Name: non-invasive assessment of changes in corticomotoneuronal transmission in humans
Uploaded: 2017-05-24T12:30:00
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Este estudio fue apoyado por una subvención de la Fundación Nacional de Ciencia Suiza (316030_128826).

Este protocolo fue aprobado por el comité de ética local y los experimentos están de acuerdo con la Declaración de Helsinki (1964). 1. Preparación del tema NOTA: Instrucciones para el sujeto - Antes de comenzar con el experimento, instruya a cada sujeto sobre el propósito del estudio y los posibles factores de riesgo. Para la estimulación magnética transcraneal (TMS), los riesgos médicos incluyen cualquier historia de conv...

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	<li>Lemon, R. N., Kirkwood, P. A., Maier, M. A., Nakajima, K., Nathan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+and+indirect+pathways+for+corticospinal+control+of+upper+limb+motoneurons+in+the+primate.">Direct and indirect pathways for corticospinal control of upper limb motoneurons in the primate.</a> Prog.Brain Res. , 263-279 (2004).</li><li>Jankowska, E., Padel, Y., Tanaka, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Projections+of+pyramidal+tract+cells+to+alpha-motoneurones+innervating+hind-limb+muscles+in+the+monkey.">Projections of pyramidal tract cells to alpha-motoneurones innervating hind-limb muscles in the monkey.</a> J. 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N., Miller, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+activation+of+corticospinal+neurons+and+spinal+motor+neurons+by+magnetic+and+electrical+transcranial+stimulation+in+the+lumbosacral+cord+of+the+anaesthetized+monkey.">Comparison of activation of corticospinal neurons and spinal motor neurons by magnetic and electrical transcranial stimulation in the lumbosacral cord of the anaesthetized monkey.</a> Brain. 120 (Pt 5), 839-853 (1997).</li><li>Di Lazzaro, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+voluntary+contraction+on+descending+volleys+evoked+by+transcranial+electrical+stimulation+over+the+motor+cortex+hand+area+in+conscious+humans.">Effects of voluntary contraction on descending volleys evoked by transcranial electrical stimulation over the motor cortex hand area in conscious humans.</a> Exp.Brain Res. 124, 525-528 (1999).</li><li>Taube, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+activity+during+observation+and+motor+imagery+of+different+balance+tasks:+An+fMRI+study.">Brain activity during observation and motor imagery of different balance tasks: An fMRI study.</a> Cortex. 64, 102-114 (2015).</li></ol>

El procedimiento de acondicionamiento del reflejo H descrito aquí se ha dirigido específicamente a evaluar los cambios agudos en la transmisión a través de la sinapsis corticomotoneuronal después de la activación repetitiva de la vía corticospinal [ 28] . A este respecto, el acondicionamiento del reflejo H ha puesto de manifiesto que la EMTr no sólo afecta a la excitabilidad de las estructuras corticales, sino que también tiene un efecto sobre la transmisión corticomotoneural en la sina...

