Die transkranielle Kortexstimulation mit Magnetfeldpulsen: Methodische und physiologische Grundlagen

Summary

The recently introduced method of painless transcranial brain stimulation using magnetic pulses has proved to be particularly suitable for exciting the motor cortex in conscious humans. The magnetic pulse is generated by a brief current pulse which passes through the stimulating coil (Fig. 2), and the time varying magnetic field induces stimulating currents within the brain (Fig. 4). Experimental evidence indicates that transcranial magnetic stimulation as opposed to electrical brain stimulation activated corticospinal neurones transsynaptically. With a circular stimulating coil centered near the vertex, upper limb muscles of the right side are preferentially activated with the inducing current clockwise viewed from above and vice versa. For the leg muscles the optimal position of the coil on the scalp is more critical and varies from subject to subject. Voluntary contraction of the target muscle reduces the threshold stimulus intensity, increases the amplitude (Fig. 6) and shortens the latency (Fig. 7) of the evoked compound muscle action potentials (CMAPs). This facilitatory effect of background muscle activity is most pronounced in the small hand muscles, where only a slight contraction is sufficient to greatly enhance the responses. In a relaxed small hand muscle facilitation of the responses can also be achieved by contraction of either the homologous contralateral or a neighbouring ipsilateral muscle (Fig. 8). Even in relaxed state, the CMAPs show an inherent variability which is not related to the subjects's motor readiness or mental state in any obvious way, provided the muscles' relaxed state is ascertained. The stimulus strength affects the amplitudes but not the latencies of the responses over a relatively wide range of suprathreshold intensities.

Zusammenfassung

Die schmerzlose transkranielle Hirnstimulation mit Magnetfeldimpulsen bewährt sich in erster Linie für die Reizung des motorischen Kortex beim Menschen. Der Magnetfeldimpuls wird durch einen Strompuls generiert, welcher durch eine Reizspule fließt und dadurch im Schädelinnern die Reizströme induziert. Aufgrund zahlreicher experimenteller Daten müssen wir annehmen, daß die magnetische Kortexstimulation, im Gegensatz zur elektrischen, die großen Pyramidenzellen einschließlich transsynaptisch reizt. Mit einer kreisförmigen Reizspule ungefähr über dem Vertex werden die Muskeln der rechten oberen Extremität bevorzugt erregt, falls der induzierende Strom in der Spule von oben gesehen im Uhrzeigersinn fließt und umgekehrt. Für die Erregung der Beinmuskeln ist die optimale Spulenposition und -Orientierung etwas kritischer als für die Armmuskeln und zeigt zudem eine größere interindividuelle Variabilität. Eine willkürliche Vorinnervation des Zielmuskels erniedrigt die kortikale Reizschwelle, erhöht die Amplitude des vom Muskel abgeleiteten Summenpotentiales und verkürzt deren Latenz. Dieser fazilitierende Effekt ist bei den kleinen Handmuskeln am ausgeprägtesten, indem dort schon eine geringe Vorinnervation genügt, um die Reizantworten gewaltig zu vergrößern. Auch im gespannten Muskel zeigen die zentral-motorisch evozierten Potentiale eine inhärente Variabilität, welche in keiner offensichtlichen Beziehung zur „inneren motorischen Bereitschaft” oder zum psychischen Zustand gebracht werden können, falls die Muskeln des Probanden völlig entspannt sind. Die Reizstärke beeinflußt vor allem die Amplitude der Reizantworten, während deren Latenzen über einen relativ weiten Bereich der Reizintensität konstant bleiben.

Key words:

Magnetic Stimulation - Transcranial Stimulation - Motor cortex - Motor evoked potentials - Corticospinal system