Conteúdos
Estimulação neuronal: o que é?
Evolução histórica
Princípios físicos e instrumentação
Eletrofisiologia da estimulação
Estimulação neuronal: o que é?
São técnicas nas quais se usam campos elétricos para gerar respostas ao nível neuronal
Estimulação neuronal: o que é?
São técnicas nas quais se usam campos elétricos para gerar respostas ao nível neuronal
As respostas são alterações do potencial de membrana
Potencial de membrana
• Contrações musculares (EMG) • Alterações na irrigação sanguínea
do cérebro e no metabolismo (PET, SPECT, fMRI)
• Atividade neuronal evocada (EEG)
• Fosfenos visuais
• Alterações comportamentais • Inibições do funcionamento de
zonas do córtex
Estimulação neuronal: o que é?
São técnicas nas quais se usam campos elétricos para gerar respostas ao nível neuronal
As respostas são alterações do potencial de membrana
A estimulação neuronal origina respostas macroscópicas
Que tipos de técnicas existem?
O campo elétrico pode ser gerado de duas formas diferentes:
Que tipos de técnicas existem?
O campo elétrico pode ser gerado de duas formas diferentes:
◦ Elétrodos: Estimulação elétrica
◦ Bobina: Estimulação magnética transcraniana (TMS)
Que tipos de técnicas existem?
O campo elétrico pode ser gerado de duas formas diferentes:
◦ Elétrodos: Estimulação elétrica
◦ Bobina: Estimulação magnética transcraniana (TMS)
Que tipos de técnicas existem?
O campo elétrico pode ser gerado de duas formas diferentes:
◦ Elétrodos: Estimulação elétrica
◦ Bobina: Estimulação magnética transcraniana (TMS)
Ambas tem várias modalidades diferentes de aplicação
• Corrente muito intensa mas com curta duração
Estimulação elétrica transcraniana
• Correntes muito pouco intensas (~1 mA) aplicadas durante muito tempo (~10 minutos)
Polarização
neuronal
(tDCS/tACS)
• Corrente muito intensa mas com curta duração (aplicada repetidamente durante várias sessões)
Terapia eletro-convulsiva
• Elétrodos implantados diretamente no cérebro
Estimulação
cerebral
profunda
Que tipos de técnicas existem?
O campo elétrico pode ser gerado de duas formas diferentes:
◦ Elétrodos: Estimulação elétrica
◦ Bobina: Estimulação magnética transcraniana (TMS)
Ambas tem várias modalidades diferentes de aplicação
Disparo simples ou aplicação repetitiva (rTMS):
t
TMS TMS TMS
Frequência de aplicação: f=1/t
Mas existem diferentes formas de aplicação dos disparos
Evolução do Bioeletromagnetismo
47 ac: Scribonius Largus recomenda o uso do peixe torpedo (peixe elétrico) para curar dores de cabeça e artrites.
Evolução do Bioeletromagnetismo
47 ac: Scribonius Largus recomenda o uso do peixe torpedo (peixe elétrico) para curar dores de cabeça e artrites.
Evolução do Bioeletromagnetismo
47 ac: Scribonius Largus recomenda o uso do peixe torpedo (peixe elétrico) para curar dores de cabeça e artrites.
1783: Luigi Galvani descobre a Bioeletricidade. 1803: Aldini expande os trabalhos de Galvani em humanos.
Evolução do Bioeletromagnetismo
47 ac: Scribonius Largus recomenda o uso do peixe torpedo (peixe elétrico) para curar dores de cabeça e artrites.
1783: Luigi Galvani descobre a Bioeletricidade. 1803: Aldini expande os trabalhos de Galvani em humanos.
Hans Christian Orsted (1820): Pai do eletromagnetismo.
Evolução do Bioeletromagnetismo
47 ac: Scribonius Largus recomenda o uso do peixe torpedo (peixe elétrico) para curar dores de cabeça e artrites.
1783: Luigi Galvani descobre a Bioeletricidade. 1803: Aldini expande os trabalhos de Galvani em humanos.
Hans Christian Orsted (1820): Pai do eletromagnetismo.
Michael Faraday e Joseph Henry (1831): Descoberta da indução eletromagnética.
Evolução histórica da estimulação
neuronal
Guillaume Duchenne (1833): Utilização de elétrodos para estimular músculos faciais.
Evolução histórica da estimulação
neuronal
Guillaume Duchenne (1833): Utilização de elétrodos para estimular músculos faciais.
Herman von Helmholtz (1852): Determinação da velocidade de condução de um impulso nervoso.
Evolução histórica da estimulação
neuronal
Guillaume Duchenne (1833): Utilização de elétrodos para estimular músculos faciais.
Herman von Helmholtz (1852): Determinação da velocidade de condução de um impulso nervoso.
Robert Bartholow (1874): Primeiro a estimular o cérebro com elétrodos.