En los primates, el tracto corticoespinal constituye la principal vía descendente que controla las acciones voluntarias 1 . La vía corticospinal conecta las áreas corticales motoras con las α-motoneuronas espinales mediante conexiones corticomotoneuronales directas monosinápticas y mediante conexiones oligo- y polisinápticas indirectas 2 , 3 . Aunque la corteza motora puede ser fácilmente excitada de manera no invasiva por la estimulación magnética transcraniana (TMS), la respuesta electromiográfica evocada a esta estimulación es a menudo difícil de interpretar. La razón de esto es que el Potencial Evocado Motor (MEP) compuesto puede estar influenciado por los cambios en la excitabilidad de las neuronas intracorticales y corticoespinales, de las interneuronas espinales y de las α-motoneuronas espinales 4 , 5 , 6 , 7 . Varios electrofisiológicos no invasivosLas técnicas cal y los protocolos de estimulación tienen como objetivo determinar si los cambios en la excitabilidad corticoespinal y la transmisión son causados ​​por cambios en el nivel cortical o espinal. Comúnmente, los cambios en la amplitud del reflejo H evocado eléctricamente se usan como &quot;indicativos&quot; de las alteraciones de la excitabilidad en el grupo motoneurónico. Sin embargo, se demostró previamente que el reflejo H depende no sólo de la excitabilidad de la piscina motoneurónica, sino que también está modulado por otros factores como la inhibición presináptica 8,9 o la depresión post-activación homosináptica 5,10. Otra limitación al comparar los MEP y los reflejos H es la discapacidad para detectar cambios de excitabilidad a nivel interneuronal 11 , 12 . Además de estos inconvenientes, las motoneuronas podrían ser activadas de manera diferente por la estimulación nerviosa periférica que wiTh TMS de modo que los cambios en la excitabilidad motoneuronal afectaría a estas respuestas de un tipo diferente de manera en comparación con las respuestas mediadas a través de la vía corticospinal [ 13 , 14 , 15] . Otro método utilizado para separar la columna vertebral de los efectos cortical representa la estimulación eléctrica transcraniana (TES) de la corteza motora [ 16] . Aplicado a bajas intensidades de estimulación, se argumentó que TES no era afectado por cambios en la excitabilidad cortical. Dado que tanto TES como TMS activan las α-motoneuronas a través de la vía corticospinal, la comparación de MEPs electromagnéticos y eléctricamente evocados proporciona un método más atractivo para sacar conclusiones sobre la naturaleza cortical de los cambios en el tamaño de los MEPs que la comparación entre los reflejos H Y los eurodiputados. Sin embargo, cuando la intensidad de la estimulación se incrementa, los MPE evocados por TES también están influenciados por los cambios en la excitabilidad cortical &lt;Sup class = &quot;xref&quot;&gt; 17 , 18 . Este problema puede ser eludido cuando la estimulación eléctrica no se aplica a la corteza motora sino en la unión cervicomedular. Sin embargo, aunque la estimulación eléctrica puede evocar los potenciales evocados motores cervicomedulares (cMEPs) en los miembros superiores y los músculos de las extremidades inferiores, la mayoría de los sujetos perciben la estimulación eléctrica en el tronco cerebral como extremadamente desagradable y dolorosa. Una alternativa menos dolorosa es activar la vía corticospinal en la unión cervicomedular mediante el uso de estimulación magnética en la inión 19 . Se acepta generalmente que la estimulación magnética cervicomedular (CMS) activa muchas de las mismas fibras descendentes que el TMS cortical del motor y que los cambios en la excitabilidad cortical se pueden detectar comparando los MPE con los cMEPs 19 . Se cree que los aumentos en la excitabilidad de las células intracorticales y de las células corticomotoneuronales facilitan el crecimiento corticalEvocado MEP sin un cambio simultáneo en el MEP cervicomedular evocado. Sin embargo, en la mayoría de los sujetos es imposible obtener cMEPs evocados magnéticamente en la extremidad inferior en reposo 20 , 21 . Un enfoque para superar este problema es elevar la excitabilidad de las motoneuronas espinales mediante precontracción voluntaria del músculo diana. Sin embargo, es bien sabido que los ligeros cambios en la fuerza de contracción influyen en el tamaño del cMEP. Por lo tanto, es difícil comparar diferentes tareas. Además, los cambios en la excitabilidad motoneuronal debidos a la pre-contracción influirán en los MEP y en los cMEP pero no necesariamente en la misma medida. Por último, al comparar los MEP compuestos con los cMEPs compuestos se pierde cierta información contenida en las voleas descendentes. Esto ha sido revelado por los estudios que implican el acondicionamiento del reflejo H de los músculos sóleo, tibial anterior y radial del carpo mediante estimulación cortical motora magnéticaLos días 12 , 22 . Mediante la combinación de estimulación nerviosa periférica y TMS sobre la corteza motora con intervalos interstimulados específicos (ISI), es posible estudiar los efectos facilitadores e inhibitorios de las diferentes voleas descendentes sobre el H-reflejo. Esta técnica está muy inspirada en la técnica de facilitación espacial utilizada para determinar la transmisión en vías neuronales en experimentos con animales y puede ser vista como una versión indirecta no invasiva de esa técnica 23 . Si bien el reflejo H no sólo es importante para diferenciar entre diferentes fracciones de la vía corticospinal (proyecciones rápidas versus proyecciones corticoespinal más lentas), también es esencial elevar la excitabilidad espinal de manera controlada y comparable. Así, en reposo y durante la actividad, esta combinación de técnicas de estimulación permite evaluar los cambios en diferentes fracciones de la vía corticospinal con una alta resolución temporal, es decir en tEl más rápido, presumiblemente monosynaptic corticomotoneuronal conexiones y en más lento oligo y polysynaptic vías [ 12 , 22 , 24 , 25] . Recientemente, esta técnica se amplió no sólo acondicionando el reflejo H con TMS sobre la corteza motora (condicionamiento M1), sino también mediante estimulación condicionante adicional en la unión cervicomedular (condicionamiento CMS) 26 . Al comparar los efectos entre el acondicionamiento M1 y CMS, esta técnica permite la diferenciación específica de la vía con una alta resolución temporal y permite realizar interpretaciones en los mecanismos cortical versus espinal. Además, y lo que es más importante con respecto al presente estudio, esta técnica permite evaluar la transmisión en la sinapsis corticomotoneural cuando se considera la facilitación temprana. La facilitación temprana del H-reflejo es con toda probabilidad causada por la activaciónDe directo, monosynaptic corticomotoneural proyecciones a la motoneuronas espinal 12 , 26 . Para probar las vías corticospinales más rápidas y, por lo tanto, la facilitación temprana, el reflejo H tiene que ser obtenido 2 a 4 ms antes del TMS. La razón de esto es la latencia ligeramente más corta de la MEP (alrededor de 32 ms, véase 27 ) en comparación con el reflejo H (alrededor de 34 ms, véase 25 ). La obtención del reflejo H poco antes de la aplicación de TMS conduce a la convergencia de las excitaciones ascendentes y descendentes más rápidas a nivel de las motoneuronas espinales. Cuando TMS se aplica sobre la unión cervicomedular, la volea descendente llegará alrededor de 3 a 4 ms más temprano en la piscina de la motoneurona espinal que después de la estimulación sobre M1. Para el acondicionamiento de CMS, la estimulación nerviosa periférica debe ser evocada 6 - 8 ms antes del pulso magnético. Un cambio de la facilitación temprana después del acondicionamiento de CMS indica trAnsmission en la sinapsis entre el tracto corticoespinal y el α-motoneuron [ 28] . En el presente estudio, esta técnica recientemente desarrollada se utilizó para diferenciar los efectos espinales de cortical después de la frecuencia baja TMS repetitivo (rTMS). Más específicamente, la hipótesis de que si la facilitación temprana con M1 acondicionado se reduce después de la intervención rTMS pero la facilitación temprana después de CMS-acondicionado no es, el efecto debe ser puramente de origen cortical. Por el contrario, si la facilitación temprana con CMS-condicionamiento también cambia, esta alteración debe estar relacionada con los mecanismos que tienen lugar a nivel de la columna vertebral. Más específicamente, como se cree que la facilitación temprana del reflejo H es causada por la activación de proyecciones directas, corticomotoneuronales a las motoneuronas espinales 12 , 29 , un cambio del reflejo H condicionado por CMS y M1 en el momento del La facilitación temprana deberíaE una alteración de la transmisión corticomotoneuronal, es decir, la eficacia sináptica 28 .

