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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 "indicativos" 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 <Sup class = "xref"> 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 .

Protocol

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…

Representative Results

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 & -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…

Discussion

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…

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).