Avaliação Não-invasiva de Alterações na Transmissão Corticomotoneuronal em Humanos

Summary

O objetivo do presente estudo foi avaliar as alterações na transmissão nas sinapses corticomotoneurônicas em humanos após estimulação magnética transcraniana repetitiva. Para isso, é introduzido um método eletrofisiológico que permite a avaliação da transmissão corticoespinal específica da via, ou seja , a diferenciação de vias rápidas e diretas do corticospinal de conexões polisinápticas.

Abstract

A via corticospinal é a principal via de ligação do cérebro com os músculos e, portanto, é altamente relevante para o controle de movimento e aprendizagem motor. Existe um número de métodos electrofisiológicos não invasivos que investigam a excitabilidade e plasticidade desta via. No entanto, a maioria dos métodos baseia-se na quantificação dos potenciais compostos e negligência de que a via corticospinal consiste em muitas conexões diferentes que são mais ou menos diretas. Aqui, apresentamos um método que permite testar a excitabilidade de diferentes frações da transmissão corticospinal. Essa técnica de condicionamento do H-reflex permite avaliar a excitabilidade das vias corticospinal mais rápidas (monossinápticas) e também polissoninápticas. Além disso, ao utilizar dois diferentes locais de estimulação, o córtex motor ea junção cervicomedular, permite não só a diferenciação entre os efeitos corticais e espinhais, mas também a avaliação da transmissão no corticomaSinapse otoneural. Neste artigo, descrevemos como este método pode ser usado para avaliar a transmissão corticomotoneural após a estimulação magnética transcraniana repetitiva de baixa freqüência, um método que foi mostrado anteriormente para reduzir a excitabilidade das células corticais. Aqui demonstramos que não só as células corticais são afetadas por esta estimulação repetitiva, mas também a transmissão na sinapse corticomotoneuronal no nível da coluna vertebral. Este achado é importante para a compreensão de mecanismos básicos e locais de neuroplasticidade. Além da investigação de mecanismos básicos, a técnica de condicionamento do reflexo H pode ser aplicada para testar alterações na transmissão corticospinal após intervenções comportamentais ( por exemplo , treinamento) ou terapêuticas, patologia ou envelhecimento e, portanto, permite uma melhor compreensão dos processos neurais subjacentes ao controle do movimento e motor Aprendendo.

Introduction

Nos primatas, o trato corticospinal constitui a principal via descendente que controla as ações voluntárias ¹ . A via corticospinal conecta as áreas corticais motoras aos α-motoneurônios espinhais através de conexões corticomotoneurônicas monossinápticas diretas e através de conexões oligo- e polisinápticas indiretas ^{2 , 3} . Embora o córtex motor possa ser facilmente excitado não invasivamente pela Estimulação Magnética Transcraniana (TMS), a resposta eletromiográfica evocada a esta estimulação é muitas vezes difícil de interpretar. A razão para isso é que o Potencial Evocado Motor (MEP) composto pode ser influenciado por mudanças na excitabilidade dos neurônios intracortical e corticospinal, dos interneurônios espinhais e dos α-motoneurônios espinhais ^{4 , 5 , 6 , 7} . Vários electrofisiologistas não invasivosAs técnicas cal e os protocolos de estimulação visam determinar se as alterações na excitabilidade e transmissão do corticospinal são causadas por alterações no nível cortical ou espinhal. Comumente, as mudanças na amplitude do reflexo H elétrico evocado são usadas como "indicativas" de alterações de excitabilidade no pool de motoneurônios. No entanto, foi previamente demonstrado que o reflexo H depende não apenas da excitabilidade do pool de motoneurônios, mas também é modulado por outros fatores, como inibição pré-sináptica 8,9 ou depressão pós-ativação homossináptica 5,10. Outra limitação na comparação entre os MEPs e os H-reflexos é a incapacidade de detectar mudanças de excitabilidade no nível interneuronal 11,12. Para além destas desvantagens, os motoneurões podem ser activados de forma diferente pela estimulação do nervo periférico do que wiTMS de modo que as mudanças na excitabilidade motoneuronal afetariam essas respostas de um modo diferente em comparação com as respostas mediadas pela via corticospinal ^{13 , 14 , 15} .

