Évaluation non invasive des changements dans la transmission corticomotonuronale chez l'homme

Summary

L'objectif de la présente étude était d'évaluer les changements dans la transmission des synapses corticomotonuronales chez l'homme après une stimulation magnétique transcrânienne répétitive. À cette fin, une méthode électrophysiologique est introduite qui permet d'évaluer la transmission cortico – spinale spécifique de la voie, c'est-à-dire la différenciation des voies cortico – spinales rapides et directes des connexions polysynaptiques.

Abstract

La voie cortico-spinale est la voie principale reliant le cerveau aux muscles et est donc très pertinente pour le contrôle des mouvements et l'apprentissage moteur. Il existe un certain nombre de méthodes électrophysiologiques non invasives qui étudient l'excitabilité et la plasticité de cette voie. Cependant, la plupart des méthodes sont basées sur la quantification des potentiels composés et négligent que la voie cortico-spinale se compose de nombreuses connexions différentes qui sont plus ou moins directes. Ici, nous présentons une méthode qui permet de tester l'excitabilité des différentes fractions de la transmission corticospinal. Cette technique de conditionnement du réflexe H permet d'évaluer l'excitabilité des voies corticulaires les plus rapides (monosynaptiques) et polysynaptiques. En outre, en utilisant deux sites de stimulation différents, le cortex moteur et la jonction cervicomedulaire, il permet non seulement une différenciation entre les effets corticaux et rachidiens, mais aussi l'évaluation de la transmission à la corticomSynapse otoneural. Dans ce manuscrit, nous décrivons comment cette méthode peut être utilisée pour évaluer la transmission corticomotoneurale après la stimulation magnétique transcrânienne répétitive à basse fréquence, une méthode qui a été précédemment démontrée pour réduire l'excitabilité des cellules corticales. Ici, nous démontrons que non seulement les cellules corticales sont affectées par cette stimulation répétitive, mais aussi la transmission à la synapse corticomotoneuronale au niveau de la moelle épinière. Cette découverte est importante pour la compréhension des mécanismes de base et des sites de neuroplasticité. En plus de l'étude des mécanismes de base, la technique de conditionnement du réflexe H peut être appliquée aux changements de test dans la transmission corticospinal suite à des interventions comportementales ( p. Ex . Formation) ou thérapeutiques, à une pathologie ou à un vieillissement et permettent donc une meilleure compréhension des processus neuronaux qui sous-tendent le contrôle du mouvement et le moteur apprentissage.

Introduction

Chez les primates, le tractus cortico-troncé constitue la voie descendante principale qui contrôle les actions volontaires ¹ . La voie cortico-spinale relie les zones corticales du moteur aux α-motoneurones de la colonne vertébrale par des liaisons corticomotonucléaires monosynaptiques directes et par des liaisons indirectes oligo et polysynaptiques ^{2 , 3} . Bien que le cortex moteur puisse facilement être excité de manière non invasive par la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), la réponse électromyographique évoquée à cette stimulation est souvent difficile à interpréter. La raison en est que le potentiel électoral du moteur composé (MEP) peut être influencé par des changements dans l'excitabilité des neurones intracorticaux et corticospins, des interneurones de la colonne vertébrale et des α-motoneurones de la colonne vertébrale ^{4 , 5 , 6 , 7} . Plusieurs électrophysiologistes non invasifsLes techniques cal et les protocoles de stimulation visent à déterminer si les changements dans l'excitabilité corticospinal et la transmission sont causés par des changements au niveau corticale ou spinale. Généralement, les changements dans l'amplitude du réflexe H électriquement évoqué sont utilisés comme «indicatifs» des altérations de l'excitabilité au pool de motoneurones. Cependant, il a été démontré précédemment que le réflexe H dépend non seulement de l'excitabilité du pool de motoneurones, mais est également modulé par d'autres facteurs tels que l'inhibition présynaptique ^{8 , 9} ou la dépression homosynaptique post-activation ^{5 , 10} . Une autre limitation lors de la comparaison des MPE et des réflexes H est l'incapacité à détecter les changements d'excitabilité au niveau interneuronal ^{11 , 12} . En plus de ces inconvénients, les motoneurones pourraient être activés différemment par stimulation nerveuse périphérique que wiTh TMS de sorte que les changements dans l'excitabilité motoneuronique affecteraient ces réponses d'une manière différente par rapport aux réponses médiées par la voie cortico-spinale ^{13 , 14 , 15} .

