tDCS: mécanismes d`action

•
Matériel:
– Sondes de stimulation +- focale
– Intensité de stim en % de la
capacité max du condensateur
•
Stimulation du cortex moteur:
• Matériel:
– 2 électrodes éponges
de 25 à 35 cm2,
humidifiées
(eau ou
109
NaCl)
– Sti 0,5 à 2 mA (svt 1
mA)
COLLEGE FRANÇAIS DES ENSEIGNANTS UNIVERSITAIRES DE
PHYSIQUE ET DE
– MEDECINE
Permet d’enregistrer
unREADAPTATION
marqueur
_____________________________________________________________________________________________________________
neurophysiologique:
PEM
ENSEIGNEMENT UNIVERSITAIRE DE MEDECINE PHYSIQUE ET DE READAPTATION
revue neurologique 169 (2013) 108–120
[(Fig._1)TD$IG]
ANNÉE UNIVERSITAIRE
2012-2013
1.
Introduction
ModuleDepuis
5 le début des années 1960, les scientifiques ont tenté de
stimuler le cerveau afin de suppléer certains déficits moteurs
ou cognitifs grâce à différentes techniques telles que la
stimulation cérébrale profonde, la stimulation magnétique
transcrânienne (SMT) ou encore la stimulation transcrânienne
à courant continu (transcranial direct current stimulation –
tDCS). La stimulation cérébrale profonde est utilisée afin de
PROGRAMME
traiter la maladie de Parkinson (Limousin et al., 1995 ; Voon
et al., 2009) et les dépressions sévères résistantes aux
médicaments (Lozano et al., 2008 ; Holtzheimer et Mayberg,
2010). Cependant, ces techniques ne sont pratiquées que dans
les cas extrêmes résistants aux traitements médicamenteux
chez les patients atteints de la maladie de Parkinson et sont
encore au stade expérimental pour les patients souffrant de
dépression sévère (Bewernick et al., 2012). La SMT est connue
pour ses effets dans le traitement de troubles neurologiques
telles que les migraines (Clarke et al., 2006), la dépression
(Padberga et al., 1999) et la dystonie (Havrankova et al., 2010).
Bien que son utilisation ne soit pas encore répandue en
pratique clinique, cette technique a pour avantage principal
d’être non invasive. Les facteurs de risques et complications
sont, dès lors, nettement moindres que ceux provoqués par la
stimulation cérébrale profonde, qui nécessite l’implantation
d’électrodes dans le cerveau. Toutefois, des contre-indications
et effets indésirables persistent. En effet, cette technique peut
induire des crises d’épilepsie, des sensations inconfortables
ou douloureuses, des migraines, et dans le cadre d’une
mauvaise utilisation, elle peut également provoquer des
brûlures cutanées (Rossi et al., 2009). Cependant, depuis la
publication des recommandations de sécurité, aucun effet
secondaire grave n’a été observé. La tDCS est, quant à elle, une
technique de stimulation non invasive utilisant un courant
électrique continu pour moduler l’activité neuronale sousjacente aux électrodes placées sur le scalp des sujets. Plus
précisément, une batterie connectée à deux électrodes, une
anode activatrice et une cathode inhibitrice, envoie un courant
continu d’une amplitude variant de 1 à 2 mA. La taille des
électrodes varie en fonction des protocoles utilisés par les
groupes de recherche ; leur position est fonction de la finalité
de la stimulation. Cette méthode de stimulation est plus
confortable, plus simple d’utilisation et moins coûteuse que la
SMT. Les seules contre-indications sont la présence d’un
pacemaker et l’implantation(s) cérébrale(s) d’objets métalliques (George et Aston-Jones, 2010). En ce qui concerne les
effets immédiats ressentis par les sujets sains et les patients,
aucun effet délétère n’a jamais été objectivé. Seule une partie
de la population peut ressentir des picotements durant les
premières secondes de stimulation ou la sensation d’un flash
de lumière si la stimulation est allumée ou coupée brusquement (Nitsche et al., 2003b). Les premières études ont été
réalisées sur des animaux dans les années 1960. Depuis, la
tDCS a fait l’objet de nombreuses recherches tant chez des
sujets sains que chez des patients atteints de pathologies
diverses telles que la parésie d’un membre ou l’aphasie à la
suite d’un accident vasculaire cérébral (AVC), la maladie de
Parkinson, la maladie d’Alzheimer, la dépression ou la
fibromyalgie (Creutzfeldt et al., 1962 ; Bindmann et al.,
Troubles moteurs au cours des pathologies du système nerveux central
• Effet clinique :
– Picotement initial
– Placebo facile
– Selon site de stim
Dates : 10, 11 et 12 avril 2013
Coordonnateurs : J Luaute, P Decavel
Fig. 1 – Schéma du placement des électrodes (rouge :
Public : internes de Médecine Physique et de Réadaptation – DIU de médecine de rééducation – Accès limité aux seuls pré-inscrits
au
anode ; bleue : cathode)
pour une stimulation du cortex
moteur primaire droit.