Outro método utilizado para separar espinal de cortical efeitos representa Transcranial Elétrica Estimulação (TES) do córtex motor ¹⁶ . Aplicada em baixas intensidades de estimulação, argumentou-se que TES não era afetado por alterações na excitabilidade cortical. Como a TES e a TMS ativam os α-motoneurônios através da via corticospinal, a comparação de MEPs magneticamente e eletricamente evocados fornece um método mais atraente para tirar conclusões sobre a natureza cortical das mudanças no tamanho dos MPEs do que a comparação entre os reflexos H E deputados. No entanto, quando a intensidade de estimulação é aumentada, os deputados europeus evocados com TES são também influenciados por alterações na excitabilidade cortical <Sup class = "xref"> 17 ^{, 18} . Este problema pode ser contornado quando a estimulação elétrica não é aplicada ao córtex motor, mas na junção cervicomedular. No entanto, embora a estimulação elétrica possa evocar potenciais evocados motores cervicomedulares (cMEPs) nos membros superiores e nos músculos dos membros inferiores, a maioria dos sujeitos percebe a estimulação elétrica no tronco encefálico como extremamente desagradável e dolorosa. Uma alternativa menos dolorosa é ativar a via corticospinal na junção cervicomedular por meio de estimulação magnética na inião ¹⁹ . É geralmente aceite que a Estimulação Magnética Cervicomedular (CMS) activa muitas das mesmas fibras descendentes que o TMS motor cortical e que as alterações na excitabilidade cortical podem ser detectadas através da comparação de MEPs com cMEPs ¹⁹ . Os aumentos na excitabilidade das células intracorticais e das células corticomotoneuronais são pensados ​​para facilitar aEvocado MEP sem uma mudança simultânea no MEP cervicomedular evocado.

