Estimulación combinada de nervios periféricos y estimulación magnética transcraneal de parámetros de pulso controlable para sondear el control sensoriomotor y el aprendizaje

Summary

La inhibición aferente de latencia corta (SAI) es un protocolo de estimulación magnética transcraneal para sondear la integración sensoriomotora. Este artículo describe cómo se puede usar SAI para estudiar los bucles sensoriomotores convergentes en la corteza motora durante el comportamiento sensoriomotor.

Abstract

La capacidad motora experta depende de la integración eficiente de la aferencia sensorial en los comandos motores apropiados. La inhibición aferente proporciona una herramienta valiosa para investigar la influencia procedimental y declarativa sobre la integración sensoriomotora durante las acciones motoras especializadas. Este manuscrito describe la metodología y las contribuciones de la inhibición aferente de latencia corta (SAI) para comprender la integración sensoriomotora. SAI cuantifica el efecto de una descarga aferente convergente sobre la salida motora corticoespinal evocada por la estimulación magnética transcraneal (EMT). La descarga aferente se desencadena por la estimulación eléctrica de un nervio periférico. El estímulo TMS se entrega a una ubicación sobre la corteza motora primaria que provoca una respuesta motora confiable en un músculo servido por ese nervio aferente. El grado de inhibición en la respuesta motora evocada refleja la magnitud de la descarga aferente que converge en la corteza motora e implica contribuciones GABAérgicas y colinérgicas centrales. La participación colinérgica en la EFS hace de la EFS un posible marcador de interacciones declarativas-procedimentales en el rendimiento sensoriomotor y el aprendizaje. Más recientemente, los estudios han comenzado a manipular la dirección actual de TMS en SAI para separar la importancia funcional de los distintos circuitos sensoriomotores en la corteza motora primaria para las acciones motoras especializadas. La capacidad de controlar parámetros de pulso adicionales (por ejemplo, el ancho de pulso) con el parámetro de pulso controlable TMS (cTMS) de última generación ha mejorado la selectividad de los circuitos sensoriomotores sondeados por el estímulo TMS y ha brindado la oportunidad de crear modelos más refinados de control sensoriomotor y aprendizaje. Por lo tanto, el presente manuscrito se centra en la evaluación de las EFS utilizando cTMS. Sin embargo, los principios descritos aquí también se aplican a SAI evaluados utilizando estimuladores TMS convencionales de ancho de pulso fijo y otras formas de inhibición aferente, como la inhibición aferente de latencia prolongada (LAI).

Introduction

Múltiples bucles sensoriomotores convergen en la corteza motora para dar forma a las proyecciones del tracto piramidal a las neuronas motoras espinales e interneuronas¹. Sin embargo, cómo interactúan estos bucles sensoriomotores para dar forma a las proyecciones corticoespinales y al comportamiento motor sigue siendo una pregunta abierta. La inhibición aferente de latencia corta (SAI) proporciona una herramienta para sondear las propiedades funcionales de los bucles sensoriomotores convergentes en la salida de la corteza motora. SAI combina la estimulación magnética transcraneal cortical motora (TMS) con la estimulación eléctrica del nervio aferente periférico correspondiente.

TMS es un método no invasivo para estimular de forma segura las neuronas motoras piramidales transsinápticamente en el cerebro humano ^2,3. TMS implica pasar una corriente eléctrica grande y transitoria a través de un cable enrollado colocado en el cuero cabelludo. La naturaleza transitoria de la corriente eléctrica crea un campo magnético que cambia rápidamente y induce una corriente eléctrica en el cerebro⁴. En el caso de un solo estímulo TMS, la corriente inducida activa una serie de entradas excitatorias a las neuronas motoras piramidales ^5-7. Si la fuerza de las entradas excitatorias generadas es suficiente, la actividad descendente provoca una respuesta muscular contralateral conocida como potencial evocado motor (MEP). La latencia del MEP refleja el tiempo de conducción corticomotora⁸. La amplitud del MEP indexa la excitabilidad de las neuronas corticoespinales⁹. El estímulo TMS único que provoca el MEP también puede ser precedido por un estímulo condicionante^10,11,12. Estos paradigmas de pulso pareado se pueden utilizar para indexar los efectos de varios grupos de interneuronas en la producción corticoespinal. En el caso de SAI, el estímulo de acondicionamiento eléctrico periférico se utiliza para sondear el impacto de la descarga aferente sobre la excitabilidad cortical motora^11,13,14,15. El tiempo relativo del estímulo TMS y la estimulación eléctrica periférica alinea la acción del estímulo TMS en la corteza motora con la llegada de las proyecciones aferentes a la corteza motora. Para SAI en los músculos distales de las extremidades superiores, el estímulo del nervio mediano típicamente precede al estímulo TMS por 18-24 ms^11,13,15,16. Al mismo tiempo, SAI aumenta a medida que aumenta la fuerza de la descarga aferente inducida por el estímulo periférico 13,17,18.

