IDE é a proeminência óssea na base da segunda falange proximal no lado radial da mão. Um sítio comum de referência da BAP é a proeminência óssea da falange proximal no lado radial do polegar.
4. Conecte cada par de eletrodos e o terra ao amplificador EMG e ao sistema de aquisição de dados. Use o canal 1 para o IED e o canal 2 para o APB.

4. Colocação do eletrodo do estimulador elétrico periférico

1. Conecte o gatilho de saída digital do estimulador periférico ao canal de entrada do gatilho no sistema EMG para disparar a gravação EMG quando o estímulo periférico for entregue.
2. Use um creme levemente abrasivo para limpar a pele na parte interna do antebraço. Comece a partir do sulco de flexão do punho e estenda até ~6 cm proximal. Estenda a limpeza para a área que começa da linha média do pulso até o lado radial do antebraço. Limpe qualquer resíduo usando uma almofada de preparação de álcool.
3. Aplique gel condutor em um eletrodo de barra estimulante reutilizável. Use apenas gel suficiente para cobrir os discos metálicos dos pontos de contato anodais e catódicos. Coloque o eletrodo estimulador sobre a pele no lado palmar do punho com o cátodo proximal ao ânodo. Colocar o cátodo levemente medial e proximal ao processo estiloide do rádio.
   1. Não use gel em excesso. Se o gel criar uma ponte entre os terminais do ânodo e do cátodo, limpe o eletrodo para remover todo o gel e reaplique. Uma ponte de gel entre o ânodo e o cátodo desviará correntes substanciais ao longo da pele, dificultando a estimulação do nervo mediano.
4. No estimulador periférico, ajuste o seletor de tipo de estímulo como monofásico, ajuste a duração do estímulo para 200 μs e selecione uma voltagem e amperagem apropriadas, verificando os fatores de multiplicação. A tensão (Vmax) foi ajustada para 200 V para o hardware aqui utilizado, com uma amperagem inicial de 0,05 x 10 mA.
5. Ao segurar o eletrodo estimulador, forneça um único estímulo elétrico pressionando o interruptor de gatilho no estimulador de corrente constante. Em seguida, inspecione visualmente o músculo APB e o monitor EMG (canal 2) em busca de evidências de contração muscular. A contração muscular, conhecida como onda M, é provocada pela ativação direta do axônio motor pelo estímulo elétrico e deve ocorrer entre 6-9 ms após o artefato de estímulo elétrico periférico.
6. Se não houver evidência de contração muscular, pergunte ao participante se ele sentiu uma sensação de formigamento irradiando em direção aos dedos ou imediatamente abaixo do eletrodo. A posição ótima será a posição do eletrodo que provoca a contração mais significativa do músculo APB na intensidade do estímulo atual.
   1. Se nenhuma sensação for relatada ou a sensação estiver restrita à pele imediatamente abaixo do eletrodo, aumente a amperagem em incrementos de 0,05 (multiplicado por um fator de 10) até que o participante relate uma sensação de formigamento irradiando até os dedos/polegar. Se uma sensação de irradiação for relatada em um dígito diferente do polegar, reposicione o eletrodo movendo o eletrodo radialmente até que a sensação irradie para o polegar.
7. Uma vez determinada a posição ideal do eletrodo estimulador, fixe o eletrodo no pulso usando três pedaços de fita. Posicione a primeira peça sobre o meio do eletrodo e, em seguida, use a segunda e a terceira peças para fixar a parte superior e inferior do eletrodo.
   NOTA: Com base na experiência, sugere-se primeiro prender a banda de fita na parte de trás do eletrodo e, em seguida, passar a fita pela lateral do eletrodo até a pele. Essa abordagem parece fixar o eletrodo e minimizar o potencial de movimentação lateral durante o experimento.
8. Após a fixação do eletrodo, solicitar ao participante que assuma a orientação desejada do membro a ser utilizado durante a estimulação da EMT. Verifique se uma contração do polegar ainda está provocada.

