Estimulação Combinada de Nervos Periféricos e Parâmetro de Pulso Controlável Estimulação Magnética Transcraniana para Sonda de Controle Sensório-Motor e Aprendizagem

Summary

A inibição aferente de curta latência (IAF) é um protocolo de estimulação magnética transcraniana para sondar a integração sensório-motora. Este artigo descreve como a IAC pode ser usada para estudar as alças sensório-motoras convergentes no córtex motor durante o comportamento sensório-motor.

Abstract

A habilidade motora habilidosa depende da integração eficiente da aferência sensorial nos comandos motores apropriados. A inibição aferente fornece uma ferramenta valiosa para investigar a influência procedimental e declarativa sobre a integração sensório-motora durante ações motoras habilidosas. Este artigo descreve a metodologia e as contribuições da inibição aferente de curta latência (IAF) para a compreensão da integração sensório-motora. A IAC quantifica o efeito de um voleio aferente convergente sobre o débito motor corticoespinhal evocado pela estimulação magnética transcraniana (EMT). O voleio aferente é desencadeado pela estimulação elétrica de um nervo periférico. O estímulo da EMT é entregue a um local sobre o córtex motor primário que provoca uma resposta motora confiável em um músculo servido por esse nervo aferente. A extensão da inibição na resposta evocada motora reflete a magnitude do voleio aferente convergindo para o córtex motor e envolve contribuições gabaérgicas e colinérgicas centrais. O envolvimento colinérgico na ISC torna a IAC um possível marcador de interações declarativo-procedimentais no desempenho sensório-motor e na aprendizagem. Mais recentemente, estudos começaram a manipular a direção da corrente da EMT na ISC para desvendar o significado funcional de circuitos sensório-motores distintos no córtex motor primário para ações motoras habilidosas. A capacidade de controlar parâmetros de pulso adicionais (por exemplo, a largura de pulso) com o parâmetro de pulso controlável de última geração TMS (EMTc) aumentou a seletividade dos circuitos sensório-motores sondados pelo estímulo TMS e proporcionou uma oportunidade para criar modelos mais refinados de controle sensório-motor e aprendizagem. Portanto, o presente artigo enfoca a avaliação da ISC por meio da EMTc. No entanto, os princípios aqui delineados também se aplicam à IAC avaliada por meio de estimuladores convencionais de TMS de largura de pulso fixa e outras formas de inibição aferente, como a inibição aferente de longa latência (IAF).

Introduction

Múltiplas alças sensório-motoras convergem no córtex motor para formar projeções do trato piramidal para neurônios motores espinhais e interneurônios¹. No entanto, como essas alças sensório-motoras interagem para moldar as projeções corticoespinhais e o comportamento motor permanece uma questão em aberto. A inibição aferente de curta latência (IAF) fornece uma ferramenta para sondar as propriedades funcionais de alças sensório-motoras convergentes na saída do córtex motor. A IAC combina estimulação magnética transcraniana cortical motora (EMT) com estimulação elétrica do nervo aferente periférico correspondente.

A EMT é um método não invasivo para estimular com segurança neurônios motores piramidais transsinapticamente no cérebro humano ^2,3. A EMT envolve a passagem de uma corrente elétrica grande e transitória através de um fio enrolado colocado no couro cabeludo. A natureza transitória da corrente elétrica cria um campo magnético em rápida mudança que induz uma corrente elétrica no cérebro⁴. No caso de um único estímulo da EMT, a corrente induzida ativa uma série de entradas excitatórias para os neurônios motores^{piramidais5-7}. Se a força das entradas excitatórias geradas for suficiente, a atividade descendente provoca uma resposta muscular contralateral conhecida como potencial evocado motor (PEmáx). A latência da PEmáx reflete o tempo de condução corticomotora⁸. A amplitude da PEmáx indexa a excitabilidade dos neurônios corticoespinhais⁹. O estímulo único da EMT que provoca a PEmáx também pode ser precedido por um estímulo condicionante^10,11,12. Esses paradigmas de pulso pareado podem ser usados para indexar os efeitos de vários pools de interneurônios sobre o débito corticoespinhal. No caso do IAF, o estímulo do condicionamento elétrico periférico é utilizado para sondar o impacto do voleio aferente sobre a excitabilidade cortical motora^11,13,14,15. O tempo relativo do estímulo da EMT e da estimulação elétrica periférica alinha a ação do estímulo da EMT no córtex motor com a chegada das projeções aferentes ao córtex motor. Para a IAC nos músculos distais dos membros superiores, o estímulo do nervo mediano tipicamente precede o estímulo da EMT em 18-24 ms11,13,15,16. Ao mesmo tempo, a IAC aumenta à medida que aumenta a força do voleio aferente induzido pelo estímulo periférico13,17,18.