A pesar de su fuerte asociación con las propiedades extrínsecas de la proyección aferente a la corteza motora, SAI es un fenómeno maleable implicado en muchos procesos de control motor. Por ejemplo, la SAI se reduce en los músculos relevantes para la tarea antes de un movimiento inminente 19,20,21, pero se mantiene en representaciones motoras adyacentes irrelevantes para la tarea^19,20,22. Se plantea la hipótesis de que la sensibilidad a la relevancia de la tarea refleja un mecanismo de inhibición envolvente²³ que tiene como objetivo reducir el reclutamiento de efectores no deseados. Más recientemente, se propuso que la reducción de la EFS en el efector relevante para la tarea puede reflejar un fenómeno de activación relacionado con el movimiento diseñado para suprimir la aferencia sensorial esperada²¹ y facilitar las correcciones durante la planificación y ejecución sensoriomotora²⁴. Independientemente del rol funcional específico, la EFS se correlaciona con la reducción de la destreza manual y la eficiencia del procesamiento²⁵. La SAI alterada también se asocia con un mayor riesgo de caídas en adultos mayores 26 y función sensoriomotora comprometida en la enfermedad de Parkinson 26,27,28 e individuos con distonía focal de la mano ²⁹.

La evidencia clínica y farmacológica indica que las vías inhibitorias que median la EFS son sensibles a la modulación colinérgica central³⁰. Por ejemplo, la administración del antagonista muscarínico del receptor de acetilcolina escopolamina reduce SAI³¹. Por el contrario, el aumento de la vida media de la acetilcolina a través de los inhibidores de la acetilcolinesterasa mejora la IAS^32,33. De acuerdo con la evidencia farmacológica, la EFS es sensible a varios procesos cognitivos con afectación colinérgica central, incluyendo la excitación 34, la recompensa³⁵, la asignación de atención 21,36,37 y la memoria^38,39,40. La EFS también está alterada en poblaciones clínicas con déficits cognitivos asociados a la pérdida de neuronas colinérgicas, como la enfermedad de Alzheimer 41,42,43,44,45,46,47, la enfermedad de Parkinson (con deterioro cognitivo leve)48,49,50 y el deterioro cognitivo leve ^47,51,52. La modulación diferencial de SAI por varias benzodiazepinas con afinidades diferenciales para varios tipos de subunidades del receptor del ácido γ-aminobutírico tipo A (GABA_A) sugiere que las vías inhibitorias de SAI son distintas de las vías que median otras formas de inhibición de pulso pareado³⁰. Por ejemplo, el lorazepam disminuye la SAI pero mejora la inhibición cortical de intervalo corto (SICI)⁵³. Zolpidem reduce la SAI pero tiene poco efecto sobre SICI⁵³. El diazepam aumenta el SICI pero tiene poco impacto en la EFS⁵³. La reducción de SAI por estos moduladores alostéricos positivos de la función del receptor GABA_A, junto con la observación de que GABA controla la liberación de acetilcolina en el tronco cerebral y la corteza⁵⁴, ha llevado a la hipótesis de que GABA modula la vía colinérgica que se proyecta a la corteza sensoriomotora para influir en SAI⁵⁵.