Evolução histórica da estimulação
magnética: magnetofosfenos
Jaques Arsène d’Arsonval (1896): Primeiro relatório de “magnetofosfenos”;
Evolução histórica da estimulação
magnética: magnetofosfenos
Jaques Arsène d’Arsonval (1896): Primeiro relatório de “magnetofosfenos”;
1902-1911: Vários estudos sobre indução de magnetofosfenos por campos magnéticos variáveis no tempo;
Evolução histórica da estimulação
magnética: magnetofosfenos
Jaques Arsène d’Arsonval (1896): Primeiro relatório de “magnetofosfenos”;
1902-1911: Vários estudos sobre indução de magnetofosfenos por campos magnéticos variáveis no tempo;
Evolução histórica da estimulação
magnética: magnetofosfenos
Jaques Arsène d’Arsonval (1896): Primeiro relatório de “magnetofosfenos”;
1902-1911: Vários estudos sobre indução de magnetofosfenos por campos magnéticos variáveis no tempo;
Walsh e Barlow (1946 – 1947): Identificam o local de estimulação como sendo a retina e não o córtex visual.
Evolução histórica da estimulação
magnética: estimulação neuronal
Kolin (1959): Estimulação magnética do nervo ciático de um sapo;
Bickford e Fremming (1965): Estimulação
magnética de nervos periféricos humanos com campos com uma variação harmónica no
tempo;
Irwin (1970): Estimulação magnética do nervo cardíaco;
Barker (1985): Estimulação magnética não-invasiva do córtex motor humano.
Princípios físicos e
instrumentação
Geração do campo elétrico em TMS
A corrente intensa (~kA) e de curta duração (< 1 ms) a circular na bobina induz um campo magnético 𝐵(𝑡) variável no tempo;
O campo magnético variável no tempo induz um campo elétrico, 𝐸(𝑡) no tecido condutor (cabeça): Lei de Indução de Faraday;
O campo elétrico induzido em TMS é a soma de duas componentes:
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial
A componente primária do campo é fácil de prever com base na geometria da bobina.
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial
A componente primária do campo é fácil de prever com base na geometria da bobina.
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial
A componente primária do campo é fácil de prever com base na geometria da bobina. A componente secundária depende
fortemente da geometria da cabeça, das
propriedades elétricas dos tecidos cerebrais e do próprio campo primário.
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial
A componente primária do campo é fácil de prever com base na geometria da bobina.
A componente secundária depende fortemente da geometria da cabeça, das propriedades
elétricas dos tecidos cerebrais e do próprio campo primário.
O campo elétrico total:
◦ É mais fraco do que o primário (o campo secundário reduz a magnitude do primário);
◦ Não tem uma componente perpendicular à
interface pele-ar (neurónios com essa direção não são estimulados);
◦ Decai mais rapidamente em profundidade do que o campo elétrico primário (mau para estimulação de regiões sub-corticais).
Campo primário (norma) Campo total (norma)
Campo Total 𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑀𝑎𝑥 = 27.3 𝑉/𝑚 𝐸𝑃𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 𝑀𝑎𝑥 = 40.3 𝑉/𝑚 27.29 25 20 15 10 5 0
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial
A componente primária do campo é fácil de prever com base na geometria da bobina.
A componente secundária depende fortemente da geometria da cabeça, das propriedades
elétricas dos tecidos cerebrais e do próprio campo primário.
O campo elétrico total:
◦ É mais fraco do que o primário (o campo secundário reduz a magnitude do primário);
◦ Não tem uma componente perpendicular à
interface pele-ar (neurónios com essa direção não são estimulados);
◦ Decai mais rapidamente em profundidade do que o campo elétrico primário (mau para estimulação de regiões sub-corticais).
Campo primário (norma) Campo total (norma)
Campo Total 𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑀𝑎𝑥 = 27.3 𝑉/𝑚 𝐸𝑃𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 𝑀𝑎𝑥 = 40.3 𝑉/𝑚 27.29 25 20 15 10 5 0
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial
A componente primária do campo é fácil de prever com base na geometria da bobina.
A componente secundária depende fortemente da geometria da cabeça, das propriedades
elétricas dos tecidos cerebrais e do próprio campo primário.
O campo elétrico total:
◦ É mais fraco do que o primário (o campo secundário reduz a magnitude do primário);
◦ Não tem uma componente perpendicular à
interface pele-ar (neurónios com essa direção não são estimulados);
◦ Decai mais rapidamente em profundidade do que o campo elétrico primário (mau para estimulação de regiões sub-corticais).
Campo primário (norma) Campo total (norma)
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial (cont.)
Como não se pode fazer medições invasivas do campo elétrico é muito comum usar métodos numéricos para prever o campo.
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial (cont.)
Como não se pode fazer medições invasivas do campo elétrico é muito comum usar métodos numéricos para prever o campo.
Nesses métodos podem-se usar:
◦ Modelos aproximados para a cabeça: Por exemplo modelos esféricos com múltiplas camadas;
◦ Modelos realistas para a cabeça: Baseados em segmentação de imagens médicas.
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial (cont.)
Como não se pode fazer medições invasivas do campo elétrico é muito comum usar métodos numéricos para prever o campo.
Nesses métodos podem-se usar:
◦ Modelos aproximados para a cabeça: Por exemplo modelos esféricos com múltiplas camadas;
◦ Modelos realistas para a cabeça: Baseados em segmentação de imagens médicas.
Thielscher, A., A. Opitz and M. Windhoff (2011). "Impact of the gyral geometry on the electric field induced by transcranial magnetic stimulation." Neuroimage 54(1): 234-243.
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial (cont.)
Como não se pode fazer medições invasivas do campo elétrico é muito comum usar métodos numéricos para prever o campo.