Apesar de sua forte associação com as propriedades extrínsecas da projeção aferente para o córtex motor, a ISC é um fenômeno maleável implicado em muitos processos de controle motor. Por exemplo, o IAC é reduzido em músculos relevantes para a tarefa antes de um movimento iminente 19,20,21, mas é mantido em representações motoras irrelevantes para tarefas adjacentes^19,20,22. Hipotetiza-se que a sensibilidade à relevância da tarefa reflita um mecanismo de inibição surround²³ que visa reduzir o recrutamento indesejado de efetores. Mais recentemente, foi proposto que a redução do IAC no efetor relevante para a tarefa pode refletir um fenômeno de gating relacionado ao movimento projetado para suprimir a aferência sensorial esperada²¹ e facilitar correções durante o planejamento e execução sensório-motora²⁴. Independentemente do papel funcional específico, a ISC correlaciona-se com reduções na destreza manual e eficiência de processamento²⁵. A alteração da ISC também está associada ao aumento do risco de quedas em idosos 26 e comprometimento da função sensório-motora na doença de Parkinson 26,27,28 e em indivíduos com distonia focal das mãos ²⁹.

Evidências clínicas e farmacológicas indicam que as vias inibitórias mediadoras da ISC são sensíveis à modulação colinérgica central³⁰. Por exemplo, a administração do antagonista muscarínico do receptor de acetilcolina escopolamina reduz a ISC³¹. Em contraste, o aumento da meia-vida da acetilcolina via inibidores da acetilcolinesterase aumenta a ISC^32,33. Consistente com evidências farmacológicas, a ISC é sensível a vários processos cognitivos com envolvimento colinérgico central, incluindo excitação 34, recompensa³⁵, alocação de atenção 21,36,37 e memória^38,39,40. A ISC também está alterada em populações clínicas com déficits cognitivos associados à perda de neurônios colinérgicos, como doença de Alzheimer41,42,43,44,45,46,47, doença de Parkinson (com comprometimento cognitivo leve)^48,49,50 e comprometimento cognitivo ^leve47,51,52. A modulação diferencial da ISC por vários benzodiazepínicos com afinidades diferenciais para vários tipos de subunidades de receptores do ácido γ-aminobutírico tipo A (GABA_A) sugere que as vias inibitórias da ISC são distintas das vias que mediam outras formas de inibição do pulso pareado³⁰. Por exemplo, o lorazepam diminui o ISC, mas aumenta a inibição cortical de curto intervalo (SICI)⁵³. O zolpidem reduz a ISC, mas tem pouco efeito sobre a SICI⁵³. Diazepam aumenta SICI, mas tem pouco impacto sobre SAI⁵³. A redução do ISC por esses moduladores alostéricos positivos da função do receptor_{GABA A}, aliada à observação de que o GABA controla a liberação de acetilcolina no tronco cerebral e córtex⁵⁴, levou à hipótese de que o GABA modula a via colinérgica que se projeta para o córtex sensório-motor para influenciar a ISC⁵⁵.

Recentemente, a IAC tem sido utilizada para investigar interações entre as alças sensório-motoras que definem processos de controle motor de procedimentos e aquelas que alinham processos procedimentais a objetivos explícitos de cima para baixo e processos de controle cognitivo 21,36,37,38. O envolvimento colinérgico central na ISC³¹ sugere que a ISC pode indexar uma influência executiva sobre o controle sensório-motor e a aprendizagem do procedimento. É importante ressaltar que esses estudos começaram a identificar os efeitos únicos da cognição em circuitos sensório-motores específicos, avaliando a ISC usando diferentes direções de corrente da EMT. Os estudos de IAC tipicamente empregam corrente induzida póstero-anterior (PA), enquanto apenas alguns estudos de IAC empregaram corrente induzida anteroposterior (AP)⁵⁵. No entanto, o uso da EMT para induzir PA em comparação com a corrente PA durante a avaliação da IAC recruta circuitos sensório-motores distintos^16,56. Por exemplo, circuitos sensório-motores sensíveis ao PA, mas não sensíveis ao PA, são alterados pela modulação cerebelar ^37,56. Além disso, circuitos sensório-motores sensíveis ao PA, mas não sensíveis ao PA, são modulados pela carga de atenção³⁶. Finalmente, a atenção e as influências cerebelares podem convergir para os mesmos circuitos sensório-motores sensíveis ao PA, levando a alterações desadaptativas nesses circuitos³⁷.

