Stimulation combinée des nerfs périphériques et paramètre d’impulsion contrôlable Stimulation magnétique transcrânienne pour sonder le contrôle sensorimoteur et l’apprentissage

Summary

L’inhibition afférente à courte latence (ISC) est un protocole de stimulation magnétique transcrânienne permettant de sonder l’intégration sensorimotrice. Cet article décrit comment SAI peut être utilisé pour étudier les boucles sensorimotrices convergentes dans le cortex moteur pendant le comportement sensorimoteur.

Abstract

La capacité motrice qualifiée dépend de l’intégration efficace de l’afférence sensorielle dans les commandes motrices appropriées. L’inhibition afférente fournit un outil précieux pour sonder l’influence procédurale et déclarative sur l’intégration sensorimotrice pendant les actions motrices qualifiées. Ce manuscrit décrit la méthodologie et les contributions de l’inhibition afférente à courte latence (ISC) pour comprendre l’intégration sensorimotrice. SAI quantifie l’effet d’une volée afférente convergente sur le débit moteur corticospinal évoqué par la stimulation magnétique transcrânienne (TMS). La volée afférente est déclenchée par la stimulation électrique d’un nerf périphérique. Le stimulus TMS est délivré à un endroit sur le cortex moteur primaire qui provoque une réponse motrice fiable dans un muscle desservi par ce nerf afférent. L’étendue de l’inhibition de la réponse motrice reflète l’ampleur de la volée afférente convergeant vers le cortex moteur et implique des contributions GABAergiques et cholinergiques centrales. L’implication cholinergique dans les ISC fait de l’ISC un marqueur possible des interactions déclaratives-procédurales dans la performance sensorimotrice et l’apprentissage. Plus récemment, des études ont commencé à manipuler la direction du courant TMS dans les ISC pour démêler la signification fonctionnelle de circuits sensorimoteurs distincts dans le cortex moteur primaire pour les actions motrices qualifiées. La possibilité de contrôler des paramètres d’impulsion supplémentaires (par exemple, la largeur d’impulsion) avec le paramètre d’impulsion contrôlable TMS (cTMS) à la fine pointe de la technologie a amélioré la sélectivité des circuits sensorimoteurs sondés par le stimulus TMS et a permis de créer des modèles plus raffinés de contrôle et d’apprentissage sensorimoteurs. Par conséquent, le présent manuscrit se concentre sur l’évaluation des ISC à l’aide de la SMTc. Cependant, les principes décrits ici s’appliquent également aux IAC évaluées à l’aide de stimulateurs TMS conventionnels à largeur d’impulsion fixe et d’autres formes d’inhibition afférente, telles que l’inhibition afférente à longue latence (LAI).

Introduction

De multiples boucles sensorimotrices convergent dans le cortex moteur pour façonner les projections du tractus pyramidal vers les motoneurones spinaux et les interneurones¹. Cependant, la façon dont ces boucles sensorimotrices interagissent pour façonner les projections corticospinales et le comportement moteur reste une question ouverte. L’inhibition afférente à courte latence (SAI) fournit un outil pour sonder les propriétés fonctionnelles des boucles sensorimotrices convergentes dans la sortie du cortex moteur. SAI combine la stimulation magnétique transcrânienne corticale motrice (TMS) avec la stimulation électrique du nerf afférent périphérique correspondant.

La SMT est une méthode non invasive pour stimuler en toute sécurité les motoneurones pyramidaux de manière transsynaptique dans le cerveau humain ^2,3. La SMT consiste à faire passer un grand courant électrique transitoire à travers un fil enroulé placé sur le cuir chevelu. La nature transitoire du courant électrique crée un champ magnétique changeant rapidement qui induit un courant électrique dans le cerveau⁴. Dans le cas d’un seul stimulus TMS, le courant induit active une série d’entrées excitatrices vers les motoneurones pyramidaux ^5-7. Si la force des entrées excitatrices générées est suffisante, l’activité descendante provoque une réponse musculaire controlatérale connue sous le nom de potentiel évoqué moteur (MEP). La latence du MEP reflète le temps de conduction corticomotrice⁸. L’amplitude de la MEP indexe l’excitabilité des neurones corticospinaux⁹. Le stimulus TMS unique qui suscite le MEP peut également être précédé d’un stimulus de conditionnement^10,11,12. Ces paradigmes d’impulsions appariées peuvent être utilisés pour indexer les effets de divers pools d’interneurones sur le débit corticospinal. Dans le cas de SAI, le stimulus de conditionnement électrique périphérique est utilisé pour sonder l’impact de la volée afférente sur l’excitabilité corticale motrice^11,13,14,15. Le moment relatif du stimulus TMS et de la stimulation électrique périphérique aligne l’action du stimulus TMS sur le cortex moteur avec l’arrivée des projections afférentes au cortex moteur. Pour les ISC dans les muscles distaux des membres supérieurs, le stimulus nerveux médian précède généralement le stimulus TMS de 18-24 ms^11,13,15,16. Dans le même temps, l’ISC augmente à mesure que la force de la volée afférente induite par le stimulus périphérique augmente^13,17,18.