Une autre méthode utilisée pour séparer les effets de la colonne vertébrale contre la corticale représente la stimulation électrique transcrânienne (TES) du cortex moteur ¹⁶ . Appliqué à de faibles intensités de stimulation, les TES ont été jugés non affectés par les changements d'excitabilité corticale. Comme TES et TMS activent les α-motoneurones via la voie corticospinal, la comparaison des MEP évoqués magnétiquement et électriquement fournit une méthode plus attrayante pour tirer des conclusions sur la nature corticale des changements dans la taille des députés européens que la comparaison entre les réflexes H Et les députés européens. Cependant, lorsque l'intensité de la stimulation augmente, les MEP évoqués par TES sont également influencés par des changements d'excitabilité corticale <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Ce problème peut être contourné lorsque la stimulation électrique n'est pas appliquée au cortex moteur mais à la jonction cervicomedulaire. Cependant, bien que la stimulation électrique puisse évoquer des potentiels évoqués par le moteur cervical (cMEP) dans le membre supérieur et les muscles des membres inférieurs, la plupart des sujets perçoivent la stimulation électrique au tronc (et le cortex) comme extrêmement désagréable et douloureuse. Une alternative moins douloureuse est d'activer la voie cortico-spinale à la jonction cervicomedulaire en utilisant la stimulation magnétique à l'inion ¹⁹ . Il est généralement admis que la stimulation magnétique cervicomédullaire (CMS) active plusieurs des mêmes fibres descendantes que le TMS cortical du moteur et que les changements dans l'excitabilité corticale peuvent être détectés en comparant les MEP avec les CMEP ¹⁹ . On pense que les augmentations de l'excitabilité des cellules intracorticales et des cellules corticomotonuronales facilitent la corticothérapieÉvoqué MEP sans changement simultané dans le MEP évoqué cervicomedullaire.

Cependant, dans la plupart des matières, il est impossible d'obtenir des cMEP magnétiquement évoquées dans l'extrémité inférieure au repos ^{20 , 21} . Une approche pour surmonter ce problème est d'élever l'excitabilité des motoneurones de la colonne vertébrale par précontraction volontaire du muscle cible. Cependant, il est bien connu que de légers changements dans la force de contraction influent sur la taille du cMEP. Ainsi, il est difficile de comparer différentes tâches. En outre, les changements dans l'excitabilité motoneuronique en raison de la pré-contraction influenceront les MPE et les CMEP, mais pas nécessairement dans la même mesure. Enfin, en comparant les MPE composés avec des cMEP composés, certaines informations contenues dans les volleys descendants sont perdues. Cela a été révélé par des études impliquant le conditionnement du réflexe H des muscles de soleus, tibialis antérieur et de carpi radialis par stimulation corticale motrice magnétiqueLe ^{12 , 22} . En combinant la stimulation nerveuse périphérique et le TMS sur le cortex moteur avec des intervalles interstimulus spécifiques (ISI), il est possible d'étudier les effets facilitants et inhibiteurs des différentes volées descendantes sur le réflexe H. Cette technique est fortement inspirée par la technique de facilitation spatiale utilisée pour déterminer la transmission dans les voies neuronales dans les expériences animales et peut être considérée comme une version indirecte et non invasive de cette technique ²³ . Bien que le réflexe H ne soit pas seulement important de différencier les différentes fractions de la voie corticospinal (projections corticospines rapides et plus lentes), il est également essentiel d'élever l'excitabilité spinale de manière contrôlée et comparable. Ainsi, au repos et pendant l'activité, cette combinaison de techniques de stimulation permet d'évaluer les changements dans différentes fractions de la voie cortico-spinale avec une résolution temporelle élevée, c'est- à -dire en tIl est le plus rapide, vraisemblablement des connexions corticomotonucléaires monosynaptiques et dans les voies oligo- et polysynaptiques plus lentes ^{12 , 22 , 24 , 25} . Récemment, cette technique a été étendue non seulement en conditionnant le réflexe H avec TMS sur le cortex moteur (conditionnement M1), mais aussi par une stimulation conditionnelle supplémentaire à la jonction cervicomedulaire (conditionnement CMS) ²⁶ . En comparant les effets entre le conditionnement M1 et CMS, cette technique permet une différenciation spécifique de la voie avec une résolution temporelle élevée et permet d'interpréter les mécanismes corticaux par rapport à la colonne vertébrale. De plus, et surtout, en ce qui concerne l'étude actuelle, cette technique permet d'évaluer la transmission de la synapse corticomotoneurale en tenant compte de la facilitation précoce. La première facilitation du réflexe H est vraisemblablement provoquée par l'activationDes projections corticomotoneurales directes et monosynaptiques aux motoneurones de la colonne vertébrale ^{12 , 26} . Pour tester les voies cortico-rachales les plus rapides et donc, la facilitation précoce, le réflexe H doit être provoqué de 2 à 4 ms avant le TMS. La raison en est la latence légèrement plus courte du MEP (environ 32 ms, voir ²⁷ ) par rapport au réflexe H (environ 34 ms, voir ²⁵ ). L'élimination du réflexe H peu avant l'application de TMS conduit à la convergence des excitations ascendantes et descendantes les plus rapides au niveau des motoneurones de la colonne vertébrale. Lorsque TMS est appliqué sur la jonction cervicomédullaire, la volée descendante arrivera environ 3 à 4 ms plus tôt au pool de motoneurones vertébrales qu'après la stimulation par rapport à M1. Pour le conditionnement CMS, la stimulation nerveuse périphérique devrait donc être évoquée de 6 à 8 ms avant l'impulsion magnétique. Un changement de la facilitation anticipée après conditionnement du CMS indique différentiel trL'entrave à la synapse entre le tractus corticospinal et l'α-motoneuron ²⁸ . Dans l'étude actuelle, cette technique récemment développée a été utilisée pour différencier les effets de la colonne vertébrale contre les effets corticaux suite au TMS répétitif à basse fréquence (RTMS). Plus précisément, nous avons émis l'hypothèse que si la facilitation précoce avec le conditionnement M1 est réduite suite à l'intervention du RTM, mais la facilitation précoce suite au conditionnement CMS n'est pas, l'effet devrait être d'origine purement corticale. En revanche, si la facilitation précoce avec le conditionnement de la CMS change également, cette altération devrait être liée aux mécanismes qui se déroulent au niveau de la colonne vertébrale. Plus précisément, comme l'on pense que la facilitation précoce du réflexe H est causée par l'activation de projections directes et corticomotonuronales aux motoneurones ^{12 , 29} de la colonne vertébrale, une modification du réflexe H de la CMS et de la M1 au moment de la La facilitation anticipée devrait indiquerE une transmission corticomotonuronale modifiée, c'est-à-dire une efficacité synaptique ²⁸ .