module
Plasticité et programmes de
rééducation: TMS et tDCS
Mercredi 10 avril 2013
1964 ; Purpura et McMurtry, 1965). Au sein de cette revue,
nous décrirons les mécanismes d’actions liés à la tDCS. Nous
exposerons ensuite les résultats des précédentes études et
décrirons les principaux effets obtenus sur les capacités
motrices, mnésiques et langagières. Nous discuterons également des effets antidépresseurs et antalgiques de cette
technique (Fig. 1).
10h00 – 12h00 :
Physiopathologie des troubles de la motricité volontaire au cours des affections acquises du système nerveux
central de l’adulte (Yves ROSSETTI)
12h00 – 13h30 :
Croissance, Apprentissage, Restauration, Plasticité cérébrale et adaptation de l’apprentissage moteur
(Gilles RODE)
14h30 – 16h00 :
Plasticité et programmes de rééducation : contrainte induite, stimulation magnétique transcrânienne,
2.1.
Mécanisme d’action
stimulation électrique : (Sophie JACQUIN COURTOIS et Jacques LUAUTÉ)
16h00 - 17h00 :
Imagerie fonctionnelle et système nerveux (Pascal GIRAUX)
Jeudi 11 avril 2012 :
2.
État des connaissances
La tDCS permet de moduler l’activité neuronale grâce à
l’induction d’un débit relativement faible de courant électrique continu à travers le cortex cérébral via deux électrodes,
l’anode et la cathode, placées au niveau du scalp. Selon la
polarité de la stimulation, cette technique induit une
augmentation ou une diminution de l’excitabilité corticale
et de l’activité spontanée des neurones (Jacobson et al., 2012).
L’hyperexcitabilité neuronale de la région stimulée est produite par l’anode qui provoque l’abaissement du seuil de
dépolarisation de la membrane (Purpura et McMurtry, 1965 ;
Jefferys, 1995). Inversement, la cathode induit une augmentation du seuil de dépolarisation et, par conséquent, une
diminution de l’activité neuronale sous-jacente. De manière
générale, l’anode améliore la fonction de l’aire stimulée alors
que la cathode réduit les performances ou n’a aucun effet
(Jacobson et al., 2012). Dans la majorité des protocoles, les
courants utilisés sont de 1 ou 2 mA et sont appliqués durant
cinq à 30 minutes sur une aire corticale spécifique (Been et al.,
2007). Une partie de l’influx est perdu au niveau du scalp et du
crâne (entre 40 et 60 %), le reste du courant atteint le cortex et
ses neurones (Miranda et al., 2006). Les effets instantanés sont
la conséquence de l’hyperexcitabilité neuronale provoquée
par l’anode ou l’hypoexcitabilité induite par la cathode. Les
effets à moyen terme, quant à eux, perdurent environ une
heure (Nitsche et Paulus, 2001) et auraient un lien avec une
activation des récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDA),
8h30 – 10h00 :
Les principales affections cérébro-spinales (Pierre DECAVEL)
10h30 – 11h30 :
Réentrainement à l’effort du patient hémiplégique (Vincent GREMEAUX)
11h30 – 12h30 :
Rééducation du parkinsonien (Jean-Michel GRACIES)
12h30 – 13h30 :
Rééducation de l’hémiplégique : membre supérieur, plasticité, posture et marche (Jean-Michel GRACIES)
14h30 – 16h00 :
Rééducation et réadaptation du traumatisé crânien (Philippe AZOUVI)
16h00 – 17h30 :
États végétatifs, états pauci-relationnels et locked-in syndrome : évaluation et rééducation (Jacques LUAUTÉ)
Pr Sophie JACQUIN-COURTOIS
Hôpital Henry Gabrielle - Hospices Civils de Lyon
Vendredi 12 avril 2012 :
9h00 – 10h30 :
MPR et SEP (Sophie JACQUIN COURTOIS)
10h45 – 12h00 :
Filières de soins, Centres de référence multidisciplinaires dans les maladies et traumatismes du système
nerveux central (Alain YELNIK)
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
2-Applications aux déficits moteurs
3-Applications aux déficits cognitifs
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
2-Applications aux déficits moteurs
3-Applications aux déficits cognitifs
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
Parallèle historique TMS / tDCS