5. Determinação da intensidade do estímulo do nervo mediano

1. Determinar o limiar de estímulo periférico ajustando a amperagem da intensidade do estímulo periférico até que uma onda M de 0,2 mV seja eliciada^37,56. Se a onda M exceder a amplitude desejada de 0,2 mV alvo em três estímulos sucessivos, diminua a amperagem. Se a onda M estiver abaixo da amplitude desejada de 0,2 mV nos três estímulos subsequentes, aumente a amperagem. O limiar é o primeiro valor de amperagem em que a onda M excede 0,2 mV.
   OBS: Uma alternativa comum é definir a intensidade para 3x o limiar sensorial perceptual ou 1x o limiar motor 11,16,17,66,67,68. O limiar sensorial é a intensidade do estímulo na qual os participantes relatam corretamente uma sensação em 5 de 10 estímulos elétricos. O limiar motor é a intensidade do estímulo na qual uma contração visível é eliciada em 5 de 10 estímulos.

6. Determinação da trajetória ótima da bobina para estimulação magnética transcraniana

1. Use um arquivo de imagem de ressonância magnética (MRI) de modelo para criar um novo arquivo de projeto do sistema de orientação estereotáxica para monitorar a posição do participante e a orientação da bobina. Em seguida, conecte o gatilho de saída digital do estimulador TMS ao canal de entrada do gatilho no sistema EMG para disparar o registro EMG quando o estímulo TMS for entregue.
   NOTA: Quando disponível, uma ressonância magnética específica do assunto pode ser usada. No entanto, a PEmáx é suficiente para determinar a posição ideal da bobina para estudos de estimulação do córtex motor.
2. Afixe a ferramenta de rastreamento de bobinas do sistema de orientação na bobina PA TMS. Use a ferramenta de calibração da bobina para calibrar a orientação da ferramenta de rastreamento da bobina até o ponto médio da bobina TMS. Repita esta etapa usando uma segunda ferramenta de rastreamento de bobina para uma bobina AP com geometria idêntica à bobina PA.
3. Afixar a ferramenta de rastreamento do objeto do sistema de orientação na testa do participante usando dois eletrodos EMG. Use um marcador de apagamento a seco de ponta fina ou aplicador de delineador para colocar marcas no meio da ponta do nariz, no násio e nas fossas pré-auriculares esquerda e direita. Use a ferramenta de calibração de assunto do sistema de orientação para tocar e registrar a posição de cada marcador.
4. Defina uma posição inicial da bobina colocando a bobina na cabeça do participante e registrando a trajetória da bobina. Certifique-se de que a superfície central da bobina é tangencial ao couro cabeludo. Alinhar a linha média da bobina a 45° ao plano sagital médio da cabeça do participante.
   1. Para obter uma aproximação inicial do ponto de acesso do córtex motor, imagine uma linha tangencial conectando um ponto 5 cm anterior ao vértice e 5 cm lateral ao vértice, e coloque uma bobina de 70 mm a aproximadamente 2 cm do ponto anterior ao longo da linha tangencial.
      NOTA: Uma abordagem alternativa para aproximar o ponto motor cortical para os músculos distais da mão contralateral é que o experimentador coloque o dedo indicador esquerdo (se estimulando sobre o córtex motor esquerdo do participante) no vértice da cabeça e o polegar da mão esquerda no ponto pré-auricular da orelha esquerda. A posição da articulação metacarpofalangeana do dedo indicador pode ser usada para visualizar uma posição aproximada na qual colocar o centro da bobina.
5. No estimulador de EMTc, ajuste o seletor de tipo de pulso como Monofásico-Positivo para induzir uma corrente PA no tecido neural subjacente. Em seguida, ajuste a relação M para 0,2 e a intensidade do estímulo (também conhecida como potência) para 30% da saída máxima do estimulador. Finalmente, ajuste a largura de pulso (também conhecida como duração da fase positiva) para 120 μs (a maior largura de pulso usada no estudo).
   OBS: A posição e trajetória da bobina determinadas utilizando a corrente induzida por PA serão empregadas para a corrente induzida por AP 16,36,37,38,56,69.
6. Aplicar de três a cinco estímulos de EMT enquanto o participante mantém uma leve contração do músculo IDE (~5%-10% da contração voluntária máxima). Se nenhum potencial evocado motor (PEmáx) for eliciado, aumente a intensidade do estimulador em 10% e forneça de três a cinco estímulos adicionais de EMT.
7. Repita o passo anterior até que uma PEmáx de pelo menos 0,2 mV seja consistentemente eliciada a cada estímulo, ou até que a intensidade do estimulador atinja 60%-70% da saída máxima do estimulador. Se nenhuma PEmáx confiável for provocada, mantenha os parâmetros de estimulação constantes e mova o estimulador da EMT em um círculo com ~2 cm de diâmetro ao redor do local de estimulação original. Aumentar o diâmetro do círculo em 1 cm se uma PEmáx confiável ainda não for eliciada em nenhum ponto do círculo original.
8. Uma vez que uma PEmáx confiável seja obtida, confirme o hotspot motor do IDE mantendo os parâmetros de estimulação constantes e movendo o estimulador de EMT 2 cm para norte, leste, sul e oeste da localização atual da bobina. Aplicar de três a cinco estímulos de EMT em cada local⁷⁰. Registre a nova posição e trajetória da bobina se uma PEmáx consistentemente maior for eliciada em qualquer um dos quatro quadrantes. Use a nova posição e trajetória da bobina como ponto de acesso do motor cortical.