Protocol

Ce protocole a été approuvé par le comité d'éthique local et les expériences sont conformes à la Déclaration d'Helsinki (1964). 1. Préparation du sujet REMARQUE: instructions de sujet – Avant de commencer l'expérience, indiquez à chaque sujet le but de l'étude et les facteurs de risque potentiels. Pour la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), les risques médicaux incluent des antécédents de crises épileptiqu…

Representative Results

Présence de la facilitation précoce après conditionnement M1 et CMS Le conditionnement du réflexe H avec TMS sur M1 a entraîné une facilitation précoce qui s'est produite autour de ISI -3 et -4 ms. La facilitation précoce après le conditionnement du CMS s'est produite environ 3 ms plus tôt (ISI -6 et -7 ms, respectivement). Les courbes ISI exemplaires d'un sujet sont affichées à la <stron…

Discussion

La procédure de conditionnement du réflexe H décrite ici a été spécifiquement traitée pour évaluer les changements aigus de la transmission sur la synapse corticomotonuronienne suite à une activation répétitive de la voie cortico-spinale ²⁸ . À cet égard, le conditionnement du réflexe H a mis en évidence que le rTMS n'affecte pas seulement l'excitabilité des structures corticales mais a également un effet sur la transmission corticomotoneurale à la synapse corticomotoneu…

Materials

Self-adhesive EMG electrodes	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to record EMG signals
Electrical stimulator	Digitimer DS7A, Hertfordshire, UK		Used to elicit the soleus H-reflex
Stimulating electrode	Blue sensor N, Ambu, Ballerup, Denmark		Used to elicit the soleus H-reflex
Magnetic stimulator no1	Magstim Rapid2 TMS stimulator, Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil no1: 90 mm figure-of-eight coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
			Stimulator no1 and coil no1 were used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex)
Magnetic stimulator no2	MagPro X100 with MagOption, MagVenture A/S, Farum, Denmark		Used to elicit contralateral motor evoked potentials in the soleus muscle
Coil no2: 95-mm focal “butterfly-shaped” coil (D-B80)	MagVenture A/S, Farum, Denmark
			Stimulator no2 and coil no2 were used in the video session
Magnetic stimulator no3	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Coil no3: double-cone magnetic coil	Magstim Company Ltd., Whitland, UK		Used to stimulate at the cervicomedullary junction
Image-guided TMS navigational system no1	Brainsight 2, Rouge Research, Montreal, Canada		Used in the original publication (Taube et al. 2014; Cerebral Cortex) to monitor coil position throughout the experiment
Image-guided TMS navigational system no2	TMS Navigator SW-Version 2.0, LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany		Used for the video session
Literature:
Taube et al. 2014	Taube, W., Leukel, C., Nielsen, J. B. & 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).