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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