Os avanços na tecnologia da EMT proporcionam flexibilidade adicional para manipular a configuração do estímulo da EMT empregado durante aplicações de pulso único, pulso pareado e repetitivas^57,58. Os estimuladores TMS (cTMS) de parâmetros de pulso controláveis estão agora comercialmente disponíveis para uso em pesquisa em todo o mundo, e fornecem controle flexível sobre a largura e a forma do pulso⁵⁷. O aumento da flexibilidade decorre do controle da duração da descarga de dois capacitores independentes, cada um responsável por uma fase separada do estímulo da EMT. A natureza bifásica ou monofásica do estímulo é governada pela amplitude relativa de descarga de cada capacitor, um parâmetro chamado razão M. Estudos de EMTc combinaram a manipulação da largura de pulso com diferentes direções de corrente para demonstrar que as larguras de pulso fixas usadas por estimuladores convencionais de EMT (70-82 μs)^59,60 provavelmente recrutam uma mistura de circuitos sensório-motores funcionalmente distintos durante a^ISC56. Portanto, a EMTc é uma ferramenta empolgante para desvendar ainda mais o significado funcional de várias alças sensório-motoras convergentes no desempenho sensório-motor e na aprendizagem.

Este manuscrito detalha uma abordagem única da ISC para estudar a integração sensório-motora que integra a estimulação elétrica periférica com a EMTc durante comportamentos sensório-motores. Essa abordagem melhora a abordagem típica da ISC ao avaliar o efeito de projeções aferentes em populações selecionadas de interneurônios no córtex motor que governam o débito corticoespinhal durante o comportamento sensório-motor contínuo. Embora relativamente nova, a EMTc oferece uma vantagem distinta no estudo da integração sensório-motora em populações típicas e clínicas. Além disso, a abordagem atual pode ser facilmente adaptada para uso com estimuladores convencionais de EMT e para quantificar outras formas de inibição e facilitação aferente, como a inibição aferente de longa latência (IAF)¹³ ou a facilitação aferente de curta latência (FAS)¹⁵.

Protocol

O protocolo a seguir pode ser aplicado a vários experimentos. As informações fornecidas detalham um experimento no qual o ISC é usado para quantificar a integração sensório-motora durante a resposta de um dedo a uma sonda sinalizada de forma válida ou inválida. Nesse protocolo, a IAC é avaliada sem tarefa, concomitantemente durante a tarefa sensório-motora sinalizada e, novamente, sem tarefa. O estimulador de EMTc pode ser substituído por qualquer estimulador convencional de EMT disponível comercialmente. En…

Representative Results

A Figura 3 ilustra exemplos de PEMs incondicionados e condicionados de um único participante eliciados no músculo IDE durante a tarefa sensório-motora utilizando corrente induzida PA120- e AP30- (subscrito denota largura de pulso). Os gráficos de barras na coluna do meio ilustram as amplitudes médias brutas pico-a-pico da PEmáx para os ensaios não condicionados e condicionados. Os gráficos de barras à direita mostram as latências de início do IAC e PEmáx par…

Discussion

O método SAI aqui descrito sonda um subconjunto de vias neurais que desempenham um papel no desempenho sensório-motor e na aprendizagem. Avaliar a ISC enquanto os participantes realizam tarefas sensório-motoras controladas é fundamental para desembaraçar as contribuições complexas das numerosas alças sensório-motoras que convergem para os neurônios corticoespinhais motores para moldar o débito motor em populações saudáveis e clínicas. Por exemplo, uma metodologia semelhante tem sido utilizada para identifi…

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)