Recientemente, SAI se ha utilizado para investigar las interacciones entre los bucles sensoriomotores que establecen los procesos de control motor procedimental y aquellos que alinean los procesos de procedimiento con objetivos explícitos de arriba hacia abajo y los procesos de control cognitivo 21,36,37,38. La participación colinérgica central en la EFS³¹ sugiere que la EFS puede indexar una influencia ejecutiva sobre el control sensoriomotor procedimental y el aprendizaje. Es importante destacar que estos estudios han comenzado a identificar los efectos únicos de la cognición en circuitos sensoriomotores específicos mediante la evaluación de SAI utilizando diferentes direcciones de corriente TMS. Los estudios SAI suelen emplear corriente inducida por posterior-anterior (PA), mientras que sólo un puñado de estudios SAI han empleado corriente inducida por anterior-posterior (AP)⁵⁵. Sin embargo, el uso de TMS para inducir PA en comparación con la corriente de PA durante la evaluación de SAI recluta circuitos sensoriomotores distintos^16,56. Por ejemplo, los circuitos sensitivos a AP, pero no a los sensibles a PA, son alterados por la modulación cerebelosa^37,56. Además, los circuitos sensoriomotores sensibles a AP, pero no a los sensibles a PA, son modulados por la carga de atención³⁶. Finalmente, la atención y las influencias cerebelosas pueden converger en los mismos circuitos sensitivo-motores AP, llevando a alteraciones desadaptativas en esos circuitos³⁷.

Los avances en la tecnología TMS proporcionan flexibilidad adicional para manipular la configuración del estímulo TMS empleado durante aplicaciones de pulso único, pulso pareado y repetitivas^57,58. Los estimuladores TMS de parámetros de pulso controlables (cTMS) ahora están disponibles comercialmente para uso de investigación en todo el mundo, y proporcionan un control flexible sobre el ancho y la forma del pulso⁵⁷. La mayor flexibilidad surge del control de la duración de descarga de dos condensadores independientes, cada uno responsable de una fase separada del estímulo TMS. La naturaleza bifásica o monofásica del estímulo se rige por la amplitud de descarga relativa de cada condensador, un parámetro llamado relación M. Los estudios de TMTc han combinado la manipulación del ancho de pulso con diferentes direcciones de corriente para demostrar que los anchos de pulso fijos utilizados por los estimuladores TMS convencionales (70-82 μs)^59,60 probablemente reclutan una mezcla de circuitos sensoriomotores funcionalmente distintos durante SAI ⁵⁶. Por lo tanto, cTMS es una herramienta emocionante para desentrañar aún más el significado funcional de varios bucles sensoriomotores convergentes en el rendimiento sensoriomotor y el aprendizaje.

Este manuscrito detalla un enfoque único de SAI para estudiar la integración sensoriomotora que integra la estimulación eléctrica periférica con la EMTc durante los comportamientos sensoriomotores. Este enfoque mejora el enfoque SAI típico al evaluar el efecto de las proyecciones aferentes en poblaciones interneuronales seleccionadas en la corteza motora que gobiernan la producción corticoespinal durante el comportamiento sensoriomotor continuo. Aunque relativamente nuevo, la EMTc proporciona una clara ventaja en el estudio de la integración sensoriomotora en poblaciones típicas y clínicas. Además, el enfoque actual puede adaptarse fácilmente para su uso con estimuladores TMS convencionales y para cuantificar otras formas de inhibición y facilitación aferente, como la inhibición aferente de latencia prolongada (LAI)¹³ o la facilitación aferente de latencia corta (SAF)¹⁵.

Protocol

El siguiente protocolo se puede aplicar a varios experimentos. La información proporcionada detalla un experimento en el que SAI se utiliza para cuantificar la integración sensoriomotora durante la respuesta de un dedo a una sonda válida o inválidamente señalada. En este protocolo, SAI se evalúa sin una tarea, luego simultáneamente durante la tarea sensoriomotora señalada, y luego nuevamente sin una tarea. El estimulador cTMS puede ser reemplazado por cualquier estimulador TMS convencional disponible comercialmen…

Representative Results

La Figura 3 ilustra ejemplos de MEPs no condicionados y condicionados de un solo participante obtenidos en el músculo FDI durante la tarea sensoriomotora utilizando corriente inducida PA120- y AP30- (subíndice denota ancho de pulso). Los gráficos de barras en la columna central ilustran las amplitudes MEP promedio brutas de pico a pico para los ensayos no condicionados y condicionados. Los gráficos de barras a la derecha muestran las latencias de inicio SAI y MEP pa…

Discussion

El método SAI descrito aquí sondea un subconjunto de vías neuronales que desempeñan un papel en el rendimiento sensoriomotor y el aprendizaje. La evaluación de SAI mientras los participantes realizan tareas sensoriomotoras controladas es fundamental para desenredar las complejas contribuciones de los numerosos bucles sensoriomotores que convergen en las neuronas motoras corticoespinales para dar forma a la producción motora en poblaciones sanas y clínicas. Por ejemplo, se ha utilizado una metodología similar para…

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)