Dès le XIXième siècle
XIXième siècle
Faraday 1791-1867
Priori, 03: tiré de Aldini 1804 TTT
experimental des troubles mentaux avec
des courants galvaniques sur le scalp
E Hitzig,1867: traitement de
la dépression par un courant
électrique continu
D’Arsonval, 1896:
Magnétophosphènes
XXième siècle
Merton et Morton, 1980: la stim électrique
du cortex moteur induit un mouvement chez
le sujet éveillé mais douloureuse ++
Abandon au profit des TTT
médicamenteux
Barker,1985: la stimulation
magnétique du cortex moteur permet
d’induire un mouvement sans douleur
1995 – 2000: développement des
indications thérapeutiques de la rTMS
Dr N André-Obadia
1960: réapparition de la tDCS pour le
traitement de la dépression mais
protocoles et résultats très variables
XXIième siècle
Nitsche, 2000: réhabilitation de la tDCS en
apportant la preuve d’une modulation de
l’excitabilité du cortex moteur
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
Rationnel de l’utilisation de la stimulation transcrânienne
•  Rééquilibrage de la balance interhémisphérique
•  Amélioration des apprentissages
(plasticité synaptique « LTP-like »)
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
Rationnel de l’utilisation de la stimulation transcrânienne
•  Rééquilibrage de la balance interhémisphérique
+
-
Stimulation excitatrice de l’hémisphère lésé
Stimulation inhibitrice de l’hémisphère sain
rTMS fréquence élevée 5-20Hz
tDCS anodique
rTMS 0.2-1Hz
tDCS cathodique
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
Rationnel de l’utilisation de la stimulation transcrânienne
•  Amélioration des apprentissages
(plasticité synaptique « LTP-like »)
tDCS
2.5
M1
+
2
Skill measure
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
Day 1
Day 2
Day 3
Day 4
Day5
Fig. 4. The learning curve for the sham (white diamonds) and anodal (gray
Reisgroups
et al, 2009
squares) tDCS
for the 30 training blocks over 5 days. Each block depicts
the group mean of the averaged number of trials (40 in blocks 1 and 6; 30 in
F
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
⇰TMS
basée sur principe d’induction électromagnétique (Faraday, 1830)
•  années 1990:
outil électrophysiologique
de la mesure de conduction cortico-spinale
stimulation du cortex moteur
→ enregistrement d’un marqueur neurophysiologique PEM
TMS: outil d’évaluation de l’excitabilité corticale
•
de l’excitabilité corticale
Seuil moteur au repos:
– Propriétés membranaires des cellules pyramidales
stimulation par doubles chocs
ISI<5ms: inhibition intra-corticale
ISI 5 à 15 ms: facilitation intra-corticale
Applications en pathologie et pour tester l’effet d’un traitement
ISI 100-150ms:
inhibition
intra-corticale
pharmacologique
ou d’une stimulation
sur l’excitabilité
corticale
•
Stimulation par doubles chocs:
– ISI < 5 ms: inhibition intracorticale / activation d’interneurones GABA A
– ISI 5 à 15 ms: facilitation intracorticale / activation d’interneurones glutamatergiques
– ISI longs (100 - 150 ms): inhibition intracorticale / activation d’interneurones GABA B
activation d’interneurones GABA A
activation d’interneurones Glut
activation d’interneurones GABA B
Applications en pathologie et
pour tester l’effet
-d’un ttt pharmacologique ou
-d’une stimulation
sur l’excitabilité corticale
JP Lefaucheur
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
TMS
•  puis
méthode psychophysiologique indirecte non invasive
d’induction d’une lésion virtuelle transitoire
→ préciser le rôle fonctionnel d’une aire corticale
→ investiguer les interactions temporelles entre 2 régions
M. Lotze / Functional lesions of the motor system with TMS – a challenge for individual functional mapping
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
TMS
•  puis en sa basant sur les expérimentations animales
appliquée sur un mode répétitif rTMS
trains à haute ou basse fréquence