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Self-adhesive EMG electrodes</td>
			<td>Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark</td>
			<td></td>
			<td>Used to record EMG signals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrical stimulator</td>
			<td>Digitimer DS7A, Hertfordshire, UK</td>
			<td></td>
			<td>Used to elicit the soleus H-reflex</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stimulating electrode</td>
			<td>Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark</td>
			<td></td>
			<td>Used to elicit the soleus H-reflex</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stimulator no1</td>
			<td>Magstim Rapid2 TMS stimulator, Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td>
			<td></td>
			<td>Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coil no1: 90 mm figure-of-eight coil&#160;</td>
			<td>Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td>
			<td></td>
			<td>Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160; &#160;</td>
			<td>&#160; &#160;</td>
			<td>&#160; &#160;</td>
			<td>Stimulator no1 and coil no1 were used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stimulator no2</td>
			<td>MagPro X100 with MagOption, MagVenture A/S, Farum, Denmark</td>
			<td></td>
			<td>Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coil no2: 95-mm focal &#8220;butterfly-shaped&#8221; coil (D-B80)&#160;</td>
			<td>MagVenture A/S, Farum, Denmark</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Stimulator no2 and coil no2 were used in the video session</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stimulator no3</td>
			<td>Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td>
			<td></td>
			<td>Used to stimulate at the cervicomedullary junction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coil no3: double-cone magnetic coil</td>
			<td>Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td>
			<td></td>
			<td>Used to stimulate at the cervicomedullary junction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image-guided TMS navigational system no1</td>
			<td>Brainsight 2, Rouge Research, Montreal, Canada</td>
			<td></td>
			<td>Used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex) to monitor coil position throughout the experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image-guided TMS navigational system no2</td>
			<td colspan="2">TMS Navigator SW-Version 2.0, LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany</td>
			<td>Used for the video session</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Literature:&#160;</td>
			<td><a name="RANGE!B15"></a></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Taube et al. 2014</td>
			<td colspan="3">Taube, W., Leukel, C., Nielsen, J. B. &#38; Lundbye-Jensen, J. Repetitive Activation of the Corticospinal Pathway by Means of rTMS may Reduce the Efficiency of Corticomotoneuronal Synapses. Cerebral cortex, doi:10.1093/cercor/bht359 (2014).</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

