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Publication . 2010

Influences of the stimulus intensity and the cortico-spinal efferencies

Abhängigkeit von der Stimulationsintensität und von der kortiko-spinalen Efferenz
Neumann, Friederike;
Open Access
German
Published: 01 Jan 2010
Publisher: Freie Universität Berlin
Country: Germany
Abstract

Die Aktivierung kortikaler Netzwerke nach Reizung des Motorkortex (M1) durch Einzelpuls TMS wurde durch verschiedene Methoden der funktionellen Bildgebung (funktionelle Kernspintomographie, funktionelle Positron Emissions Tomographie) nachgewiesen. Dabei konnte anhand der hämodynamischen Antwort dargestellt werden, dass TMS nicht nur im primären Motorkortex, dem Fokus der Stimulation, Aktivitätsänderungen hervorruft, sondern einen Einfluss auf die damit verbundenen kortikalen und subkortikalen Areale ausübt. Im Gegensatz zu den relativ einheitlichen Ergebnissen bei der Aktivierung konnektiver Areale, sind die Ergebnisse zur Antwort in M1 - also am Ort der primären Stimulation - widersprüchlich: Es wird sowohl ein Anstieg (Aktivierung) als auch einen Abfall (Deaktivierung) des rCBF berichtet. Zudem gibt es Arbeiten, die gar keine hämodynamischen Veränderungen nachweisen. Es konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass überschwellige Einzelpuls-TMS im primär stimulierten Areal eine vaskuläre Antwort erzeugt, die dem Muster einer „physiologischen“ funktionellen Aktivierung des Motorkortex entspricht. Schwellige Stimulation hingegen führte zu keiner signifikanten Oxygenierungsänderung im stimulierten Areal. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der Literatur, in der sich ab Intensitäten ≥110% RMT einheitlich ein rCBF-Anstieg findet, der sich unterhalb dieser Grenze nur unzuverlässig (in weniger als 50% der Studien über M1, siehe Abbildung 13) nachweisen lässt. Im Vergleich der verschiedenen in der Literatur berichteten Ergebnisse fällt weiterhin auf, dass auch innerhalb einer Intensität unterschiedliche rCBF- Änderungen auftreten, die sich nicht immer durch die Unterschiede in den externen Stimulationsparametern erklären lassen. Dies weist auf die Bedeutung weiterer Faktoren für den Effekt der Stimulation hin, welche als kontextsensitive Modulatoren des efferenten Signals eingeordnet werden können. Ein Beispiel hierfür ist das Maß der kortikalen Grundaktivität, messbar z.B. durch MEPs. In der vorliegenden Studie wurde zum ersten Mal das motorisch- evozierte Potential simultan mit einer funktionellen Bildgebungsmethode (funktionelle Nahinfrarot-Spektroskopie) aufgezeichnet und beides miteinander korreliert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass auch bei überschwelliger Stimulation nur im Zusammenhang mit großen MEP-Amplituden signifikante hämodynamische Änderungen auftreten. Dies beleuchtet die entscheidende Rolle der bei Stimulation vorhandenen kortikalen Aktivität für das Maß der erzeugten neuronalen und damit auch hämodynamischen Aktivierung. Es erscheint aufgrund unserer Ergebnisse wichtig, in zukünftigen Studien nicht allein die Intensität der Stimulation sondern auch detailliertere Angaben zur Efferenz berichten.

In the last years a variety of studies using functional imagery (fMRI, PET) could show neuronal activation patterns due to single pulse TMS of the motor cortex (M1). At this, hemodynamic response has not only been detected at the site of stimulation itself (M1) but also in remote cortical and subcortical areas connected with the motor cortex. In contrast to the rather consistent results regarding the acitvation of the connected areas, the findings under the coil are somewhat contradictory: Both an increase (activation) and a decrease (deactivation) of the regional cerebral bloodflow (rCBF) have been reported. Other studies could not find any hemodynamic changes at all. In the present study we could show that a suprathreshold stimulus elicits a neuovascular response pattern under the coil that is similar to the changes during "physiological" functional acitvation of the motor cortex. Threshold stimulation, on the other hand, does not induce any significant hemodynamic changes in the stimulated area. These findings are in line with the literature where increases of rCBF are consistently to be found at intensities ≥110% of the resting motor threshold (RMT) but only in 50% of the studies stimulating M1 with threshold or subthreshold intesities. Another striking point regarding literature is, that even studies using the same stimulation paradigm report different rCBF-changes. In those cases, extern stimulation parameters are not sufficient to explain the differing results. This draws attention to the meaning of other context-sensitive modulators on the effect of the stimulation. One example is the cortical excitability which can be measured as motor-evoced potential (MEPs). In the present study, for the first time, MEPs have been recorded simultaneously with functional imagery (Near-infrared spectroscopy). Correlating the data with one another, we could show that, even at suprathreshold TMS, significant hemodynamic responses only occur in connection with high MEP-amplitudes. These findings highlight the important impact of the cortical activation level during the stimulation on the induced neuronal and thus hemodynamical acitivation. According to our results, it seems crucial for further studies not only to report variations of the stimulus-intensity but also to give detailed information about the induced cortico-spinal efferencies.

Subjects

610, TMS, motor cortex, near-infrared spectroscopy, motor-evoced potential (MEPs), 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit

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