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TMS
(Stimulation magnétique transcrânienne)


Introduction

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique qui permet de stimuler sans douleur le cerveau humain en alternant rapidement un champ magnétique induit dans une bobine de fil de cuivre placée sur la tête. Le champ magnétique est généré par un courant qui circule à travers une bobine de fil isolée dans une gaine de plastique.Le courant engendre un champ magnétique qui à son tour induit un courant secondaire dans une toute petite partie du cerveau. L’effet de la TMS est de moduler (amplifier ou diminuer) temporairement (quelques secondes à quelques minutes) l’activité d’une petite partie de votre cerveau (quelques millimètres carrés).



Historique

C’est en 1831 que Michael Faraday, un physicien anglais, découvrit le principe d’induction électromagnétique (Noohi & Amirsalari, 2016). Ce principe stipule qu’un champ magnétique changeant rapidement d’orientation produit un courant électrique dans un élément conducteur à proximité (Figure 1). Ce principe est à la base de la stimulation magnétique transcrânienne moderne. Suite à la découverte du principe de l’induction électromagnétique, plusieurs expériences furent conduites dans le but d’induire des effets physiologiques en utilisant des champs magnétiques chez des animaux et des humains. Toutefois, les résultats furent limités car l’utilisation d’un champ magnétique sans un courant alternatif n’induit pas de courant électrique dans un élément conducteur avoisinant (Walsh & Pascual-Leone, 2003).




Figure 1. Expérience de Faraday qui a mené à la découverte de la loi sur l’induction magnétique. Source : Lassat (n. d.).


En 1896, Arsène d’Arsonval, un physicien français, documenta l’induction de phosphènes (c.-à-d. la sensation de voir une lumière ou de percevoir des tâches dans le champ visuel) par un champ magnétique pulsé chez des êtres humains (Figure 2). Toutefois, il induisit également des vertiges et des syncopes chez ces participants. Au cours des décennies suivantes, plusieurs chercheurs, dont Berthold Beer, Silvanus Phillips Thompson, Knight Dunlap ainsi que C. E. Magnusson et H. C. Stevens se penchèrent sur le phénomène des magnéto-phosphènes. En 1959, Alexander Kolin et ses collègues furent les premiers à observer en laboratoire une contraction musculaire dans le nerf sciatique d’une grenouille suite à la stimulation magnétique de ce nerf. Par la suite, Bickford et Fremming démontrèrent chez l’être humain des contractions musculaires suite à l’induction de courants par champ magnétique. Ce n’est qu’en 1985, qu’Anthony Barker, un chercheur à l’University of Sheffield en Angleterre développa avec son équipe le premier stimulateur qui fut utilisé en clinique et en recherche (Walsh & Cowey, 2000). Baker et collaborateurs furent les premiers à documenter des mouvements de la main induits par la stimulation magnétique transcrânienne et l’activité électrique qui y est associée, mesurée au moyen de l’électromyographie (EMG) (Miniussi, Paulus, & Rossini, 2012; Walsh & Pascual-Leone, 2003). Depuis la création du premier stimulateur, plusieurs avancées technologiques ont contribué au développement des stimulateurs utilisés de nos jours en clinique et en recherche.



Figure 2. Arsène D’arsonval et les premières expériences de TMS. Source : Bureau, Chardin, and Vieau (n. d. )



Depuis les 30 dernières années, la TMS a gagné en popularité tant en clinique qu’en recherche. En 2002, la SMT répétitive fut approuvée par Santé Canada pour l’utilisation clinique et en 2008 par l’Agence américaine de surveillance des produits alimentaires et des médicaments (FDA; Noohi & Amirsalari, 2016). En clinique, la TMS est un outil thérapeutique utilisé pour le traitement de certaine troubles neurologiques et psychiatriques (p. ex. dépression, schizophrénie; McNamara, Ray, Arthurs, & Boniface, 2001) puisque celle-ci peut induire des changement à long terme au niveau de l’excitabilité et de la connectivité de réseaux neuronaux (Ziemann, 2017). En recherche, la TMS s’est avérée être un outil important en neurosciences afin de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau et de la moelle épinière chez des participants sains et chez des participants souffrant de troubles neurologiques ou psychiatriques.