Contudo, na maioria dos indivíduos é impossível obter cMEPs magneticamente evocados na extremidade inferior em repouso ^{20 , 21} . Uma abordagem para superar este problema é elevar a excitabilidade dos motoneurónios espinhais por pré-contracção voluntária do músculo alvo. No entanto, é bem conhecido que pequenas alterações na força de contracção influenciam o tamanho do cMEP. Assim, é difícil comparar diferentes tarefas. Além disso, as alterações na excitabilidade motoneuronal devido à pré-contracção irão influenciar os MEPs e cMEPs mas não necessariamente na mesma extensão. Finalmente, comparando os MEPs compostos com os cMEPs compostos, alguma informação contida nas voltas descendentes é perdida. Isto tem sido revelado por estudos envolvendo condicionamento do reflexo H dos músculos sóleo, tibial anterior e carpo radial por estimulação cortical motora magnéticaEm ^{12 , 22} . Ao combinar estimulação nervosa periférica e TMS sobre o córtex motor com intervalos interstimulados específicos (ISI), é possível estudar os efeitos facilitadores e inibitórios das diferentes voleis descendentes no H-reflexo. Esta técnica é grandemente inspirada pela técnica de facilitação espacial usada para determinar a transmissão em caminhos neurais em experimentos com animais e pode ser vista como uma versão indireta não-invasiva dessa técnica ²³ . Embora o H-reflex não seja apenas importante para diferenciar diferentes frações da via corticospinal (projeções rápidas versus projeções corticospinal mais lentas), também é essencial para elevar a excitabilidade espinhal de forma controlada e comparável. Assim, em repouso e durante a atividade, esta combinação de técnicas de estimulação permite a avaliação de alterações em diferentes frações da via corticospinal com alta resolução temporal, ou seja , em tAs conexões corticomotoneurônicas mais rápidas, presumivelmente monossinápticas e em vias oligo- e polisinápticas mais lentas ^{12 , 22 , 24 , 25} . Recentemente, esta técnica foi estendida não apenas pelo condicionamento do reflexo H com TMS sobre o córtex motor (condicionamento M1), mas também pela estimulação condicionadora adicional na junção cervicomedular (condicionamento CMS) ²⁶ . Comparando-se os efeitos entre o condicionamento M1 e CMS, esta técnica permite a diferenciação da via específica com alta resolução temporal e permite a interpretação dos mecanismos cortical versus espinal. Além disso, e principalmente no que se refere ao presente estudo, esta técnica permite avaliar a transmissão na sinapse corticomotoneural quando se considera a facilitação precoce. A facilitação precoce do reflexo-H é provavelmente causada pela ativaçãoDe projeções corticomotoneurais diretas e monossinápticas para os motoneurônios espinais ^{12 , 26} . Para testar as vias corticospinal mais rápidas e, assim, a facilitação precoce, o H-reflex deve ser provocado 2 a 4 ms antes do TMS. A razão para isto é a latência ligeiramente mais curta do MEP (cerca de 32 ms, ver ²⁷ ) em comparação com o reflexo H (cerca de 34 ms, ver ²⁵ ). Eliciando o H-reflex pouco antes de aplicar TMS, leva à convergência das excitações ascendentes e descendentes mais rápidas ao nível dos motoneurônios espinhais. Quando TMS é aplicado sobre a junção cervicomedular, a voleibol descendente chegará cerca de 3 – 4 ms mais cedo no pool motoneuron espinhal do que após a estimulação sobre M1. Para o condicionamento CMS, a estimulação nervosa periférica deve ser evocada 6 – 8 ms antes do pulso magnético. Uma alteração da facilitação precoce após o condicionamento de CMSNa sinapse entre o trato corticospinal eo α-motoneuron ²⁸ . No presente estudo, esta técnica recentemente desenvolvida foi utilizada para diferenciar os efeitos espinhal dos corticais após TMS repetitivo de baixa frequência (rTMS). Mais especificamente, a hipótese é que se a facilitação precoce com o condicionamento M1 é reduzida após a intervenção rTMS, mas a facilitação precoce após o condicionamento CMS não é, o efeito deve ser de origem puramente cortical. Em contraste, se a facilitação precoce com CMS-condicionamento também muda, esta alteração deve estar relacionada aos mecanismos que ocorrem no nível espinhal. Mais especificamente, como pensa-se que a facilitação precoce do reflexo H é causada pela ativação de projeções diretas corticomotoneurônicas para as motoneuronas espinhais 12,29, uma alteração do reflexo H condicionado por CMS e M1 no momento do Facilitação precoce deveE alteração da transmissão corticomotoneuronal, ou seja, eficácia sináptica ²⁸ .

Protocol

Este protocolo foi aprovado pelo comitê de ética local e os experimentos estão de acordo com a Declaração de Helsinki (1964). 1. Preparação do assunto NOTA: Instruções para o sujeito – Antes de começar com a experiência, instruir cada sujeito sobre a finalidade do estudo e potenciais fatores de risco. Para a estimulação magnética transcraniana (TMS), os riscos médicos incluem qualquer história de co…

Representative Results

Ocorrência da facilitação precoce após condicionamento M1 e CMS H-reflex condicionado com TMS sobre M1 resultou em uma facilitação precoce que ocorreu em torno de ISI -3 & -4 ms. A facilitação precoce após o condicionamento CMS ocorreu cerca de 3 ms mais cedo (ISI -6 & -7 ms, respectivamente). Exemplos de curvas ISI de um sujeito são mostrados na Figura 1 . No pres…

Discussion

O procedimento de condicionamento de H-reflex descrito aqui foi especificamente dirigido a avaliar as mudanças agudas na transmissão sobre a sinapse corticomotoneuronal após a ativação repetitiva da via corticospinal ²⁸ . A este respeito, o condicionamento do reflexo H realçou que o rTMS não afecta apenas a excitabilidade das estruturas corticais, mas também tem um efeito sobre a transmissão corticomotoneural na sinapse corticomotoneural. No entanto, este método pode de fato ter aplica?…

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).