Nesses métodos podem-se usar:
◦ Modelos aproximados para a cabeça: Por exemplo modelos esféricos com múltiplas camadas;
◦ Modelos realistas para a cabeça: Baseados em segmentação de imagens médicas.
Opitz, A., M. Windhoff, R. M. Heidemann, R. Turner and A. Thielscher (2011). "How the brain tissue shapes the electric field induced by transcranial magnetic stimulation." Neuroimage 58(3): 849-859.
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial (cont.)
Como não se pode fazer medições invasivas do campo elétrico é muito comum usar métodos numéricos para prever o campo.
Nesses métodos podem-se usar:
◦ Modelos aproximados para a cabeça: Por exemplo modelos esféricos com múltiplas camadas;
◦ Modelos realistas para a cabeça: Baseados em segmentação de imagens médicas.
Salvador, R., Wenger, C., and Miranda, P.C. (2015). Investigating the cortical regions involved in MEP
modulation in tDCS. Frontiers in Cellular Neuroscience 9. doi: 10.3389/fncel.2015.00405.
O campo elétrico em TMS – Variação
temporal
O campo elétrico total induzido em TMS varia com o tempo de duas formas possíveis
consoante o pulso de corrente na bobina é:
◦ Monofásico: Corrente circula na bobina sempre no mesmo sentido;
◦ Bifásico: Corrente muda o seu sentido de circulação uma vez.
O campo elétrico é proporcional à derivada (variação) temporal da corrente na bobina.
𝐼(𝑡)
Instrumentação TMS
Estimulador magnético (circuito RLC) capaz de gerar um pulso rápido (<1 ms) de muito rápida intensidade (>5 kA);
Instrumentação TMS
Estimulador magnético (circuito RLC) capaz de gerar um pulso rápido (<1 ms) de muito rápida intensidade (>5 kA);
Pode gerar formas de ondas monofásicas ou bifásicas;
Instrumentação TMS
Estimulador magnético (circuito RLC) capaz de gerar um pulso rápido (<1 ms) de muito rápida intensidade (>5 kA);
Pode gerar formas de ondas monofásicas ou bifásicas;
Pode aplicar mais que um pulso com uma dada frequência (rTMS).
Instrumentação TMS
Estimulador magnético (circuito RLC) capaz de gerar um pulso rápido (<1 ms) de muito rápida intensidade (>5 kA);
Pode gerar formas de ondas monofásicas ou bifásicas;
Pode aplicar mais que um pulso com uma dada frequência (rTMS).
Existem vários formatos possíveis de bobinas:
◦ Circular;
◦ Forma de 8;
◦ Mais complicadas (slinky, H…).
Bobinas pequenas têm melhor focalidade mas existem dificuldades técnicas de construção (temperatura, estabilidade mecânica…).
Geração do campo elétrico em tDCS /
tACS
Normalmente aplica-se uma diferença de potencial entre dois elétrodos (um ânodo e um cátodo) colocados em contacto com o escalpe.
A cabeça “fecha” o circuito formado entre o gerador e os elétrodos e, como tal, induz-se um campo elétrico (e logo uma corrente elétrica) nos diferentes tecidos.
A posição dos elétrodos, a sua geometria e as propriedades elétricas dos tecidos cerebrais ditam a distribuição do campo elétrico no tecido cerebral.
O campo elétrico em tDCS / tDCS
Campo mais fraco que o induzido em TMS (cerca 1 V/m em comparação com 100 V/m). Tem propriedades distintas do campo induzido em TMS (tem componente perpendicular à interface ar-escalpe e atinge mais facilmente regiões profundas).
Usam-se muitas vezes métodos numéricos para calcular o campo elétrico.
No rm a d a d en si d ad e d e co rr en te A /m 2
Miranda, P. C., M. Lomarev and M. Hallett (2006). "Modeling the current distribution during transcranial direct current stimulation." Clin Neurophysiol 117(7): 1623-1629.
O campo elétrico em tDCS / tDCS
Campo mais fraco que o induzido em TMS (cerca 1 V/m em comparação com 100 V/m). Tem propriedades distintas do campo induzido em TMS (tem componente perpendicular à interface ar-escalpe e atinge mais facilmente regiões profundas).
Usam-se muitas vezes métodos numéricos para calcular o campo elétrico.
O campo não oscila no tempo (tDCS) ou faze-o a baixas frequências (tACS).
C am p o el étri co (n or m a) V /m
Miranda, P. C., Mekonnen, A., Salvador, R., Ruffini, G. 2013. The electric field in the cortex during transcranial current stimulation. Neuroimage, DOI: 10.1016/j.neuroimage.2012.12.034.
Instrumentação tDCS/tACS
Estimulador elétrico, capaz de injetar
correntes máximas de cerca de 2 mA durante algumas dezenas de minutos.
Elétrodos de grande área (normalmente são usados elétrodos de 9 cm2 ou 35 cm2).
A instrumentação é mais fácil de transportar e muito mais barata que a usada em TMS.
Instrumentação tDCS/tACS
Estimulador elétrico, capaz de injetar
correntes máximas de cerca de 2 mA durante algumas dezenas de minutos.
Elétrodos de grande área (normalmente são usados elétrodos de 9 cm2 ou 35 cm2).
A instrumentação é mais fácil de transportar e muito mais barata que a usada em TMS.