Afin de minimiser les risques associés à la TMS, des accords internationaux pour la sécurité lors de l’utilisation de la TMS ont été publiés:


International Workshop on the Safety of rTMS, 1998

Révisions des recommandations en 2009 par Rossi et al



Mécanismes d’action de la TMS

L’impulsion électromagnétique induite par un courant électrique de haute intensité, bref et rapidement variable est capable de créer un potentiel d’action ou un potentiel postsynaptique (excitateur ou inhibiteur) dans les neurones localisés sous la bobine (Figure 3; Terao & Ugawa, 2002; Valero-Cabré, Pascual-Leone, & Coubard, 2011) . Les stimulateurs et les bobines qui sont utilisés aujourd’hui sont capables d’induire un champ magnétique de 1.5 à 2 tesla qui peut atteindre les neurones qui se trouvent à environ 1.5 ou 2 cm de la surface du crâne. 


Figure 3. Mécanismes d’action de la SMT. Source : Bureau et al. (n. d. )



L’effet de la stimulation dépend de la région stimulée mais également des paramètres de stimulation. Cet effet peut être inhibiteur ou facilitateur sur le fonctionnement de la région mais également sur le plan de la réponse comportementale observée. La nature et l’intensité des effets induits par la TMS varient en fonction de plusieurs facteurs :

  1. Le nombre d’impulsions;
  2. L’intervalle entre les impulsions et entre les trains d’impulsions;
  3. L’intensité de la stimulation;
  4. Le Protocole de stimulation :
    • Protocole de TMS à impulsion unique : une impulsion unique est appliquée à des intervalles d’au moins 4 secondes. Un exemple de protocole de TMS à impulsion unique est celui utilisé lorsqu’on chercher à établir le seuil moteur d’une personne (Figure 4).  Lorsqu’on stimule une région du cortex moteur primaire (M1) à une certaine intensité, un potentiel évoqué moteur (PEM) dans les muscles du corps controlatéral peut être enregistré à l’aide d’un électromyogramme (EMG). On définit le seuil moteur au repos (resting motor threshold en anglais) comme étant l’intensité minimale requise afin qu’une réponse motrice puisse être enregistrée sur l’EMG dans au moins 5 essais sur 10 à une intensité minimale de 50 µV.
    • Protocole de TMS répétitive (rTMS) classique : protocole où des impulsions ou des rafales d’impulsions sont appliquées à des intervalles de 2 secondes ou moins. La TMS répétitive peut être appliquées à basse fréquence (< 1 Hz) ou haute fréquence (5-25 Hz).  Les protocoles de rTMS à haute fréquence ont généralement un effet facilitateur sur l’excitabilité corticale et les protocoles à basse fréquence ont un effet inhibiteur.
    • Protocole de TMS répétitive « patterned » : protocole où des rafales d’impulsions sont appliquées à haute fréquence à un intervalle prédéterminé. Le protocole « theta-burst » est un exemple de TMS répétitive « patterned » où des rafales de 3 impulsions à une fréquence de 50 Hz sont appliquées à un intervalle de 5 Hz, c’est-à-dire à toutes les 200 millisecondes.  La stimulation « quadripulse » est un autre exemple de TMS répétitive « patterned » où une rafale de 4 impulsions (intervalle entre les impulsions d’une même rafale peut varier de 1.5 ms à 100 ms) est appliquée à une fréquence de 0.2 Hz pendant 30 minutes (Nakamura et al., 2016)



Figure 4. Mécanismes d’action de la SMT sur le cortex moteur. Source: Klomjai, Katz, and Lackmy-Vallee (2015)