appliqués pdt 10 à 20 mn sur une aire corticale
➽ chgts de plasticité synaptique corticale
dans un objectif physiopathologique
comme potentiel ttt neuromodulateur cortical
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
TMS: les différents modes de stimulation
-selon fréquence:
Haute Fréquence HF
THETA BURST (TBS)
5-20 Hz
stimulation
Basse Fréquence BF
Nouvelle technique de stimulation : Hung et al (2005) 0.2-1 Hz
inhibition
THETA BURST (TBS)
-theta-burst TBS:
s de TBS est répété toutes les 10
3 trains
de rTMS HF (50-100 Hz)
secondes sur une durée totale de 190
secondes (600 pulses). Inhibitrice
à fréquence théta (5 Hz)
imTBS:
Intermediarie
burst
stimulation
(toutes
lestheta
200
ms)
iTBS
stimulation
un
train intermittent
de 5 s de theta
TBS,burst
répété
toutes les
train
de
2
s
de
TBS
est
répété
toutes
les
10
15 s,intermittent
pour une durée totale iTBS
de 110 s stimulation
secondes
sur
une
durée
totale
de
190
(600 pulses) .placebo
secondes
(600 pulses). Inhibitrice
continuous
cTBS inhibition
iTBS intermittent theta burst stimulation un
Nouvelle technique de stimulation : Hung et al
(2005)
train
de 2
cTBS: Intermediarie
continuous Theta Burst Stimulation
imTBS:
theta burst stimulation
Train
ininterrompu
de
40 secondes
train de 5 s de TBS, répété
toutes(600
les
pulses)
.excitarice
15 s, pour une durée totale de 110 s
effets + robustes et + durables
(600 pulses)
.placebo
tps d’application
+ court
19
eil de stimulation
TMS
Courant E
• Matériel:
1-rTMS et tDCS: mécanismes
d’action
– Sondes de stimulation +- fo
– Intensité de stim en % de l
capacité max du condensa
Champ M
nd changement
étique TMS: matériel
Courant E
-sondes de stimulation +/- focales:
, épaisseur:
précision »
•
Stimulation du cortex mot
– Permet d’enregistrer un ma
neurophysiologique: PEM
rond: forte intensité, peu focal
en 8: moins intense, plus focal
sité, peu focaux
nses, plus focaux.
-intensité de la stimulation en % de la capacité max du
condensateur
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
TMS: paramètres physiques de la stimulation
-champ magnétique
perpendiculaire au scalp
Parallèle
rTMS / tDCS
induit un champ électrique CE parallèle
au scalp
activation des axones
deParamètres
même orientation
et
physiques de la stim
(neurones intercorticaux)
Mécanismes d’Action
de la rTMS de la tDCS
CE
Science Museum/Jennie Hills
Ukueberuwa, 2010
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
TMS: mécanismes d’action
-phénomène local:
1 – Phénomène Local : Plasticité Synaptique
plasticité synaptique
similarités avec la LTP et LTD décrites
chez l’animal
• Similarités avec la
LTP – LTD décrite
chez l’animal (cf revue
Stimulation HF intermittente
Cooke, Brain 06):
facilitation à long
terme de la
– Stim HF
transmission chimique
intermittente:
facilitation à long terme
par activation concomitante
des
de la transmission
chimique
par activation
éléments pré et post
synaptiques
concomitante des
LTP
éléments pré- et post-
synaptiques (LTP)
– Stim BF prolongée:
diminution à long
Stimulation BF prolongée
terme de l’efficacité
diminution à long terme
de(LTD)
l’efficacité
synaptique
synaptique
LTD
1-rTMS
et tDCS:
mécanismes
d’action
Arguments
en faveur
de la modulation
de la
plasticité synaptique par la rTMS
TMS: mécanismes d’action
•
rTMS HF (>5 Hz) augmente
rTMS HF
(>5 Hz) corticale (LTPl’excitabilité
augmente
l’excitabilité
Leone, 94) corticale
like) (Pascual
« LTP• like »
rTMS BF (< 1 Hz) diminue
Pascual Leone, 1994
l’excitabilité corticale (LTDlike) (Wasserman, 96; Chen, 97,
Maeda,
rTMS BF
(<12000)
Hz)
• Cesl’excitabilité
effets de la rTMS
sont
diminue
corticale
modulés par les
« LTD like »
antagonistes
ou
Wasserman
1996; Chen, 1997,NMDA
Maeda, 2000
GABA et par une stimulation
effets électrique
modulés précessive
par antagonistes
comme
la
LTP
NMDA ou GABA chez l’animal
Mais pas d’accès aux
mécanismes synaptiques
chez l’homme!
