Transcutaneous Spinal Cord stimulation : from a literature review to a proof-of-concept study on healthy subjects

Transcutaneous Spinal Cord Stimulation (tSCS) represents a promising technique in neurorehabilitation aimed at promoting functional recovery of motor skills in patients with neuromuscular disorders. Traditionally used as a technique for the neuromodulation of chronic pain, it has emerged in later years as a tool to enable recovery in individuals characterized primarily by myelopathies. The tSCS involves the direct application of two surface electrodes on the spinal segments that are intended to be stimulated: generally, the cathode is placed in the posterior part, i.e., on the target region, while the anode is affixed on the abdominal wall, thus having a transpinal stimulation. The tSCS bases its effect on the evocation of so-called Posterior Root Muscles reflexes (PRMs), which are reflex responses that are promoted by the excitation of sensory fibers contained in the posterior horns of the spinal cord. These fibers make synapses with motor fibers (motoneurons) residing in the respective anterior horns; activation of said motoneurons leads to activation of muscle districts that are directly innervated by those same fibers. Often this type of stimulation parameters may differ among different case studies, such as position assumed by the subject, position of the stimulation electrodes, Pulse Width, Frequency, Polarity and Amplitude used. The criteria by which the latter is determined are not always clearly described and especially there is no unambiguous protocol for its determination. The purpose of this study was to determine a protocol that can be followed for the evaluation of PRM reflexes according to a threshold identification criterion. 11 healthy subjects were involved in this testing phase: the current amplitude required to evoke at least 50% of the reflex responses with amplitude greater than 50uV in the four examined muscles per leg (Rectus Femoris, Biceps Femoris, Gastrocnemius, Tibialis Anterior) was assessed. In addition, both the Post-activation Depression, an effect manifested by an inhibition of the reflex wave following two or more closely spaced stimuli (35-60ms), and the maximum tolerance endured by the subjects through direct current delivery were evaluated. Noting the results obtained after several attempts, we were able to verify reflex muscle activation through tSCS, promoting its possible use from a clini cal/rehabilitation perspective in subsequent studies as well.

La Stimolazione Transcutanea Spinale (tSCS) rappresenta una tecnica promettente nell’ambito della neurori abilitazione, finalizzata a promuovere un recupero funzionale delle abilità motorie in pazienti affetti da disturbi neuromuscolari. Tradizionalmente utilizzata come tecnica per la neuromodulazione del dolore cronico, si è im posta negli anni successivi come strumento per permettere il recupero a soggetti caratterizzati soprattutto da mielolesioni. La tSCS prevede l’applicazione diretta due elettrodi superficiali sui segmenti spinali che si intende stimolare: generalmente il catodo viene posizionato nella parte posteriore, ossia sulla regione target, mentre l’anodo viene adeso sulla parete addominale, avendo in questo modo una stimolazione transpinale. La tSCS basa il suo effetto sulla evocazione dei così chiamati Posterior Root Muscles reflexes (PRMs), ossia risposte di natura riflessa che vengono promosse dall’eccitazione delle fibre sensoriali contenute nelle corna posteriori del midollo spinale. Tali fibre compiono delle sinapsi con le fibre motorie (motoneuroni) risiedenti nelle rispettive corna anteriori; l’attivazione di suddetti motoneuroni porta all’attivazione dei distretti muscolari che sono direttamente innervati da quelle stesse fibre. Spesso questo tipo di stimolazione viene utilizzata attraverso l’erogazione di treni d’impulsi, con caratteristiche che possono differenziarsi tra i diversi casi di studio, come posizione assunta dal soggetto, posizione degli elettrodi di stimolazione, Pulse Width, Frequenza, Polarità e Ampiezza utilizzata. I criteri con cui quest’ultima viene determinata non sono sempre descritti in maniera chiara e soprattutto non vi è un protocollo univoco per la sua determinazione. Scopo di tale studio è stato quello di determinare un protocollo che possa essere seguito per la valutazione dei riflessi PRM secondo un criterio di identificazione della soglia. Undici soggetti sani sono stati coinvolti in questa fase di test: è stata valutata l’ampiezza di corrente necessaria per evocare almeno il 50% delle risposte riflesse con ampiezza superiore a 50uV nei quattro muscoli(per gamba) esaminati (Retto Femorale, Bicipite Femorale, Gastrocnemio, Tibiale Anteriore). Inoltre, è stata valutata sia la depressione post attivazione, effetto che si manifesta attraverso una inibizione dell’onda riflessa a seguito di due o più stimoli molto ravvicinati (35-60ms), sia la massima tolleranza sopportata dai soggetti attraverso l’invio di corrente continua. Notando i risultati ottenuti dopo diversi tentativi, abbiamo potuto verificare l’attivazione muscolare per via riflessa attraverso la tSCS, promuovendo un suo possibile utilizzo anche dal punto di vista clinico/riabilitativo in studi successivi.