Introdução a técnicas de estimulação neuronal - Moodle

Estimulação neuronal
transcraniana
RICARDO SALVADOR ([email protected])
COMPUTER AIDED PROJECT DESIGN 3 RD YEAR
Conteúdos
Estimulação neuronal: o que é?
Evolução histórica
Princípios físicos e instrumentação
Eletrofisiologia da estimulação
Aplicações, segurança e desenvolvimentos futuros
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
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
• 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
Que tipos de técnicas existem?
O campo elétrico pode ser gerado de duas
formas diferentes:
◦ Elétrodos: Estimulação elétrica
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
Estimulação
elétrica
transcraniana
• Corrente muito intensa mas com curta
duração
Polarização
neuronal
(tDCS/tACS)
• Correntes muito pouco intensas (~1
mA) aplicadas durante muito tempo
(~10 minutos)
Terapia eletroconvulsiva
• Corrente muito intensa mas com curta
duração (aplicada repetidamente
durante várias sessões)
Estimulação
cerebral
profunda
• Elétrodos implantados diretamente no
cérebro
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):
TMS
TMS
TMS
t
Frequência de aplicação: f=1/t
Mas existem diferentes formas
de aplicação dos disparos
simples e de rTMS.
Evolução histórica
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.
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 nãoinvasiva 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:
𝐸 = 𝐸𝑃𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 + 𝐸𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑜
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 Total
𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑀𝑎𝑥
= 27.3 𝑉/𝑚
𝐸𝑃𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 𝑀𝑎𝑥
= 40.3 𝑉/𝑚
27.29
Campo primário (norma)
Campo total (norma)
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 Total
𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑀𝑎𝑥
= 27.3 𝑉/𝑚
𝐸𝑃𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 𝑀𝑎𝑥
= 40.3 𝑉/𝑚
27.29
Campo primário (norma)
Campo total (norma)
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 Total
Campo primário (norma)
Campo total (norma)
O campo elétrico em TMS – Distribuição
espacial (cont.)
||𝐸|| (V/m)
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.)
||𝐸|| (V/m)
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:
𝐼(𝑡)
◦ 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.
𝑑𝐼(𝑡)/𝑑𝑡
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.
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.
Miranda, P. C., M. Lomarev and M. Hallett (2006).
"Modeling the current distribution during transcranial
direct current stimulation." Clin Neurophysiol 117(7):
1623-1629.
Norma da densidade de corrente A/m2
O campo elétrico em tDCS / tDCS
O campo elétrico em tDCS / tDCS
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).
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.
Campo elétrico (norma) V/m
Campo mais fraco que o induzido em TMS
(cerca 1 V/m em comparação com 100 V/m).
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
neurónios.
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.
𝑉𝑚 𝑅𝑒𝑝𝑜𝑢𝑠𝑜
= −70 𝑚𝑉
Potencial de
membrana
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:
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)
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)
◦ Resposta ativa (potenciais de ação)
Teoria do cabo: o neurónio como circuito
elétrico
O comportamento da membrana do neurónio
pode ser modelado como um circuito elétrico:
Meio extracelular
Ie
imz
Membrana
z Ii
z+z
Meio intracelular
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.
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
Constante de
espaço
𝜕𝐸/
𝜕𝑉´
𝜕𝑉´
2
+
𝜏
+
𝑉´
=
−𝜆
𝜕𝑥 2
𝜕𝑡
𝜕𝑥
Constante de
tempo
Função de
ativação de Rattay
Função de ativação
Se o neurónio estiver inicialmente em repouso:
−𝜆2
𝜕𝐸/
𝜕𝑉´
𝜕𝑉´
2
+
𝜏
+
𝑉´
=
−𝜆
𝜕𝑥 2
𝜕𝑡
𝜕𝑥
Se a função de ativação for
positiva temos despolarizações
Se a função de ativação for
negativa temos hiperpolarizações
Campo
homogénio: não
há polarizações
Campo homogénio em
neurónio com dobra:
polarização na dobra (ex:
neurónios do trato corticoespinhal)
Polarizações devido a
gradientes do campo
elétrico (ex: neurónios
periféricos)
Campo homogénio em
neurónio que termina:
polarização na terminação
(ex: interneurónios corticais)
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.
Mecanismo: dobra do neurónio.
Mecanismo: gradiente do campo.
Demonstração experimental TMS
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 et
al., “Tissue heterogeneity as a
mechanism for localized neural
stimulation by applied electric fields,”
Phys Med Biol, vol. 52, no. 18, pp. 560317, Sep 21, 2007.
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.
𝑑𝐼(𝑡)/𝑑𝑡
Importância da variação temporal do
estímulo em TMS
Despolarização na dobra
Hiperpolarização na dobra
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.
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
Neurophysiol, vol. 122, no. 4, pp. 748-758, Apr, 2011.
A
P
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).
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
Cátodo
𝐸
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.
Cátodo
𝐸
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
Engineering 22(3-4): 253-305.
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): 18391843.
Aplicações
Aplicações de TMS
O córtex motor é o alvo de estimulação em
muitos estudos em TMS:
◦ Utilidades no diagnóstico de doenças neurodegenerativas 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 neurodegenerativas 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 neurodegenerativas 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
hemisférios.
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).
Resposta eletromiográfica
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).
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.
D
I1 I3
I2
D
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”*
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.
*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.
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.
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.
*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.
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.
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.
*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.
Paradigmas “paired-pulse”
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.
% unconditioned
São paradigmas usados para perceber os
circuitos envolvidos em estimulação do córtex
motor
ICF
ICI
ISI (ms)
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
Outras aplicações: doença de Parkinson, atáxia, síndroma de Tourette, doença de Alzheimer, …
Aplicações terapêuticas
Doença de Parkinson:
◦ rTMS aplicada durante 4 semanas em quatro regiões (córtex motor esquerdo e direito e córtex préfrontal 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 Brain-Stimulation 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.
 Desvantagens:
 Resultados não podem ser
imediatamente extrapolados para
humanos
 O campo elétrico é diferente devido ao
quociente: tamanho da bobina /
tamanho da cabeça ser maior.
J. D. Weissman, C. M. Epstein, and K. R. Davey, “Magnetic Brain-Stimulation and Brain Size Relevance to Animal Studies,” Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, vol. 85,
no. 3, pp. 215-219, Jun, 1992.
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.
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.
tDCS
TMS
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!).
• Processo de indução
de uma convulsão
com impulsos de
estimulação
individuais abaixo do
limiar de geração
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).
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.
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);
Pulsos
monofásicos
Estão a ser estudadas formas de aumentar a
capacidade de estimular zonas mais profundas
(deep brain TMS);
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
magnético induzido).
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