Tecniche di indagine del sistema motorio: TMS Mirta Fiorio Dipartimento di Scienze Neurologiche e della Visione Università di Verona
Homunculus motorio
Le parti del corpo funzionalmente più attive, hanno una rappresentazione motoria più ampia.
Sistemi coinvolti nel controllo del movimento
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Livello di indagine Livello periferico (muscoli) - Elettromiogramma (EMG) Livello centrale (corteccia motoria e strutture sottocorticali) - Elettroencefalogramma (EEG) - Risonanza magnetica funzionale (fMRI) - Registrazione diretta da popolazioni di neuroni - Stimolazione magnetica transcranica (TMS)
EMG Registrazione dell’attività elettrica dei muscoli in seguito a stimolazione nervosa o a riposo. - Elettrodi ad ago inseriti direttamente nel muscolo - Elettrodi di superficie meno precisi Esempi di applicazione: controllare lo stato di rilassamento dei muscoli durante il sonno, nella diagnosi di neuropatie o nella riabilitazione neuromuscolare.
EEG Registrazione dell’attività elettrica dei neuroni sottostanti gli elettrodi posti sullo scalpo. Veglia rilassata a occhi chiusi
Veglia attiva
Meditazione e sonno REM
Sonno profondo
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EEG e movimenti volontari Alcuni tipi di onde sono modulabili con il movimento. Variazioni delle onde elettroencefalografiche in corrispondenza delle aree motorie avvengono addirittura 1-1.5 s prima dell’atto motorio (Bereitschaftspotential). Questo potenziale rappresenta quindi la preparazione e/o l’anticipazione di un movimento.
fMRI Si basa sulle diverse proprietà magnetiche che i diversi tessuti assumono a seconda del rapporto tra emoglobina ossigenata ed emoglobina non ossigenata. Nello stato inattivo, le cellule nervose prelevano una certa quantità di ossigeno dall’emoglobina ossigenata, che quindi diviene emoglobina deossigenata. Nelle aree attive del cervello, il flusso sanguigno porta una quantità di emoglobina ossigenata superiore a quella che viene consumata dai neuroni, per cui il rapporto tra le due forme di emoglobina è diverso da quello dello stato inattivo.
fMRI e movimento Il movimento di singoli distretti corporei attiva aree motorie specifiche secondo un’organizzazione topografica. L’fMRI è una tecnica con alta risoluzione spaziale (dell’ordine dei mm).
Studio di Lotze et al., 2000
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Registrazione diretta Registra direttamente l’attività di popolazioni di neuroni grazie ad elettrodi “impiantati” durante interventi chirurgici: - a livello della corteccia (epilessia) - a livello delle strutture profonde, gangli della base, (Parkinson e distonia) 0,18
12-20Hz: ritmo Beta basso diminuisce di potenza con somministrazione di DOPA e durante i movimenti volontari
0,16 0,14
power
0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 α
low β
high β
γ
300Hz
f (Hz)
Stimolazione magnetica transcranica
Produce uno stimolo … di tipo magnetico … che attraversa il cranio
Permette di stimolare il cervello in maniera indolore e non invasiva
1771
Luigi Galvani
animal electricity
1819
Hans Christian Oersted (1777-1851)
electromagnetism
1831
Michael Faraday (1791-1851)
electromagnetic induction
1833
Duchenne de Boulogne
stimulation of muscles with surface electrodes
1853
Hermann von Helmholtz
measurement of speed of nerve impulses with electrical stimulation and mechanical twitch recorder; pioneering discoveries in electromagnetism (reciprocity etc.)
1874
Roberts Bartholow
excitability of the human brain while stimulating the exposed cortex in a patient with a large cranial defect
1896
Arsenne d'Arsonval
"phosphenes and vertigo, and in some persons, syncope" when the subjects head was placed inside an induction coil
1902 1910 1911 1946
Beer Silvanus Thompson Dunlap Walsh
visual sensations, i.e., magnetophosphenes: "a faint flickering illumination, colorless or a blush tint"
1911
Magnusson & Stevens
"when the direct current was initiated, a luminous horizontal bar was perceived moving downward"
1947
Barlow & al.
"as to the locus of excitation, we believe that this is retinal"
1959
Kolin
first to stimulate magnetically nerves (a frog sciatic-nerve)
1965
Bickford & Fremming
first to stimulate the human nerves magnetically using harmonic magnetic fields
1970 1970 1973
Maass & Asa Irwin P. Å. Öberg
muscle twitches in animals and human subjects
1976
Polson, Barker & Freeston
stimulation with brief magnetic field pulses and first demonstration of peripheral nerve stimulation with simultaneous electromyographic recordings
1980
Merton & Morton
non-invasive brain stimulation with scalp electrodes
1985
Barker & al.
non-invasive, painless, cortical stimulation with magnetic fields
1984 1988
David Cohen Shoogo Ueno
the idea and realization of the figure-of-eight coil
1989
Cracco, Amassian, Maccabee & Cracco
recording of magnetically evoked cortical responses from the scalp with electrodes placed on the other side of the head
1987/88
Cadwell Laboratories Inc.
repetitive stimulation with water-cooled coil
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Hardware
Barker 1985
Principi di base della TMS
Il campo magnetico transcranico induce un campo elettrico all’interno del cervello. Il campo elettrico così indotto crea una depolarizzazione delle membrane dei neuroni sottostanti l’area stimolata, con conseguenze relative all’area coinvolta.