non-invasive assessment of changes in corticomotoneuronal transmission in humans

La vía corticospinal es la vía principal que conecta el cerebro con los músculos y por lo tanto es altamente relevante para el control del movimiento y el aprendizaje motor. Existe una serie de métodos electrofisiológicos no invasivos que investigan la excitabilidad y plasticidad de esta vía. Sin embargo, la mayoría de los métodos se basan en la cuantificación de los potenciales compuestos y el descuido de que la vía corticospinal consta de muchas conexiones diferentes que son más o menos directas. Aquí, se presenta un método que permite probar la excitabilidad de diferentes fracciones de la transmisión corticoespinal. Esta técnica de acondicionamiento del H-reflejo permite evaluar la excitabilidad de las vías corticospinales más rápidas (monosinápticas) y también polisinápticas. Además, al utilizar dos sitios de estimulación diferentes, la corteza motora y la unión cervicomedular, permite no sólo diferenciar entre los efectos corticales y espinales sino también la evaluación de la transmisión en el corticomaSinapsis otoneural. En este manuscrito, describimos cómo este método se puede utilizar para evaluar la transmisión corticomotoneural después de la estimulación magnética transcraniana repetitiva de baja frecuencia, un método que se demostró anteriormente para reducir la excitabilidad de las células corticales. Aquí se demuestra que no sólo las células corticales se ven afectadas por esta estimulación repetitiva, sino también la transmisión en la sinapsis corticomotoneuronal en el nivel espinal. Este hallazgo es importante para la comprensión de los mecanismos básicos y los sitios de neuroplasticidad. Además de la investigación de los mecanismos básicos, la técnica de acondicionamiento del reflejo H puede ser aplicada para probar los cambios en la transmisión corticoespinal tras intervenciones de comportamiento ( por ejemplo , entrenamiento) o terapéuticas, patología o envejecimiento y por lo tanto permite una mejor comprensión de los procesos neurales subyacentes al control de movimiento y motor aprendizaje.

<html> Ocurrencia de la facilitación temprana después del acondicionamiento M1 y CMS H-reflex acondicionado con TMS sobre M1 dio lugar a una facilitación temprana que se produjo alrededor de ISI -3 &amp; -4 ms. La facilitación temprana después del acondicionamiento CMS ocurrió alrededor de 3 ms antes (ISI -6 y -7 ms, respectivamente). Ejemplos de curvas ISI de un sujeto se muestran en la Figu...

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Non-invasive Assessment of Changes in Corticomotoneuronal Transmission in Humans

El objetivo del presente estudio fue evaluar los cambios en la transmisión de las sinapsis corticomotoneuronales en los seres humanos tras la estimulación magnética transcraneal repetitiva. Para ello se introduce un método electrofisiológico que permite evaluar la transmisión corticoespinal específica de la vía, es decir , la diferenciación de las vías rápidas y directas de las conexiones polisinápticas.

Evaluación no invasiva de los cambios en la transmisión corticomotoneuronal en seres humanos

The corticospinal pathway is the major pathway connecting the brain with the muscles and is therefore highly relevant for movement control and motor ...