Eletrofisiologia da
estimulação
Potencial de membrana
Os efeitos da estimulação neuronal advêm dos efeitos no potencial de membrana dos
Potencial de membrana
Os efeitos da estimulação neuronal advêm dos efeitos no potencial de membrana dos
neurónios.
Em repouso a membrana dos neurónios está polarizada: potencial de repouso da
membrana.
Potencial de membrana
𝑉𝑚 𝑅𝑒𝑝𝑜𝑢𝑠𝑜 = −70 𝑚𝑉
Potencial de membrana
Os efeitos da estimulação neuronal advêm dos efeitos no potencial de membrana dos
neurónios.
Em repouso a membrana dos neurónios está polarizada: potencial de repouso da
membrana.
Quando estimulado (estimulação elétrica ou
input sináptico de outros neurónios) pode-se
Potencial de membrana
Os efeitos da estimulação neuronal advêm dos efeitos no potencial de membrana dos
neurónios.
Em repouso a membrana dos neurónios está polarizada: potencial de repouso da
membrana.
Quando estimulado (estimulação elétrica ou
input sináptico de outros neurónios) pode-se
Potencial de membrana
Os efeitos da estimulação neuronal advêm dos efeitos no potencial de membrana dos
neurónios.
Em repouso a membrana dos neurónios está polarizada: potencial de repouso da
membrana.
Quando estimulado (estimulação elétrica ou
input sináptico de outros neurónios) pode-se
gerar:
Potencial de membrana
Os efeitos da estimulação neuronal advêm dos efeitos no potencial de membrana dos
neurónios.
Em repouso a membrana dos neurónios está polarizada: potencial de repouso da
membrana.
Quando estimulado (estimulação elétrica ou
input sináptico de outros neurónios) pode-se
gerar:
◦ Resposta passiva (ex: potenciais pós-sinápticos)
Teoria do cabo: o neurónio como circuito
elétrico
O comportamento da membrana do neurónio pode ser modelado como um circuito elétrico:
z z+z imz Ii Ie Meio extracelular Meio intracelular Membrana
Teoria do cabo: o neurónio como circuito
elétrico
O comportamento da membrana do neurónio pode ser modelado como um circuito elétrico:
Teoria do cabo: o neurónio como circuito
elétrico
O comportamento da membrana do neurónio pode ser modelado como um circuito elétrico:
◦ Linear (RC): Respostas passivas da membrana;
Teoria do cabo: o neurónio como circuito
elétrico
O comportamento da membrana do neurónio pode ser modelado como um circuito elétrico:
◦ Linear (RC): Respostas passivas da membrana;
◦ Não-linear: Para modelar potenciais de ação.
No regime passivo é possível obter uma
equação para a variação temporal do potencial de membrana ao longo do neurónio em
função do campo elétrico: equação do cabo.
−𝜆2 𝜕𝑉´ 𝜕𝑥2 + 𝜏 𝜕𝑉´ 𝜕𝑡 + 𝑉´ = −𝜆 2 𝜕𝐸/ 𝜕𝑥 Constante de tempo Constante de espaço Função de ativação de Rattay
Função de ativação
Se o neurónio estiver inicialmente em repouso:
−𝜆2 𝜕𝑉´ 𝜕𝑥2 + 𝜏 𝜕𝑉´ 𝜕𝑡 + 𝑉´ = −𝜆 2 𝜕𝐸/ 𝜕𝑥
Se a função de ativação for positiva temos despolarizações
Se a função de ativação for
negativa temos hiperpolarizações
Campo
homogénio: não há polarizações
Polarizações devido a gradientes do campo elétrico (ex: neurónios
periféricos) Campo homogénio em
neurónio com dobra: polarização na dobra (ex: neurónios do trato
cortico-espinhal)
Campo homogénio em neurónio que termina: polarização na terminação (ex: interneurónios corticais)
Demonstração experimental TMS
M ec an ism o: gr ad ie n te d o ca m p o. M ec an ism o: d ob ra d o n eu rón io. P. J. Maccabee, V. E. Amassian, L. P. Eberle et al., “Magnetic coilstimulation of straight and bent amphibian and mammalian
peripheral nerve in vitro: locus of excitation,” J Physiol, vol. 460, pp. 201-19, Jan, 1993.
Importância dos diferentes mecanismos
de estimulação em TMS
Os neurónios do sistema nervoso central: ◦ São pequenos
◦ Têm formas complexas (dobram frequentemente)
O mecanismo de gradiente do campo não é
muito relevante devido à pequena dimensão dos neurónios;
As polarizações nas dobras e terminações são mais relevantes: essas polarizações são
proporcionais a 𝜆𝐸.
Em estimulação do sistema nervoso periférico a situação inverte-se.
A presença das heterogeneidades nas
propriedades elétricas dos tecidos influencia
também a estimulação neuronal. S. Standring, Gray's Anatomy: The
Anatomical Basis of Clinical Practice,
39 ed.: Elsevier Churchill Livingstone, 2004.
Importância dos diferentes mecanismos
de estimulação em TMS
Os neurónios do sistema nervoso central: ◦ São pequenos
◦ Têm formas complexas (dobram frequentemente)
O mecanismo de gradiente do campo não é
muito relevante devido à pequena dimensão dos neurónios;
As polarizações nas dobras e terminações são mais relevantes: essas polarizações são
proporcionais a 𝜆𝐸.
Em estimulação do sistema nervoso periférico a situação inverte-se.