Le moment ou la stimulation est appliqué peut également avoir un impact sur les effets de la stimulation. En effet, l’état neurocognitif du participant (state dependency en anglais) peut influencer les effets comportementaux observés (Sandrini, Umilta, & Rusconi, 2011). Par exemple, Silvanto et collègues (2007) ont démontré qu’en utilisant un protocole d’adaptation pour moduler l’état d’excitabilité d’une population de neurones localisés dans le cortex visuel primaire, il était possible d’induire des phosphènes d’une certaine couleur, c’est-à-dire que la couleur du phosphène perçu était la même que celle du stimulus à lequel les participants avaient été habitué avant la stimulation. 


De plus, plusieurs modalités de stimulation ont été développées pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau:

1. Stimulation pendant une tâche (« online TMS ») : des impulsions simples ou des rafales d’impulsions sont appliquées pendant que les participants réalisent une tâche. Pendant les protocoles de stimulation en ligne, des impulsions simples ou des rafales d’impulsions sont appliquées au même moment pendant tous les essais ou à différents moments. Lorsque les impulsions sont appliquées à différents moments, on parle d’études chronométriques. Ces études nous permettent de disséquer le décours temporel de processus cognitifs ou sensoriels d’intérêt. Par exemple, au cours d’une tâche de mémoire verbale, la stimulation pourrait être appliquée de manière précoce durant l’encodage des stimuli et puis plus tard au moment de la récapitulation articulatoire afin de déterminer si une aire du cerveau est plus impliquée dans la première ou la deuxième étape.

2. Stimulation avant/après une tâche (« offline TMS ») : des impulsions sont appliquées avant ou après que les participants aient réalisé une tâche. Le plus souvent, il s’agit de protocoles de TMS répétitive classique ou « patterned ». La stimulation est envoyée avant la tâche afin d’inhiber le fonctionnement d’une aire, et la tâche est réalisée ensuite. On comparera alors la performance avant et après la stimulation pour déterminer si une aire est impliquée dans une tâche.

Les effets de la TMS sur la plasticité synaptique

Des études chez l’animal (de Labra et al., 2007; Valero-Cabre, Payne, Rushmore, Lomber, & Pascual-Leone, 2005) et chez l’humain (Chouinard, Van Der Werf, Leonard, & Paus, 2003) ont démontré que la TMS induit des effets locaux (c’est à dire, des effets dans la région stimulée) et des effets distaux, c’est-à-dire dans des régions éloignées. La TMS peut moduler l’activité neuronale de régions éloignées par le biais de leur connectivité avec la région stimulée.


De plus, la TMS peut avoir des effets synaptiques à court terme (changement au niveau de l’excitabilité neuronale qui dure quelques minutes voire quelques heures dans certains cas, selon les paramètres de stimulation utilisés) et des effets synaptiques à long terme (p. ex. quelques jours, quelques semaines). Un exemple d’effet à long terme est la potentiation à long terme (LTP). La LTP est un type de plasticité synaptique par lequel, suite à l’activation d’une synapse, l’efficacité synaptique est modifiée. Les mécanismes associés à la LTP sont reliés à la coactivation des récepteurs postsynaptiques suite au relâchement du neurotransmetteur glutamate par le neurone présynaptique (Wassermann et al., 2008). Malgré l’importance de la LTP, très peu d’études ont été conduites sur les mécanismes de plasticité synaptique chez les êtres humains car, contrairement à la stimulation électrique d’un neurone chez l’animal, la TMS induit des effets relativement faibles et variables sur des populations de neurones et non des cellules individuelles.


De récents protocoles de theta-burst semblent être plus prometteurs afin d’étudier la LTP chez les humains.