The overall goal of this neurophysiological experiment is to assess changes in transmission at the Corticomotoneuronal synapses in humans after repetitive Transcranial Magnetic Stimulation. The H-Reflex conditioning technique can help and psyche questions in the field of neuroscience, such as, better to understand basic mechanisms and sites of neuroplasticity. We were especially interested in the plasticity taking place between the corticospinal tract and the motor neurone, the Corticomotoneuronal synapse.The main advantage of this technique, compared to measure and compound potentials, is that it is possible to measure synaptic input produced by distinct Corticospinal connections to spinal motor neurons. There are at least two further advantages of conditioned H-reflexes compared to compound potentials. First, it's possible to detect influences of even weak Corticospinal volleys and second, it's possible to assess effects of longer latency Corticospinal volleys.Prior to the experiment, first screen the subject for TMS medical risks such as, history of epileptic seizures, obtain written and informed consent and inform the subject about the purpose of the experiment. Prepare the skin for surface electrode placement over the soleus muscle by shaving, disinfecting with propanol and applying light skin abrasion. Then, place surface electrodes to measure electrophysiological responses.Check the EMG signals on the screen, while the subject performs plantar and dorsiflexion. For H-Reflex conditioning, first use tape to fixate a five by five centimeter anode on the anterior aspect of the knee, just underneath the patella. Apply stimulation with square wave pulses lasting one millisecond and move the cathode on the popliteal fossa, until the optimal position for stimulation is located.Then, place a self-adhesive electrode on the skin and fix in place with tape. Prior to the experiment, first record an HM recruitment curve. Calculate H-Reflexes and M-Waves as peak to peak EMG amplitudes online in the recording software.Adjust the size of the H-Reflex to 20%of the maximum M-Wave. First, perform the calibration procedure for the neuro-navigational system. Use a figure eight coil to stimulate the subject's motor cortical area, contralateral to the placed electrodes.To find the optimal stimulation spot, first place the coil one centimeter in front of the vertex. Point that handle of the coil backwards to evoke a posterior to anterior flux of induced current in the center of the coil. Identify the position where motor evoked potentials can be evoked with minimum stimulation intensity.At this point, place the subject's head on the table and use rigid foam to prevent motion. Use an image guided TMS navigational system for a monitoring coil and head position throughout the experiment. Then, fixate the coil to a stand and the subject's head to the chair and fixate the coil with Velcro strips to the head.Next, determine the minimum intensity required to evoke motor-evoked potentials with peak to peak EMG amplitudes larger than 50 micro-volts in six out of 10 consecutive trial. This is the subject's resting motor threshold. Also place a double cone magnetic coil at the cervicomedullary junction to excite axons of the corticospinal tract.Position the coil so that the first derivative of the induced current is cranially directed and that its central position is on or near the enium. To begin, first take care to ensure that the size of the control H-Reflex stays constant throughout the experiment. If a deviation is detected, adjust the stimulation intensity prior to the consecutive trial.Now, adjust the stimulation intensity of the TMS coil over the motor cortex to between 90%and 100%of the subject's motor threshold. Also set the cervicomedullary stimulation intensity to 100%of the maximum stimulator output. Begin by conditioning the H-Reflex with stimulation over the motor cortex at rest.Apply TMS and peripheral nerve stimulation by varying the timing between the two stimuli to allow assessment of changes in Corticomotoneuronal transmission. Start with an interstimulus interval of negative five milliseconds, meaning peripheral nerve stimulation is illicited five seconds before TMS, then alter this interval in steps of milliseconds from negative five milli seconds to one millisecond. Depending on the interstimulus interval, the H-Reflex can be shifted forward in relationship to the descending volley where it can be shifted to the right, so that the slower corticospinal pathways can be tested.Vary the interval randomly from trial to trial, to eliminate bias due to order of stimuli and set the pause between stimulation trials to four seconds. Early facilitation should occur around intervals of negative four to negative two milliseconds. Next, condition the H-Reflex using magnetic stimulation over the cervicomedullary junction.Use interstimulus intervals between negative nine and negative three milliseconds in steps of one millisecond. Apply these TMS intervals over both locations together in each trial and record the resulting control H-Reflex and motor-evoked potentials. Use the control H-Reflex as a reference for the conditioned H-Reflexes and the control motor-evoked potential to ensure comparable stimulation conditions.Once pre-measurement is completed, set the stimulation intensity to 1.2 times the subject's motor threshold and apply the slow repetitive TMS intervention. Stimulate over the primary motor cortex at one hertz for 20 minutes to induce long lasting suppression of corticospinal excitability. An H-Reflex conditioning curve after M1-conditioning is displayed here while the H-Reflex conditioning curve after CMS-conditioning is shown here.Early facilitation with TMS over the primary motor cortex occurs around interstimulus intervals of negative three milliseconds. Note that the early facilitation after CMS-conditioning is occurring approximately three to four milliseconds earlier at an interstimulus interval of around negative seven milliseconds. Here, the averages of 10 traces for one representative subject before and after the rTMS intervention are displayed.It can be seen that the conditioned H-Reflexes representing the early facilitation, are reduced after both M1 and CMS-conditioning. Whereas, the control H-Reflexes remain unchanged. And here, the mean of two subjects is displayed showing the same pattern reduction in both M1 and CMS-conditioned to H-Reflexes without any change in the control H-Reflex.Once mastered, this protocol can be done in around 90 to 120 minutes. While performing this procedure, it's important to keep the H-Reflex size constant. After watching this video, you should have a good understanding of how to apply conditioning stimuli over the primary motor cortex and the cervicomedullary junction.This is used to detect the early facilitation, which represents synaptic input to spinal motor neurons mediated by the fastest corticospinal connections.

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