Malgré sa forte association avec les propriétés extrinsèques de la projection afférente au cortex moteur, SAI est un phénomène malléable impliqué dans de nombreux processus de contrôle moteur. Par exemple, l’ISC est réduite dans les muscles pertinents à la tâche avant un mouvement imminent 19,20,21 mais est maintenue dans les représentations motrices adjacentes non pertinentes à la tâche^19,20,22. On suppose que la sensibilité à la pertinence de la tâche reflète un mécanisme d’inhibition de l’entourage²³ qui vise à réduire le recrutement d’effecteurs indésirables. Plus récemment, il a été proposé que la réduction de l’ISC de l’effecteur pertinent pour la tâche puisse refléter un phénomène de déclenchement lié au mouvement conçu pour supprimer l’afférence sensorielle attendue²¹ et faciliter les corrections lors de la planification et de l’exécution sensorimotrices²⁴. Quel que soit le rôle fonctionnel spécifique, l’ISC est corrélée à une réduction de la dextérité manuelle et de l’efficacité du traitement²⁵. L’altération des ISC est également associée à un risque accru de chute chez les personnes âgées de 26 ans et de compromettre la fonction sensorimotrice dans la maladie de Parkinson 26,27,28 et chez les personnes atteintes de dystonie focale de la main ²⁹.

Les preuves cliniques et pharmacologiques indiquent que les voies inhibitrices médiant les ISC sont sensibles à la modulation cholinergique centrale³⁰. Par exemple, l’administration de scopolamine, antagoniste des récepteurs muscariniques de l’acétylcholine, réduit SAI³¹. En revanche, l’augmentation de la demi-vie de l’acétylcholine via des inhibiteurs de l’acétylcholinestérase améliore SAI^32,33. Conformément aux preuves pharmacologiques, l’ISC est sensible à plusieurs processus cognitifs avec une implication cholinergique centrale, y compris l’excitation³⁴, la récompense 35, l’attribution de l’attention 21,36,37 et la mémoire^38,39,40. L’ISC est également altérée dans les populations cliniques présentant des déficits cognitifs associés à la perte de neurones cholinergiques, tels que la maladie d’Alzheimer 41,42,43,44,45,46,47, la maladie de Parkinson (avec déficience cognitive légère)^48,49,50 et les troubles cognitifs légers ^47,51,52. La modulation différentielle de l’ISC par diverses benzodiazépines ayant des affinités différentielles pour divers types de sous-unités du récepteur de l’acide γ-aminobutyrique de type A (GABA_A) suggère que les voies inhibitrices de l’ISC sont distinctes des voies médiatrices d’autres formes d’inhibition par impulsions appariées³⁰. Par exemple, le lorazépam diminue les IAC mais améliore l’inhibition corticale à court intervalle (SICI)⁵³. Zolpidem réduit l’ISC mais a peu d’effet sur SICI⁵³. Le diazépam augmente l’ISC mais a peu d’impact sur l’ISC⁵³. La réduction de l’ISC par ces modulateurs allostériques positifs de la fonction du récepteur GABA_A, couplée à l’observation que le GABA contrôle la libération d’acétylcholine dans le tronc cérébral et le cortex⁵⁴, a conduit à l’hypothèse que le GABA module la voie cholinergique qui projette vers le cortex sensorimoteur pour influencer SAI⁵⁵.