A presença das heterogeneidades nas
propriedades elétricas dos tecidos influencia também a estimulação neuronal.
P. J. Maccabee, V. E. Amassian, L. P. Eberle et al., “Magnetic coil stimulation of straight and bent amphibian and mammalian peripheral nerve in vitro: locus of excitation,” J Physiol, vol. 460, pp. 201-19, Jan, 1993.
Importância dos diferentes mecanismos
de estimulação em TMS
Os neurónios do sistema nervoso central: ◦ São pequenos
◦ Têm formas complexas (dobram frequentemente)
O mecanismo de gradiente do campo não é
muito relevante devido à pequena dimensão dos neurónios;
As polarizações nas dobras e terminações são mais relevantes: essas polarizações são
proporcionais a 𝜆𝐸.
Em estimulação do sistema nervoso periférico a situação inverte-se.
A presença das heterogeneidades nas
propriedades elétricas dos tecidos influencia
também a estimulação neuronal. P. C. Miranda, L. Correia, R. Salvador etal., “Tissue heterogeneity as a
mechanism for localized neural stimulation by applied electric fields,”
Phys Med Biol, vol. 52, no. 18, pp.
Importância da variação temporal do
estímulo em TMS
Nos estímulos monofásicos, a primeira fase tem muito maior magnitude do que a segunda fase (100 %-35 %). Logo é mais eficiente.
Nos estímulos bifásicos a segunda fase dura o dobro da primeira e terceira fases, sendo mais eficiente.
Importância da variação temporal do
estímulo em TMS
Nos estímulos monofásicos, a primeira fase tem muito maior magnitude do que a segunda fase (100 %-35 %). Logo é mais eficiente.
Nos estímulos bifásicos a segunda fase dura o dobro da primeira e terceira fases, sendo mais eficiente.
No entanto só há estimulação se o campo induzido na fase mais eficiente estiver na
direção apropriada em relação à dobra e / ou terminação.
A P
Despolarização na dobra Hiperpolarização na dobra
R. Salvador, S. Silva, P. J. Basser et al., “Determining which mechanisms lead to activation in the motor cortex: A modeling study of transcranial magnetic stimulation using realistic stimulus waveforms and sulcal geometry,” Clin
Mecanismos de estimulação neuronal
em tDCS/tACS
Nos sulcos debaixo dos elétrodos existe uma forte componente do campo elétrico
perpendicular à superfície cortical (contrariamente a TMS).
Cátodo
Mecanismos de estimulação neuronal
em tDCS/tACS
Nos sulcos debaixo dos elétrodos existe uma forte componente do campo elétrico
perpendicular à superfície cortical (contrariamente a TMS).
Esse campo induz polarizações abaixo do limiar no potencial de membrana dos neurónios piramidais:
◦ Despolarizações em estimulação anódica;
Ânodo 𝐸
Cátodo
Mecanismos de estimulação neuronal
em tDCS/tACS
Nos sulcos debaixo dos elétrodos existe uma forte componente do campo elétrico
perpendicular à superfície cortical (contrariamente a TMS).
Esse campo induz polarizações abaixo do limiar no potencial de membrana dos neurónios piramidais:
◦ Despolarizações em estimulação anódica;
◦ Hiperpolarizações em estimulação catódica.
Mecanismos de estimulação neuronal
em tDCS/tACS
Nos sulcos debaixo dos elétrodos existe uma forte componente do campo elétrico
perpendicular à superfície cortical (contrariamente a TMS).
Esse campo induz polarizações abaixo do limiar no potencial de membrana dos neurónios piramidais:
◦ Despolarizações em estimulação anódica;
◦ Hiperpolarizações em estimulação catódica.
Roth, B. J. (1994). "Mechanisms for Electrical-Stimulation of Excitable Tissue." Critical Reviews in Biomedical
Mecanismos de estimulação neuronal
em tDCS/tACS
Nos sulcos debaixo dos elétrodos existe uma forte componente do campo elétrico
perpendicular à superfície cortical (contrariamente a TMS).
Esse campo induz polarizações abaixo do limiar no potencial de membrana dos neurónios piramidais:
◦ Hiperpolarizações em estimulação anódica;
◦ Despolarizações em estimulação catódica.
Em tACS a certas frequências há interações das polarizações com atividade oscilatória cortical.
Kanai, R., L. Chaieb, A. Antal, V. Walsh and W. Paulus (2008). "Frequency-Dependent Electrical Stimulation of the Visual Cortex." Current Biology 18(23): 1839-1843.
Aplicações de TMS
O córtex motor é o alvo de estimulação em muitos estudos em TMS:
◦ Utilidades no diagnóstico de doenças neuro-degenerativas ou desordens do movimento;
◦ Estudo dos mecanismos de ação de substâncias.
Estimulação repetitiva (rTMS) está a ser investigada como possível terapêutica em várias desordens psiquiátricas.
Estimulação magnética tem, também, um importante papel em vários estudos
cognitivos.
Há cada vez mais interesse em usar modelos animais em estimulação magnética.
Martin, J. H. (1996). Neuroanatomy. Text and Atlas. Stamford, Appleton & Lange.
Aplicações de TMS
O córtex motor é o alvo de estimulação em muitos estudos em TMS:
◦ Utilidades no diagnóstico de doenças neuro-degenerativas ou desordens do movimento;
◦ Estudo dos mecanismos de ação de substâncias.