7. Determinação da intensidade do estímulo para estimulação magnética transcraniana

1. Lançar o instrumento de avaliação do limiar motor da EMT (MTAT 2.1)71,72,73 para determinar a intensidade do estímulo necessária para eliciar uma PEmáx de 1 mV (limiar de 1 mV)16,67,74. Defina o método de estimativa como Sem informações a priori e clique em Iniciar.
   NOTA: O protocolo atual usa uma intensidade de EMT de 1 mV¹⁶. No entanto, alguns estudos preferem fixar a intensidade como 120% do limiar motor de repouso do indivíduo. Para a corrente AP, um MEP de 1 mV pode não ser obtido. Nesses casos, determinar a saída do estimulador que elicia a PEmáx máxima eliciada pela configuração do estímulo AP, desde que a PEmáx máxima seja de, no mínimo, 0,5 mV.
2. Determine a saída máxima do estimulador disponível para a largura de pulso de 120 μs. Em seguida, use um gráfico de conversão para redimensionar o intervalo de saída do estimulador de 0 a 100 para que a saída do estimulador corresponda à escala do software MTAT 2.1.
   NOTA: Para o modelo utilizado no presente estudo, a saída máxima do estimulador para uma largura de pulso de 120 μs é de 50%. Portanto, os valores fornecidos pelo software MTAT 2.1 são divididos por 2 para determinar o valor definido no estimulador. Para uma largura de pulso de 70 μs, a saída máxima do estimulador é de 66%, de modo que todos os valores fornecidos pelo software MTAT 2.1 são multiplicados por 0,66 (e arredondados para o 0,5% mais próximo). Para uma largura de pulso de 30 μs, a saída máxima do estimulador é de 100%. Portanto, nenhum ajuste de escala é necessário.
3. Ajuste a intensidade do estimulador de EMT para a porcentagem inicial de saída máxima do estimulador indicada pelo software MTAT 2.1 e forneça um único estímulo de EMT. Se a PEmáx registrada no intervalo de tempo de 20-50 ms após o estímulo da EMT exceder 1 mV, indique "sim" pressionando a tecla Y . Se o PEmáx gravado for inferior a 1 mV, indique "não" premindo a tecla N . Repita este passo até que a intensidade do estímulo exibida pelo software MTAT mude de preto para verde.
   NOTA: O valor inicial indicado pelo software MTAT 2.1 é sempre 37%. Para uma largura de pulso de 120 μs, o valor real do estimulador é de 18,5%. Para uma largura de pulso de 70 μs, o valor real do estimulador é de 24%. Para uma largura de pulso de 30 μs, o valor do estimulador é de 37%.
4. Repita para cada combinação de direção da corrente e duração do estímulo. Para a corrente AP, gire a direção da corrente para 180° girando fisicamente a bobina para induzir a corrente PA em 180°, ou utilize uma bobina personalizada fabricada para induzir a corrente AP.
   NOTA: Ao usar várias direções de corrente TMS e larguras de pulso, todos os limiares podem ser determinados antes da coleta de dados ou imediatamente antes de usar essa combinação específica de direção de corrente e largura de pulso no protocolo.