Récemment, SAI a été utilisé pour étudier les interactions entre les boucles sensorimotrices qui définissent les processus de contrôle moteur procédural et celles qui alignent les processus procéduraux sur des objectifs descendants explicites et des processus de contrôle cognitif 21,36,37,38. L’implication cholinergique centrale dans SAI³¹ suggère que SAI peut indexer une influence exécutive sur le contrôle sensorimoteur procédural et l’apprentissage. Il est important de noter que ces études ont commencé à identifier les effets uniques de la cognition sur des circuits sensorimoteurs spécifiques en évaluant les ISC en utilisant différentes directions de courant TMS. Les études ISC utilisent généralement le courant induit postérieur-antérieur (PA), tandis que seule une poignée d’études ISC ont utilisé le courant induit antérieur-postérieur (AP)⁵⁵. Cependant, l’utilisation de la SMT pour induire l’AP par rapport au courant PA lors de l’évaluation de l’ISC recrute des circuits sensorimoteurs distincts^16,56. Par exemple, les circuits sensorimoteurs sensibles à l’AP, mais pas aux PA, sont modifiés par la modulation cérébelleuse^37,56. De plus, les circuits sensorimoteurs sensibles aux AP, mais pas aux PA, sont modulés par la charge d’attention³⁶. Enfin, l’attention et les influences cérébelleuses peuvent converger sur les mêmes circuits sensorimoteurs sensibles à l’AP, entraînant des altérations inadaptées de ces circuits³⁷.

Les progrès de la technologie TMS offrent une flexibilité supplémentaire pour manipuler la configuration du stimulus TMS utilisé lors d’applications à impulsion unique, à impulsion appariée et répétitives^57,58. Les stimulateurs TMS (cTMS) à paramètre d’impulsion contrôlable sont maintenant disponibles dans le commerce pour la recherche dans le monde entier, et ils offrent un contrôle flexible de la largeur et de la forme des impulsions⁵⁷. La flexibilité accrue provient du contrôle de la durée de décharge de deux condensateurs indépendants, chacun responsable d’une phase distincte du stimulus TMS. La nature biphasique ou monophasique du stimulus est régie par l’amplitude de décharge relative de chaque condensateur, un paramètre appelé rapport M. Les études cTMS ont combiné la manipulation de la largeur d’impulsion avec différentes directions de courant pour démontrer que les largeurs d’impulsion fixes utilisées par les stimulateurs TMS conventionnels (70-82 μs)^59,60 recrutent probablement un mélange de circuits sensorimoteurs fonctionnellement distincts au cours de l’ISC ⁵⁶. Par conséquent, la SMTc est un outil passionnant pour démêler davantage la signification fonctionnelle de diverses boucles sensorimotrices convergentes dans la performance sensorimotrice et l’apprentissage.

Ce manuscrit détaille une approche SAI unique pour étudier l’intégration sensorimotrice qui intègre la stimulation électrique périphérique à la SMTc pendant les comportements sensorimoteurs. Cette approche améliore l’approche typique des ISC en évaluant l’effet des projections afférentes sur certaines populations interneuronales dans le cortex moteur qui régissent la production corticospinale pendant le comportement sensorimoteur en cours. Bien que relativement nouvelle, la SMTc offre un avantage distinct dans l’étude de l’intégration sensorimotrice dans les populations typiques et cliniques. De plus, l’approche actuelle peut être facilement adaptée pour être utilisée avec les stimulateurs conventionnels de la SMT et pour quantifier d’autres formes d’inhibition et de facilitation afférentes, telles que l’inhibition afférente à longue latence (LAI)¹³ ou la facilitation afférente à courte latence (SAF)¹⁵.

Protocol

Le protocole suivant peut être appliqué à diverses expériences. Les informations fournies détaillent une expérience dans laquelle SAI est utilisé pour quantifier l’intégration sensorimotrice lors d’une réponse du doigt à une sonde correctement ou non. Dans ce protocole, SAI est évalué sans tâche, puis simultanément pendant la tâche sensorimotrice cued, puis à nouveau sans tâche. Le stimulateur cTMS peut être remplacé par n’importe quel stimulateur TMS conventionnel disponible dans le commerce. Ce…

Representative Results

La figure 3 illustre des exemples de MEP non conditionnés et conditionnés d’un seul participant provoqués dans le muscle FDI au cours de la tâche sensorimotrice en utilisant le courant induit PA120- et AP30- (indice indique la largeur de l’impulsion). Les diagrammes à barres dans la colonne du milieu illustrent les amplitudes MEP moyennes brutes de crête à crête pour les essais non conditionnés et conditionnés. Les graphiques à barres à droite montrent l…

Discussion

La méthode SAI décrite ici sonde un sous-ensemble de voies neuronales qui jouent un rôle dans la performance sensorimotrice et l’apprentissage. L’évaluation des ISC pendant que les participants effectuent des tâches sensorimotrices contrôlées est essentielle pour démêler les contributions complexes des nombreuses boucles sensorimotrices qui convergent vers les neurones corticospinaux moteurs pour façonner le rendement moteur dans les populations saines et cliniques. Par exemple, une méthodologie similaire …

Materials

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)