Estimulação repetitiva (rTMS) está a ser investigada como possível terapêutica em várias desordens psiquiátricas.
Estimulação magnética tem, também, um importante papel em vários estudos
cognitivos.
Há cada vez mais interesse em usar modelos animais em estimulação magnética.
Aplicações de TMS
O córtex motor é o alvo de estimulação em muitos estudos em TMS:
◦ Utilidades no diagnóstico de doenças neuro-degenerativas ou desordens do movimento;
◦ Estudo dos mecanismos de ação de substâncias.
Estimulação repetitiva (rTMS) está a ser investigada como possível terapêutica em várias desordens psiquiátricas.
Estimulação magnética tem, também, um importante papel em vários estudos
cognitivos.
Há cada vez mais interesse em usar modelos animais em estimulação magnética.
Liebetanz, D., S. Fauser, T. Michaelis, B. Czeh, T. Watanabe, W. Paulus, J. Frahm and E. Fuchs (2003). "Safety aspects of chronic low-frequency transcranial magnetic stimulation based on localized proton magnetic resonance spectroscopy and histology of the rat brain." Journal of Psychiatric Research 37(4): 277-286.
Estimulação do córtex motor primário
A estimulação é alcançada colocando a bobina sobre o córtex motor primário de um dos
Estimulação do córtex motor primário
A estimulação é alcançada colocando a bobina sobre o córtex motor primário de um dos
hemisférios.
Normalmente usa-se uma bobina em forma de 8 com uma orientação perpendicular ao sulco central (PA).
Estimulação do córtex motor primário
A estimulação é alcançada colocando a bobina sobre o córtex motor primário de um dos
hemisférios.
Normalmente usa-se uma bobina em forma de 8 com uma orientação perpendicular ao sulco central (PA).
A resposta é medida ou por eletromiografia ou por medições diretas da atividade elétrica
cortico-espinhal descendente (medições feitas em pacientes durante cirurgia ou com
elétrodos implantados na medula espinhal para alívio da dor crónica).
Estimulação do córtex motor primário
A estimulação é alcançada colocando a bobina sobre o córtex motor primário de um dos
hemisférios.
Normalmente usa-se uma bobina em forma de 8 com uma orientação perpendicular ao sulco central (PA).
A resposta é medida ou por eletromiografia ou por medições diretas da atividade elétrica
cortico-espinhal descendente (medições feitas em pacientes durante cirurgia ou com
elétrodos implantados na medula espinhal para alívio da dor crónica).
D
D I1
I2I3
Di Lazzaro, V., U. Ziemann and R. N. Lemon (2008). "State of the art: Physiology of transcranial motor cortex stimulation." Brain Stimulation 1(4): 345-362.
Medições típicas
Tempo de condução motora central: Período de tempo entre o estímulo e a excitação dos
motoneurónios na medula-espinhal ou tronco cerebral.
Limiar de estimulação motor: “Increase the stimulus intensity at 5% steps until reaching a level which induces reliable (> 100mV) responses in about 50% of 10-20 consecutive stimuli”*
*Rossini PM, Barker AT, Berardelli A, Caramia MD, Caruso G, Cracco RQ, Dimitrijevic MR, Hallett M, Katayama Y, Lucking CH (1994) Electroencephalogr Clin Neurophysiol 91:79--92.
V. Di Lazzaro, A. Oliviero, P. Mazzone et al., “Comparison of descending volleys evoked by monophasic and biphasic magnetic stimulation of the motor cortex in conscious humans,” Experimental Brain Research, vol. 141, no. 1, pp. 121-127, Nov, 2001.
Medições típicas
Tempo de condução motora central: Período de tempo entre o estímulo e a excitação dos
motoneurónios na medula-espinhal ou tronco cerebral.
Limiar de estimulação motor: “Increase the stimulus intensity at 5% steps until reaching a level which induces reliable (> 100mV) responses in about 50% of 10-20 consecutive stimuli”*
Curva de recrutamento: Aumento do tamanho do potencial motor evocado (MEP) em função da intensidade do estímulo.
*Rossini PM, Barker AT, Berardelli A, Caramia MD, Caruso G, Cracco RQ, Dimitrijevic MR, Hallett M, Katayama Y, Lucking CH (1994) Electroencephalogr Clin Neurophysiol 91:79--92.
G. Zanette, P. Manganotti, A. Fiaschi et al., “Modulation of motor cortex excitability after upper limb immobilization,” Clin Neurophysiol, vol. 115, no. 6, pp. 1264-75, Jun, 2004.
Medições típicas
Tempo de condução motora central: Período de tempo entre o estímulo e a excitação dos
motoneurónios na medula-espinhal ou tronco cerebral.
Limiar de estimulação motor: “Increase the stimulus intensity at 5% steps until reaching a level which induces reliable (> 100mV) responses in about 50% of 10-20 consecutive stimuli”*
Curva de recrutamento: Aumento do tamanho do potencial motor evocado (MEP) em função da intensidade do estímulo
Período de silêncio: Pausa da atividade eletromiográfica provocada por TMS. Está relacionada com inibição cortical mediada por recetores GABA-B.
*Rossini PM, Barker AT, Berardelli A, Caramia MD, Caruso G, Cracco RQ, Dimitrijevic MR, Hallett M, Katayama Y, Lucking CH (1994) Electroencephalogr Clin Neurophysiol 91:79--92.