Équipement

Un système de TMS comprend des blocs d’alimentation, des capaciteurs, une unité centrale ainsi qu’une bobine de stimulation. Les blocs d’alimentation génèrent une charge électrique qui est accumulée dans les capaciteurs. Lorsqu’une impulsion est libérée, les capaciteurs libèrent une proportion de la charge accumulée qui est déterminée par l’intensité de la stimulation. Cette charge est transmise à la bobine où un champ magnétique est généré par le courant électrique qui circule à travers celle-ci. Une unité centrale contrôle les paramètres de stimulation tels que la fréquence des impulsions (mesurée en Hertz [Hz]), l’intensité (pourcentage par rapport à la puissance maximale de l’appareil), et le décours temporel de la stimulation (essais avec ou sans stimulation)



Figure 5. Exemple d’un laboratoire de TMS (Image fournie par P. Tremblay)


       A. Système de neuronavigation

Des systèmes de neuronavigation modernes sont offerts par plusieurs fabricants (Rogue Resolutions (https://www.rogue-resolutions.com/), Syneika (https://www.syneika.fr/home/), Magstim (https://www.magstim.com/), Neurosoft (http://neurosoft.com/en/), ANT Neuro (https://www.ant-neuro.com/), and MAG & More GmbH http://magandmore.com/en/). Les systèmes de neuronavigation sont utilisés afin d’augmenter la précision et la fiabilité de la stimulation. Les systèmes de neuronavigation sont composés d’un logiciel de visualisation d’image par résonance magnétique du cerveau et d’un système de capture optique. Un exemple de ce type de système est fourni à la Figure 6.


Figure 6. Équipement pour la TMS. Source : Rogue Research Inc, 2018


       B. Types de bobines

Il existe plusieurs types de bobines. La résolution spatiale de la stimulation magnétique transcrânienne est associée au type de bobine utilisé. Plus la bobine est petite, plus la stimulation sera spatialement sélective. Toutefois, plus la bobine est petite plus le champ magnétique induit est petit réduisant ainsi la puissance et l’étendue de la pénétration (Deng, Lisanby, & Peterchev, 2014) .  Les deux types de bobines les plus souvent utilisées sont les bobines circulaires et les bobines figure en huit (Figure 7). Les bobines circulaires entrainent une stimulation peu focalisée alors que les bobines en figure en huit entrainent une stimulation plus focalisée (Figure 7). Il existe toutefois d’autres types de bobines telles que les bobines en forme de cloche (double cone coil en anglais) et les bobines en forme H (H coil en anglais). Ces deux types de bobine sont utilisés lors de protocole de stimulation cérébrale profonde. En général, plus la bobine est grosse, plus la résolution spatiale est diminuée mais on peut atteindre des neurones plus éloignés de la surface du crâne.  


Figure 7. Différents types de bobine. A. Bobine en forme de huit; B. Bobine circulaire; C. Bobine en forme de cloche. Source : Magstim (2018).



Considérations de sécurité

Assurez-vous que votre étude les respecte les recommandations de sécurité. C’est votre responsabilité.


TMS à impulsion unique
Le risque le plus sérieux associé à la TMS est d’induire des convulsions. Les convulsions sont le résultat d’un excès soudain d’activité électrique dans le cerveau. Cela empêche temporairement les neurones de communiquer normalement. Pour la TMS à impulsion unique aucun cas de convulsion chez des individus en santé n’a été rapporté. Pour des individus en santé, la TMS à impulsion unique est donc considérée comme sécuritaire et sans risque.

TMS répétitive classique et « patterned »

