Rate-coding of spinal motoneurons with high-frequency magnetic stimulation of human motor cortex

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Abstract:

Rate-coding in spinal motoneurons was studied using high-frequency magnetic stimulation of the human motor cortex. The subject made a weak contraction to cause rhythmic (i.e., tonic) discharge of a single motor unit in flexor (or extensor) carpi radialis or tibialis anterior, while the motor cortical representation of that muscle was stimulated with brief trains of pulses from a Pyramid stimulator (4 Magstim units connected by 3 BiStim modules). An "m@n" stimulus train consisted of m number of pulses (1–4), with an interpulse interval (IPI) of n ms (1–6). Peristimulus time histograms were constructed for each stimulus condition of a given motor unit, and related to the average rectified surface electromyography (EMG) from that muscle. Surface EMG responses showed markedly more facilitation than single-pulse stimulation, with increasing numbers of pulses in the train; responses also tended to increase in magnitude for the longer IPI values (4 and 6 ms) tested. Motor-unit response probability increased in a manner comparable to that of surface EMG. In particular, motoneurons frequently responded twice to a given stimulus train. In addition to recruitment of new motor units, the increased surface EMG responses were, in part, a direct consequence of short-term rate-coding within the tonically discharging motoneuron. Our results suggest that human corticomotoneurons are capable of reliably following high-frequency magnetic stimulation rates, and that this activity pattern is carried over to the spinal motoneuron, enabling it to discharge at extremely high rates for brief periods of time, a pattern known to be optimal for force generation at the onset of a muscle contraction.Key words: Human, single motor unit, repetitive transcranial magnetic stimulation, rate-coding, high-frequency stimulation, corticomotoneuron, peri-stimulus time histogram.

Le codage numérique dans les motoneurones spinaux a été étudié par stimulation magnétique à haute fréquence du cortex moteur de l'être humain. Le sujet a produit une faible contraction pour causer une décharge rythmique (c.-à-d. tonique) d'une seule unité moteur dans le flexor (ou extensor) carpi radialis ou dans le tibialis anterior, pendant que la représentation motrice corticale de ce muscle était stimulée par de brefs trains d'impulsions à l'aide d'un stimulateur Pyramid (4 unités Magstim reliées par 3 modules BiStim). Un train d'impulsions « m@n » consistait en un nombre m d'impulsions (1 – 4), et en un intervalle entre les impulsions (IP) de n ms (1 – 6 ms). Des histogrammes temporels péri-stimulus ont été bâtis pour chacune des conditions de stimulation d'une unité motrice donnée et ont été liés à l'EMG de surface rectifié moyen de ce muscle. Par comparaison à la stimulation à une seule impulsion, les réponses de l'EMG de surface ont indiqué une facilitation accrue à mesure que le nombre d'impulsions dans le train augmentait; la magnitude des réponses a augmenté en général aussi pour les valeurs les plus longues de l'IP (4 et 6 ms) mises à l'essai. La probabilité de réponse de l'unité motrice s'est accrue de façon comparable à celle de l'EMG de surface. Les motoneurones, en particulier, ont fréquemment réagi 2 fois à un train d'impulsions donné. Outre le recrutement de nouvelles unités motrices, les réactions accrues de l'EMG de surface ont été, en partie, la conséquence directe du codage numérique à court terme dans le motoneurone pendant la décharge tonique. Nos résultats semblent indiquer que les motoneurones du cortex de l'être humain peuvent de façon fiable suivre la stimulation magnétique à haute fréquence et que cette activité est transmise au motoneurone spinal, ce qui lui permet de décharger à des fréquences extrêmement élevées pendant de brèves périodes, une situation dont on sait qu'elle est optimale pour la génération de la force au début de la contraction d'un muscle.Mots clés : Être humain, une seule unité motrice, stimulation magnétique transcraniale répétitive, codage numérique, stimulation à haute fréquence, motoneurone cortical, histogramme temporel péri-stimulus.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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