M. Inghilleri, A. Berardelli, G. Cruccu et al., “Silent period evoked by transcranial stimulation of the human cortex and cervicomedullary junction,” J Physiol, vol. 466, pp. 521-34, Jul, 1993.
Paradigmas “paired-pulse”
São paradigmas usados para perceber os
circuitos envolvidos em estimulação do córtex motor
Nestes paradigmas é aplicado um estímulo (estímulo de condicionamento) influencia a resposta ao segundo estímulo (estímulo de teste).
O tipo de resposta depende do intervalo de
tempo entre os estímulos. % u
n co n d iti o n ed ISI (ms) ICF ICI
Plasticidade cerebral
TMS pode ser usada para induzir alterações plásticas no cérebro, o que tem muitas
aplicações terapêuticas potenciais;
rTMS aplicada a altas frequências (>1 Hz) induz aumento da excitabilidade cortical, enquanto que a baixas frequências (<1 Hz) é induzido o contrário.
“Theta burst stimulation” (TBS): Estímulos de muito alta frequência (50 Hz) são aplicados com a frequência típica das onda teta do EEG (5 Hz) .
O paradigma “paired associative stimulation” provoca alterações plásticas (LTP e LTD).
Y. Z. Huang, M. J. Edwards, E. Rounis et al., “Theta burst stimulation of the human motor cortex,” Neuron, vol. 45, no. 2, pp. 201-206, Jan 20, 2005.
Plasticidade cerebral
TMS pode ser usada para induzir alterações plásticas no cérebro, o que tem muitas
aplicações terapêuticas potenciais;
rTMS aplicada a altas frequências (>1 Hz) induz aumento da excitabilidade cortical, enquanto que a baixas frequências (<1 Hz) é induzido o contrário.
“Theta burst stimulation” (TBS): Estímulos de muito alta frequência (50 Hz) são aplicados com a frequência típica das onda teta do EEG (5 Hz) .
O paradigma “paired associative stimulation” provoca alterações plásticas (LTP e LTD).
M. Hallett, “Transcranial magnetic stimulation: a primer,” Neuron, vol. 55, no. 2, pp. 187-99, Jul 19, 2007.
Diagnóstico e patofisiologia
Estudos do tempo de condução motora central são úteis no diagnóstico de doenças desmielinizantes (esclerose múltipla, por exemplo);
AVC: A presença de um MEP na fase aguda é um bom prognóstico; Génese de crises epilépticas e efeitos das drogas epilépticas:
◦ Certo tipos de epilepsias influenciam os resultados obtidos em ICI e ICF
◦ Vigabatrina e gabapentina aumentam a inibição intracortical (ICI)
◦ Carbamazepina, lamotrigina e fenitoína bloqueiam canais de sódio e cálcio e aumentam o limiar de estimulação motor
Distónia: Limiar de estimulação motor permanece inalterado, mas o declive da curva de recrutamento aumenta e há uma inibição da inibição intracortical
Aplicações terapêuticas
Doença de Parkinson:
◦ rTMS aplicada durante 4 semanas em quatro regiões (córtex motor esquerdo e direito e córtex pré-frontal dorso-lateral) produziu diminuições no tempo de reação em doentes com Parkinson que duraram cerca de 1 mês
Distónia:
◦ rTMS de baixa frequência aumenta a inibição cortical e provoca melhorias dos sintomas
AVCs:
◦ rTMS de alta frequência na área ipsilesional aumenta o tamanho dos MEP e aumenta a precisão no desempenho de tarefas motoras
Depressão:
◦ rTMS (alta frequência) no córtex pré-frontal dorso-lateral (estudos de neuro-imagem mostram hipoatividade desta região em pacientes deprimidos) revela-se eficaz.
Lesões virtuais
rTMS pode provocar inibições breves no funcionamento de regiões corticais;
Um estudo demonstrou o aumento da taxa de erros em tarefas motoras complexas (mas não em simples) aquando da estimulação da área motora suplementar;
Inibição do córtex occipital aumentou a taxa de erros na leitura Braille em paciente cegos mas não em voluntários saudáveis.
L. G. Cohen, P. Celnik, A. Pascual-Leone et al., “Functional relevance of cross-modal plasticity in blind humans,” Nature, vol. 389, no. 6647, pp. 180-3, Sep 11, 1997.
Estudos em animais
Estudos em pequenos animais (principalmente ratos) permitem esclarecer os mecanismos de ação de rTMS / TMS / TBS.
Vantagens:
Análises histológicas do cérebro podem
detetar alterações na libertação de neurotransmissores e regulação de genes;
Existem modelos animais para a
depressão, mania e outras doenças neuro-psiquiátricas.
J. D. Weissman, C. M. Epstein, and K. R. Davey, “Magnetic BrainStimulation and Brain Size -Relevance to Animal Studies,” Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, vol. 85, no. 3, pp. 215-219, Jun, 1992.
Estudos em animais
Estudos em pequenos animais (principalmente ratos) permitem esclarecer os mecanismos de ação de rTMS / TMS / TBS.
J. D. Weissman, C. M. Epstein, and K. R. Davey, “Magnetic BrainStimulation and Brain Size -Relevance to Animal Studies,” Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, vol. 85, no. 3, pp. 215-219, Jun, 1992.