sham
1 Hz
10 Hz
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
TMS: mécanismes d’action
-effets métaboliques distants
rTMS → chgts fonctionnels au sein d’aires corticales
interconnectées
2 – Effets Métaboliques Distants
→ module un réseau fonctionnel distribué corticosous cortical
La rTMS induit des
changements
fonctionnels au sein
d’aires corticales
interconnectées et
module un réseau
fonctionnel distribué
cortico-sous-cortical
Siebner et al, Brain 2003
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
Mécanismes d’Action
la rTMS
utilise un courant de
électrique
continu et de la tDCS
⇰tDCS
• 
pour moduler l’acticité neuronale sous-jacente aux électrodes
placées sur le scalp du sujet
•  batterie connectée à 2 électrodes
une électrode active (région à stimuler) Science Museum/Jennie Hills
soit anode activatrice
soit cathode inhibitrice
Dr Nathalie
André-Obadia
une électrode de référence
(position
neutre)
courant de faible amplitudeNeurologie
1 à 2 mA Fonctionnelle et
Epileptologie
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
tDCS: matériel
Présentation des techniques
-taille des électrodes dépendantes des protocoles utilisés
2 électrodes éponges de 25 à 35 cm2 humidifiées
(eau ou NaCl)
TMS
tDCS
-stimulation de 0.5 à 2 mA (le plus souvent 1 mA)
Matériel:
– Sondes de stimulation +- focale
– Intensité de stim en % de la
capacité max du condensateur
Stimulation du cortex moteur:
• Matériel:
– 2 électrodes éponges
– Permet d’enregistrer un marqueur
de 25 à 35 cm2,
neurophysiologique: PEM
humidifiées
(eau ou
-position des électrodes fonction de la finalité
de la stimulation
NaCl)
– Sti 0,5 à 2 mA (svt 1
mA)
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
Parallèle rTMS / tDCS
tDCS: paramètres
physiques
de la stimulation
Paramètres
physiques
de la stimulation
-courant électrique continu
0.5 à 2 mA
Sur 25 à 35 cm2
20 à 80 uA/cm2
-aucun PA
neuronal
CE
1 uA/cm2
Conductivité du LCR
> celle du cortex
Ukueberuwa, 2010
-modulation de la probabilité des neurones d’être activés
• de
Courant
électrique continu (I <
par chgtmagnétique
du pot de mb le long
leur axe
• Champ
SM)
-↑ou↓du
seuil deau
dépolarisation
de la mb
– perpendiculaire
scalp
– Aucundans
PA neuronal
-effet
sélectif
les neurones
orientés
le plan du champ
– Induit
un CEpour
parallèle
au
– Modulation de la probabilité des
scalp
électrique
neurones d’être activés par
• Activation des axones de
changement du pot de mb le long
même orientation ie
1-rTMS et tDCS: mécanismes d’action
tDCS: mécanismes d’action
incertitudes…
-action pré et post synaptique?
-population neuronale stimulée?
fonction de la polarité et position des électrodes
animal:
neurones corticaux activés par stim anodale, inhibés par stim cathodique
neurones corticaux profonds dans les sillons: inverse!
effet dépendant de la géométrie et conductivité individuelle
variable selon angle éponge-tête