Desenvolvimento de Protocolos de Neuronavegação para Estudos de Estimulação Magnética Transcraniana e suas Aplicações em Voluntários Controle e Pacientes com Acidente Vascular Cerebral

Abstract

Objetivos – A estimulação magnética transcraniana (TMS, do inglês: Transcranial Magnetic Stimulation) e as imagens funcionais por ressonância magnética (fMRI, do inglês: functinal Magnetic Resonance Imaging) são duas técnicas não invasivas de investigação de atividade do sistema nervoso central. Porém essas duas técnicas utilizam estratégias diferentes para mensurar a atividade cerebral, sendo que a TMS avalia a resposta elétrica enquanto que a fMRI a resposta hemodinâmica. Nosso intuito nesse trabalho foi criar ferramentas para a comparação dessas duas técnicas no mapeamento do córtex motor, bem como utilizando as ferramentas desenvolvidas, fazer uma comparação dos mapas motores de pacientes com AVC com sujeitos assintomáticos, e nesses dois grupos, também realizar uma avaliação nos efeitos no córtex motor da eletroestimulação sensorial (SES, do inglês: Sensory Electric Stimulation) pelas técnicas de TMS e fMRI. Métodos – Paro o mapeamento vetorial do campo magnético produzido pela bobina de TMS utilizamos fantomas que simulavam o tecido cerebral e realizamos medidas de imagens de ressonância magnética (MRI, do inglês: Magnetic Resonance Imaging) de fase em três direções para a construção do mapa vetorial. Uma vez dominada a técnica de mapeamento por imagens de fase, a utilizamos para auxiliar na construção de bobinas para estimulação periférica e pequenos animais. Para realização do mapeamento do córtex motor com TMS desenvolvemos um sistema de neuronavegação (Neuronavegador InVesalius) e um programa para análise dos sinais de eletromiografia (MEPHunter), bem como um segundo programa para fazer o corregistro dos mapas de produzidos pela TMS com os mapas de fMRI (TMSProjection). Em posse dessas ferramentas, pudemos realizar o mapeamento do córtex motor de pacientes com AVCi crônicos. Para tanto estimulamos uma área quadrada de 25cm2 do escalpo sobre o córtex motor e coletamos o potencial evocado nos músculos abdutor curto do polegar ipsi e contralateral à TMS, e nos músculos flexor e extensor radial do carpo, contralaterais à TMS. Para a realização das fMRIs realizamos um paradigma eventorelacionada com um protocolo de abrir e fechar a mão. Por fim avaliamos os efeitos da SES à 3Hz com um única sessão de 30 minutos, realizando medidas de potencial evocado e fMRI imediatamente antes e imediatamente após à SES. Resultados – O sistema de neuronavegação juntamente com o conjunto de programas computacionais possibilitou a realização dos estudos clínicos. Nossos dados mostraram uma correlação maior entre os mapas de MEP e os mapas de fMRI nos sujeitos normais do que nos pacientes com AVC, principalmente no hemisfério afetado. Nossos resultados também sugerem que a SES pode provocar modulação na excitabilidade cortical, causando redução da excitabilidade cortical das regiões motoras, quando aplicados na frequência e duração utilizadas nesse estudo. Conclusão – O mapeamento de campo magnético por MRI é uma boa alternativa para medir campos complexos e pode ser utilizado no desenvolvimento de novas bobinas de estimulação magnética. O neuronavegador Invesalius, o MEPHunter e o TMSProjection são ferramentas poderosas para estudos em neuroimagens podendo ser ampliado seu uso para outras áreas como neurologia e fisioterapia. Quanto aos estudos clínicos acreditamos que o fator que mais colabora para a pior correlação dos mapas dos pacientes é a redução de fibras corticoespinhais e a plasticidade, e que a SES aplicada a 3Hz em uma única sessão tem um efeito agudo de redução da excitabilidade do córtex motor.

Background and Purpose - Transcranial magnetic stimulation (TMS) and functional magnetic resonance images (fMRI) are two noninvasive techniques to investigate the central nervous system activity. These two techniques use different strategies to measure brain activity, once the TMS evaluates the electrical response while the fMRI studies hemodynamic response. Our purpose in this study was to create tools for the comparison of these two techniques for mapping the motor cortex. Latter, using these tools, we compared the motor maps of stroke patients and healthy subjects. Furthermore, we evaluated the effects of electrical stimulation in the sensory motor cortex (SES) by TMS and fMRI techniques. Methods - In order to map the magnetic field vector produced by the TMS coil, we used phantoms that simulated brain tissue and performed measurements of magnetic resonance phase images in three directions, in this way, composing the vector map. Then, we used this technique for helping to build small coils for peripheral and small animals stimulation. For the TMS mapping, we developed a neuronavigation system (InVesalius neuronavigator) and a program to analyze the electromyogram responses (MEPHunter). Secondly, a program to coregister the TMS and fMRI maps (TMSProjection) was created. Using these tools, we mapped the motor cortex of the chronic ischemic stroke patients. For this, we stimulated a square scalp area of 25cm2 over the motor cortex and collected the motor evoked potential (MEP) in the abductor pollicis brevis, ipsilateral and contralateral to TMS, and the flexor and extensor carpi radialis, contralateral to TMS. FMRI was also acquired using an event-related paradigm where the volunteers were asked to open and close their hand. Finally, we evaluated the effects of 3Hz SES in a single 30-minute session, performing measurements of TMS and fMRI before and immediately after the SES. Results - The neuronavigation system and the developed software made possible clinical studies. We also found a higher correlation between the MEP and fMRI maps in normal subjects than in stroke patients, especially in the affected hemisphere. Additionally, Our results suggested that SES may cause reduction in cortical excitability of motor regions, when applied with the frequency and duration used in this study. Conclusion - The magnetic field MRI mapping is an efficient alternative for complex fields measuring and can be utilized in the development of new TMS coils geometry. The neuronavigator InVesalius, MEPHunter and TMSProjection are powerful tools for neuroimaging studies and other areas as neurology and physiotherapy. We believe that the most important factor that contributes to the correlation decrease between the MEP and fMRI maps of the patients is the reduction of functional corticospinal fibers and the plasticity of motor areas. In this sense, the 3 Hz SES showed to be a potential technique as therapy in spastic patients.