8. Inibição aferente de curta latência (sem linha de base da tarefa)

1. Conecte a bobina que induzirá a corrente PA no cérebro ao estimulador da EMTc. Ajuste o tipo de pulso como Positivo Monofásico e a relação M como 0,2. Ajuste a largura de pulso para 120 μs. Finalmente, ajuste a intensidade do estímulo para o limiar de 1 mV determinado no passo 7.
   NOTA: Se usar as direções atuais PA e AP, a ordem em que a etapa 8 é conduzida deve ser aleatória entre os participantes. Se estiver usando várias larguras de pulso, a ordem em que a etapa 8 é executada deve ser contrabalanceada entre os participantes. PA₁₂₀ e AP₃₀ foram as únicas configurações de corrente empregadas no experimento descrito.
2. Ajuste a intensidade do estímulo elétrico periférico para a intensidade determinada no passo 5. Em seguida, inicie a rotina de software sem tarefa no PC1. Em seguida, defina o intervalo interestímulo entre os estímulos elétricos periféricos e TMS para 21 ms.
3. Posicione a bobina de EMT sobre o ponto de acesso do motor FDI determinado na etapa 6. Peça ao participante que mantenha uma leve contração do músculo IDE (~5%-10% da contração voluntária máxima). Em seguida, execute o software sem tarefa no PC1 para acionar os estimuladores periféricos e de EMTc.
4. Repita as etapas para a configuração de corrente AP₃₀ usando a bobina que induz a corrente AP no cérebro.
   NOTA: Recomenda-se que a linha de base sem tarefa seja repetida no final do experimento, se o tempo permitir. As avaliações de ISC pré e pós-tarefa são fortemente aconselhadas para fornecer uma linha de base da ISC e estabelecer quaisquer diferenças pré-existentes entre os grupos (se aplicável).

9. Inibição aferente de curta latência (tarefa sensório-motora)

1. Conecte a bobina de PA ao estimulador de EMTc. Ajuste o tipo de pulso como Positivo Monofásico e a relação M como 0,2. Ajuste a largura de pulso para 120 μs. Finalmente, ajuste a intensidade do estímulo para o limiar de 1 mV determinado no passo 7.
   NOTA: Ao usar várias configurações de corrente TMS (por exemplo, PA₁₂₀, AP₃₀), a configuração atual empregada durante a tarefa sensório-motora deve ser contrabalanceada entre os participantes. Recomenda-se o uso do mesmo contrabalanceamento usado para determinar a ordem para a avaliação de linha de base sem tarefa.
2. Ajuste a intensidade do estímulo elétrico periférico para a intensidade determinada no passo 5. Em seguida, inicie a rotina do software de tarefa sensório-motora no PC1. Definir o intervalo interestímulo entre os estímulos elétricos periféricos e TMS para 21 ms.
3. Posicione a bobina de EMT sobre o ponto de acesso do motor FDI determinado na etapa 6. Peça ao participante que mantenha uma leve contração do músculo IDE (~5%-10% da contração voluntária máxima).
4. Execute a rotina do software de tarefa sensório-motora para controlar a tarefa sensório-motora e envie os gatilhos digitais bloqueados por comportamento para os estimuladores periféricos e de EMTc. Manter o número desejado de tentativas incondicionadas e condicionadas entre 8 e 24 estímulos por condição.
5. Repita as etapas para a configuração de corrente AP₃₀ usando a bobina para induzir a corrente AP no cérebro.

10. Processamento e análise de dados

1. Inspecione visualmente os dados EMG off-line e descarte quaisquer vestígios em que a raiz quadrada média da EMG pré-estímulo (−50 ao início do estímulo) exceda a amplitude de um critério. Calcule a raiz do erro quadrático médio para cada tentativa da seguinte maneira:
   
