Influence de la géométrie des nerfs périphériques et de l’anatomie locale sur la constante de temps de stimulation magnétique

Introduction

Les champs de gradient d’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) à commutation rapide peuvent générer des champs électriques suffisamment puissants pour provoquer une stimulation nerveuse périphérique (SNP), limitant ainsi la vitesse d’imagerie et l’amélioration de la résolution. Les courbes d’intensité-seuil de stimulation en fonction de la durée sont largement utilisées pour caractériser les seuils de stimulation des formes d’ondes périodiques, et sont modélisées par la constante de temps (Chronaxie) et la tension de base (Rhéobase). Les normes de sécurité actuelles de l’IRM dépendent d’une seule valeur de constante de temps pour représenter la réaction de tous les nerfs. Cependant, les résultats expérimentaux montrent que les valeurs de la constante de temps des nerfs périphériques varient d’un ordre de grandeur. En raison de cette grande variabilité et de l’importance de cette valeur dans les modèles de sécurité de l’IRM, il est crucial de comprendre les mécanismes qui conduisent aux variations de la constante de temps.

Origine de l’étude

Cette étude a été réalisée par Natalie G. Ferris, Valerie Klein, Bastien Guerin, Lawrence L. Wald et Mathias Davids, membres du programme de biophysique de l’Université Harvard, du département des sciences de la santé de Harvard-MIT, et de l’École de médecine de Harvard. L’article a été publié dans le Journal of Neural Engineering.

Procédure de recherche

Méthodologie

Les chercheurs ont utilisé un modèle de stimulation nerveuse périphérique basé sur des dynamiques électromagnétiques et nerveuses couplées pour évaluer l’influence de la géométrie sur la variation de la constante de temps. Ils ont étudié l’influence de la position de la bobine de champ magnétique par rapport au corps, des caractéristiques anatomiques locales, et du trajet nerveux sur la fonction de conduite et la constante de temps.

L’étude a suivi les étapes suivantes : 1. Modèle SNP électromagnétique-neurodynamique : D’abord, prédiction du champ électrique induit par une bobine donnée dans un modèle corporel, projection du champ électrique sur une carte nerveuse et intégration des résultats pour obtenir le potentiel le long du nerf. Ensuite, calcul de la réponse des neurones dans l’environnement neural. 2. Sujets de recherche : Utilisation de deux modèles de jambe différents, un modèle réaliste et un modèle simplifié de forme cylindrique. Étude de l’influence de la position et de l’angle axial de la bobine sur la constante de temps et la tension de base.

Analyse des résultats

1. Modèle de jambe réaliste : En faisant varier la position de la bobine par rapport à la jambe en z et l’angle de rotation, les chercheurs ont étudié l’impact de ces variations sur les seuils de SNP et leurs constantes de temps et tensions de base respectives pour différents nerfs.
2. Modèle de jambe simplifié : Analyse de l’impact des différents paramètres géométriques (tels que l’angle de courbure, le rayon, la longueur et la hauteur des espaces intra-osseux) sur le champ électrique, la constante de temps, et la tension de base.

Résultats principaux

Modèle de jambe réaliste

Changer la position et l’angle de rotation de la bobine influençait de manière significative le seuil de SNP. À certaines positions, le nerf le plus sensible se décalait, entraînant des changements dans la constante de temps et la tension de base. Par exemple, lorsque la bobine était déplacée de z=0m à z=0.1m, le nerf le plus sensible évoluait du nerf fibulaire commun au nerf fibulaire médial, le seuil augmentant de 72mT à 157mT et la constante de temps diminuant de 459μs à 317μs.

Modèle de jambe simplifié

Ce modèle simplifié a permis aux chercheurs de mieux comprendre l’influence du trajet des nerfs et des caractéristiques anatomiques locales sur la formation du champ électrique. Par exemple, augmenter l’angle de courbure (à rayon de courbure constant) réduisait la constante de temps, tandis qu’augmenter le rayon de courbure (à angle constant) augmentait la constante de temps. Dans le modèle d’espace intra-osseux, la longueur et la hauteur des espaces influaient de manière significative sur la forme des “points chauds” du champ électrique, ainsi que sur leur constante de temps et leur tension de base.

Analyse de la fonction de conduite

La fonction de conduite (Driving Function, DF) a été utilisée pour déterminer la réponse des différentes caractéristiques géométriques aux variations du champ électrique. Par exemple, les nerfs courbés avec un petit rayon de courbure (comme 1mm) avaient une pente de champ électrique plus raide, produisant une DF de plus grande amplitude et, par conséquent, une constante de temps plus courte.

Variations du potentiel de membrane induites par le champ électrique

En calculant les variations du potentiel de membrane induites par le champ électrique, les chercheurs ont analysé l’impact des différentes caractéristiques géométriques sur les variations temporelles de ce potentiel. Dans certains contextes géométriques, le taux d’accumulation et de dissipation de la charge affectait le seuil de stimulation et la constante de temps. Par exemple, les nerfs courbés avec un petit rayon de courbure de 1mm comparés à ceux avec un grand rayon de courbure de 9mm avaient des différences notables dans leurs constantes de temps, malgré des différences initiales de charge similaires.

Conclusions et significations

Cette étude montre que l’un des mécanismes provoquant la variation de la constante de temps de la stimulation magnétique de l’IRM réside dans la manière dont la charge générée par le mode de stimulation est déposée et distribuée le long de l’axone. Pour des nerfs avec des paramètres physiologiques et intrinsèques fixes, la vitesse de dissipation du potentiel de membrane transitoire influe sur le seuil de stimulation et la constante de temps. Cette recherche révèle qu’en améliorant la compréhension des mécanismes de variation de la constante de temps, il est possible de mieux caractériser les seuils réels de SNP et de rehausser les normes de sécurité de l’IRM et de l’IMR.

Points forts de l’étude

1. Clarification de l’influence des trajets nerveux et de l’anatomie locale sur la constante de temps.
2. Établissement d’un cadre de prédiction du SNP basé sur un modèle couplé électromagnétique-neurodynamique.
3. Identification du taux de dissipation de la charge comme facteur fondamental dans la variation de la constante de temps.

Valeur de recherche

Ces résultats sont significatifs pour les méthodes actuelles de surveillance de la sécurité des gradients, révélant les limites de l’utilisation d’une valeur unique de constante de temps pour définir les seuils de sécurité de la SNP, et soulignant l’importance d’utiliser des données expérimentales détaillées ou des modèles corporels réalistes pour capturer les variations de la constante de temps. L’objectif à long terme de cette recherche est de comprendre les sources de variation de la constante de temps afin de refléter plus précisément les caractéristiques corporelles des patients, la position et le type de bobine, et ainsi d’optimiser les normes de sécurité pour l’IRM et l’IMR.