Les effets secondaires possibles associés à la TMS sont (1) Convulsions, (2) Mal de tête, (3) Audition altérée, et (4) Habileté cognitive altérée (p. ex. attention ou concentration et changement de l’humeur.
  • Convulsions
    Pour la TMS répétitive, le risque d’induire des convulsions est légèrement plus élevé mais néanmoins très faible. Au total, ~8 cas de convulsions ont été signalés depuis que la TMS est utilisée. Considérant que le nombre de personnes ayant participé à de telles études dépasse maintenant largement le millier, cela signifie que plus de 99% des participants n’ont pas expérimenté de convulsions. Il est important de mentionner que les convulsions se sont produites chez des individus à risque, c’est-à-dire des individus avec une histoire personnelle d’épilepsie ou autres problèmes neurologiques. Au moment où ces incidents se sont produits, pour la plupart dans les années 1990, le risque inhérent à ces conditions médicales pour la TMS répétitive n’était pas connu. Depuis 1998, des normes rigoureuses de sécurité ont été adoptées. Ces normes déterminent les paramètres sécuritaires à l’intérieur desquels la TMS répétitive peut être pratiquée en toute sécurité et établissent également qui peut participer à de telles études. Depuis l’établissement de ces normes, aucun épisode de convulsion n’a été rapporté.
  • Mal de tête
    Un autre effet secondaire potentiel est la possibilité d’induire une céphalée temporaire (mal de tête) de courte durée (une dizaine de minutes à quelques heures) de type tension localisée au site ayant reçu la stimulation. Il a été estimé qu’environ 20% de tous les participants souffrent de mal de tête à la suite d’une expérience de TMS répétitive.
  • Audition altérée
    La TMS répétitive produit des bruits pouvant excéder les 100 dB SPL près de la bobine (ce qui correspond à peu près à l’intensité du bruit d’un klaxon), lors de la décharge. Ces bruits peuvent être inconfortables pour certains participants. Cependant, une étude menée chez des humains a démontré que la TMS répétitive n’entraîne aucune perte auditive. Néanmoins, il est suggéré de demander au participant et aux expérimentateurs de porter des écouteurs/bouchons pour limiter l’exposition au bruit.
  • Cognition altérée et changement de l’humeur
    Les risques associés à une altération temporaire au niveau de la cognition et de l’humeur sont liés aux effets cumulatifs des séances répétées de TMS répétitive dans le cadre d’applications thérapeutiques chez des populations atteintes de maladies psychiatriques et neurologiques.

Principales les contre-indications à la TMS répétitive:

À cause des risques associés avec la TMS répétitive, il est nécessaire de prendre certaines précautions. C'est pourquoi les participants doivent obligatoirement remplir un questionnaire détaillé afin de détecter toute contre-indication (ex : conditions médicales, prédisposition à développer un trouble cognitif ou une maladie) à la passation de cet examen.
  • Une grossesse;
  • Une histoire personnelle ou familiale d’épilepsie, de convulsion ou de syncope ;
  • Un accident cardio-vasculaire, un traumatisme crânien sévère avec perte de connaissance ou une maladie ayant causé des dommages au cerveau (p.ex. aneurisme, tumeur, méningite) ;
  • Un stimulateur (ou pacemaker) ou défibrillateur cardiaque ou une prothèse valvulaire cardiaque (une prothèse au cœur) ou un neurostimulateur ;
  • Une pompe à médicament ne pouvant être retirée en toute sécurité sur un période d'au moins une heure;
  • La présence de métal dans votre crâne (p.ex. un clip sur anévrisme cérébral (un clip dans un vaisseau sanguin du cerveau), d’une prothèse métallique ou de tiges (suite à une chirurgie) ;
  • Un implant cochléaire ou oculaire (un implant dans l’oreille ou dans l’œil) ;
  • Des piercings qu’il est impossible de retirer pour l’examen ;
  • L’insomnie reliée à un trouble médical ou à la prise de médicaments ;
  • Un problème de dépendance (drogue, médicaments ou alcohol) ;
  • L’utilisation d’agents psycho pharmacologiques :
    • Médicaments antipsychotiques (neuroleptiques et tranquillisants majeurs) ;
    • Médicaments antipsychotiques (neuroleptiques et tranquillisants majeurs) ;
    • Médicaments antidépresseurs ;
    • Médicaments anti-anxiété (anxiolytiques) ; 
    • Médicaments anti-maniaques (lithium).


Bibliographie

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