   onde N é o número de pontos de dados entre −50 e o início do estímulo, e a EMG é a tensão no ponto n. Para a IAC realizada com o músculo em repouso, utilizar um critério de amplitude de 10-15 μV. Para a IAC avaliada com uma leve contração tônica, use um critério de amplitude que é a média do RMSE em todas as tentativas mais dois desvios-padrão, assumindo que os níveis de contração foram monitorados durante o estudo.
2. Para cada tentativa, calcule-se a amplitude pico-a-pico da PEmáx para o IDF como a diferença entre os valores mínimo e máximo na janela de tempo entre 20 ms e 50 ms pós-estímulo com EMT no canal 1⁷⁰.
3. Para as tentativas condicionadas, calcular a amplitude pico a pico da onda M para a APB como a amplitude pico-a-pico 5 ms a 15 ms pós-estímulo periférico artefato no canal 2.
   NOTA: O cálculo da amplitude pico a pico da onda M é um método para confirmar que a intensidade do estímulo não variou entre as condições ao longo do experimento.
4. Calcular a amplitude média da PEmáx para as tentativas não condicionadas e condicionadas e a média da onda M para as tentativas condicionadas para cada combinação de direção da corrente TMS, largura de pulso e condição comportamental.
5. Expresse a amplitude da PEmáx condicionada como uma razão da amplitude da PEmáx não condicionada para cada participante usando a equação abaixo¹¹:
   
   NOTA: Proporções mais baixas refletem inibição mais potente. Multiplicar a razão por 100% é comum expressar a amplitude da PEmáx condicionada como uma porcentagem da amplitude da PEmáx não condicionada.
6. Calcule a média em todos os participantes para cada direção da corrente TMS, largura de pulso e combinação de condição comportamental. Relate esses valores. Embora os valores médios sejam geralmente relatados, demonstre dados individuais em figuras sempre que possível.

Resultados

A Figura 3 ilustra exemplos de PEMs incondicionados e condicionados de um único participante eliciados no músculo IDE durante a tarefa sensório-motora utilizando corrente induzida PA₁₂₀- e AP₃₀- (subscrito denota largura de pulso). Os gráficos de barras na coluna do meio ilustram as amplitudes médias brutas pico-a-pico da PEmáx para os ensaios não condicionados e condicionados. Os gráficos de barras à direita mostram as latências de início do IAC e PEmáx par...

Discussão

O método SAI aqui descrito sonda um subconjunto de vias neurais que desempenham um papel no desempenho sensório-motor e na aprendizagem. Avaliar a ISC enquanto os participantes realizam tarefas sensório-motoras controladas é fundamental para desembaraçar as contribuições complexas das numerosas alças sensório-motoras que convergem para os neurônios corticoespinhais motores para moldar o débito motor em populações saudáveis e clínicas. Por exemplo, uma metodologia semelhante tem sido utilizada para identifi...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acquisition software (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	PL3504/P	LabChart Pro version 8
Alcohol prep pads	Medline Canada Corporation, Mississauga, ON, Canada	211-MM-05507	Alliance Sterile Medium, Antiseptic Isopropyl Alcohol Pad (200 per box)
Amplifier (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	FE234	Quad Bio Amp
Cotton round	Cliganic, San Francisco, CA, USA	‎CL-BE-019-6PK	Premium Cotton Rounds (6-pack, 90 per package)
cTMS coils	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	COIL70F80301	70 mm Medium Inductance Figure-8 coil
cTMS coils	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	COIL70F80301-IC	70 mm Medium Inductance Figure-8 coil (Inverted Current)
cTMS stimulator	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	CTMSMU0101	Elevate cTMS stimulator
Data acquisition board (for EMG)	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	PL3504	PowerLab 4/35
Digital to analog board	National Instruments, Austin, TX, USA	782251-01	NI USB-6341, X Series DAQ Device with BNC Termination
Dispoable adhesive electrodes (for EMG)	Covidien, Dublin, Ireland	31112496	Kendal 130 Foam Electrodes
Electrogel	Electrodestore.com	E9	Electro-Gel for Electro-Cap (16 oz jar)
Nuprep	Weaver and Company, Aurora, CO, USA	10-30	Nuprep skin prep gel (3-pack of 4 oz tubes)
Peripheral electrical stimulator	Digitimer, Hertfordshire, UK	DS7R	DS7R High Voltage Constant Current Stimulator
Reusable bar electrode	Electrodestore.com	DDA-30	Black Bar Electrode, Flat, Cathode Distal
Software (for behaviour and stimulator triggering)	National Instruments, Austin, TX, USA	784503-35	Labview 2020
TMS stereotactic coil guidance system	Rogue Research, Montréal, QC, Canada	KITBSF0404	BrainSight Neuronavigation System
Transpore tape	3M, Saint Paul, MN, USA	50707387794571	Transpore Medical Tape (1 in x 10 yds)