Tipi di coil
Campo magnetico
Coil circolare
Coil a forma di 8
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Stimolazione dell’area motoria
PEM
elettrodo EMG
PEM Ampiezza (mV)
Latenza (ms)
Parametri come l’ampiezza e la latenza dei PEM rappresentano una misura dello stato di attivazione del sistema motorio. Attraverso adeguate procedure statistiche si possono analizzare questi parametri e fare confronti in diverse condizioni.
Condizioni di controllo Stimolazione dell’emisfero opposto
Stimolazione sham
Stimolazione di un sito diverso
Coil capovolto verso l’esterno
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Soglia motoria e punto ottimale di stimolazione Soglia motoria Intensità di stimolazione minima necessaria ad evocare dei PEM con ampiezza maggiore di 50 µV in almeno il 50% delle stimolazioni a riposo. Punto ottimale di stimolazione È il punto sullo scalpo dalla cui stimolazione si ottengo i PEM di ampiezza maggiore. Si trova muovendo il coil a piccoli passi (1 cm) attorno all’area dove è stata determinata la soglia.
Effetti della TMS Effetto inibitorio Crea un “rumore neuronale” che interferisce con il normale sistema di processamento di un segnale esterno.
Effetto eccitatorio Se applicata sull’area motoria con una certa intensità provoca movimenti involontari (twitches); se applicata sull’area visiva provoca la comparsa di fosfeni.
TMS a singolo impulso
Un singolo impulso ad ogni stimolazione
Intervallo tra gli impulsi almeno di 3 secondi
Durata degli effetti dopo la fine della stimolazione: 200 ms
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TMS ripetitiva (rTMS) Più impulsi per ogni stimolazione Frequenza: numero degli impulsi per unità di tempo (treno) Effetti dopo la fine della stimolazione: - TMS a 1 Hz effetti inibitori - TMS > 5 Hz effetti eccitatori
Usi della TMS
Strumento di indagine del sistema motorio Strumento di interferenza con l’attività delle aree stimolate Strumento di riabilitazione
Indagine del sistema motorio con finalità clinica
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Indagine del sistema motorio con finalità clinica Soggetto normale
Paziente con compressione della corda spinale
Polso C-7 Area motoria
Latenza più lunga!
Studio di Brunhoelz e Claus, 1994
Indagine del sistema motorio durante l’osservazione di movimenti
Studio di Romani, Cesari et al., 2005
TMS e apprendimento motorio La semplice osservazione di un’azione motoria induce la formazione di una memoria motoria a breve termine del movimento osservato. Nell’adulto questo meccanismo potrebbe facilitare l’acquisizione di nuove strategie motorie e nel bambino lo sviluppo di azioni motorie più complete.
Studio di Classen et al., 1998
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Strumento di interferenza con l’attività delle aree stimolate TMS sull’area sensorimotoria sopprime la capacità di rilevare stimoli sensoriali se applicata da 200 ms prima a 20 ms dopo lo stimolo perfierico (Cohen et al., 1991). TMS sull’area motoria, ritarda l’esecuzione di un movimento volontario fino a 150 ms (Day et al., 1989). TMS sull’area visiva EBA (extrastriat body area) sopprime la capacità di riconoscere parti del corpo (Urgesi et al., 2004).
Strumento terapeutico e riabilitativo Dal momento che la rTMS ha effetto eccitatorio o inibitorio sull’eccitabilità corticale, può essere usata con effetto terapeutico nei casi patologici di ipo- o iper- attività della corteccia.
Depressione rTMS ad alta frequenza sulla corteccia prefrontale dorsolaterale e rTMS a bassa frequenza sull’emisfero destro migliorano la depressione (Kimbrell et al., 1999). Morbo di Parkinson rTMS ad alta frequenza sottosoglia migliora le funzioni motorie della mano controlaterale (Pascual-Leone et al.,1994). Stroke rTMS a bassa frequenza riduce l’eccitabilità dell’emisfero sano, associato a un training motorio questo permette all’emisfero danneggiato di recuperare le funzioni residue.
Strumento terapeutico e riabilitativo TMS ripetitiva a 5Hz sull’area somatosensoriale primaria porta a un miglioramento della soglia di discriminazione spaziale di due punti applicati sul polpastrello del dito indice.
Studio di Tegenthoff et al. 2005
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