Desvantagens:
Resultados não podem ser
imediatamente extrapolados para humanos
O campo elétrico é diferente devido ao quociente: tamanho da bobina /
Combinação de TMS com técnicas de
imagem
TMS + MRI (fMRI): Bobina feita de materiais não magnéticos;
TMS + EEG: Ruído nos elétrodos;
TMS + PET: Blindagem magnética dos fotodíodos.
Aplicações de tDCS/tACS
Muitas das aplicações discutidas previamente em rTMS/TBS estão também a ser estudadas em tDCS/tACS, devido à sua capacidade de alterar a excitabilidade cortical.
tDCS está a ser investigada como alternativa terapêutica em epilepsias focais, dor crónica, depressões,…
Existe um grande interesse em combinar tDCS/tACS com medições de EEG, embora a corrente elétrica induzida interfira com as medições e o artefacto resultante seja difícil de extrair.
tDCS TMS
Nitsche, M. A. and W. Paulus (2000). "Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation." Journal of Physiology-London 527(3): 633-639.
Wassermann, E. M. (1998). "Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996." Electroencephalogr Clin Neurophysiol 108(1): 1-16.
Segurança
TMS é considerada segura. No entanto,
certos parâmetros de estimulação em
EMT podem provocar:
◦
Convulsões(EMTr de alta frequência);
◦
Dor (contração de músculos faciais);
◦
Aumento do limiar de audição
(bobinas fazem barulho!).
Polarização neuronal é considerada
também segura (algumas queimaduras
debaixo dos elétrodos por vezes).
Wassermann, E. M. (1998). "Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996." Electroencephalogr Clin Neurophysiol 108(1): 1-16.
Segurança
TMS é considerada segura. No entanto,
certos parâmetros de estimulação em
EMT podem provocar:
◦
Convulsões(EMTr de alta frequência);
◦
Dor (contração de músculos faciais);
◦
Aumento do limiar de audição
(bobinas fazem barulho!).
Polarização neuronal é considerada
também segura (algumas queimaduras
debaixo dos elétrodos por vezes).
• Danos devido ao efeito de Joule em tecido com pouca perfusão (enfartes) • Aumento da libertação de neurotransmissores (dopamina e seretonina);
Wassermann, E. M. (1998). "Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996." Electroencephalogr Clin Neurophysiol 108(1): 1-16.
Segurança
TMS é considerada segura. No entanto,
certos parâmetros de estimulação em
EMT podem provocar:
◦
Convulsões(EMTr de alta frequência);
◦
Dor (contração de músculos faciais);
◦
Aumento do limiar de audição
(bobinas fazem barulho!).
Polarização neuronal é considerada
também segura (algumas queimaduras
debaixo dos elétrodos por vezes).
• Processo de indução de uma convulsão com impulsos de estimulação individuais abaixo do limiar de geração
Wassermann, E. M. (1998). "Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996." Electroencephalogr Clin Neurophysiol 108(1): 1-16.
Segurança
TMS é considerada segura. No entanto,
certos parâmetros de estimulação em
EMT podem provocar:
◦
Convulsões(EMTr de alta frequência);
◦
Dor (contração de músculos faciais);
◦
Aumento do limiar de audição
(bobinas fazem barulho!).
Polarização neuronal é considerada
também segura (algumas queimaduras
debaixo dos elétrodos por vezes).
Desenvolvimentos futuros
Estão a ser desenvolvidos estimuladores capazes de gerar campos com durações maiores (cTMS);
Pulsos monofásicos
Pulsos bifásicos
Desenvolvimentos futuros
Estão a ser desenvolvidos estimuladores capazes de gerar campos com durações maiores (cTMS);
Estão a ser estudadas formas de aumentar a capacidade de estimular zonas mais profundas (deep brain TMS);
Pulsos monofásicos
Pulsos bifásicos
Desenvolvimentos futuros
Estão a ser desenvolvidos estimuladores capazes de gerar campos com durações maiores (cTMS);
Estão a ser estudadas formas de aumentar a capacidade de estimular zonas mais profundas (deep brain TMS);
Desenvolvimentos futuros
Estão a ser desenvolvidos estimuladores capazes de gerar campos com durações maiores (cTMS);
Estão a ser estudadas formas de aumentar a capacidade de estimular zonas mais profundas (deep brain TMS);
Desenvolvimentos futuros
Estão a ser desenvolvidos estimuladores capazes de gerar campos com durações maiores (cTMS);
Estão a ser estudadas formas de aumentar a capacidade de estimular zonas mais profundas (deep brain TMS);
Pretende-se alcançar visualização em tempo real dos efeitos da estimulação (campo
Referências
Section IV: Transcranial Magnetic
Stimulation in Perception and Cognition
Vincent Walsh
27. TMS and visual awareness , Alan Cowey 28. Higher visual cognition: search, neglect,
attention, and eye movements , Jacinta O'Shea &
Matthew Rushworth
29. Studies of crossmodal functions with TMS , Lofti Merabet & Alvaro Pascual-Leone
30. Motor cognition: TMS studies of action
generation , Simone Schutz-Bosbach, Patrick Haggard,
Luciano Fadiga & Laila Craighero
31. Investigating language organisation with TMS , Joseph T Devlin & Kate E Watkins
32. Higher cognitive functions: memory and
reasoning , Simone Rossi, Stefano F Cappa & Paolo
Maria Rossini
33. Mathematics and TMS , Elena Rusconi & Carlo Umilta