DOI: https://doi.org/10.1038/s41551-026-01684-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42120752
تاريخ النشر: 2026-05-12
المؤلف: Rodolfo Keesey وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة
طرق
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بالتحقيق في تأثيرات أشكال التحفيز ثنائية الطور المختلفة على التحفيز الشوكي عبر الجلد (tSCS) المحيطي والعنقي. تم اختبار سبعة أشكال مختلفة من التحفيز، بما في ذلك شكل تحفيز تقليدي مدته 2 مللي ثانية وأشكال KHF متعددة مدتها 1 مللي ثانية، باستخدام جهاز تحفيز تيار ثابت تم تعديله لتقديم هذه الأشكال المحددة. تضمنت الإعدادات التجريبية وضع الأقطاب الكهربائية على فقرات معينة لاستهداف تجمعات الخلايا الحركية، مع تسجيل استجابات EMG من عضلات مختلفة في الساق والذراع اليمنى. ظل المشاركون مستلقين ومسترخين أثناء التحفيز، وتمت إعدادات الجلد وفقًا للبروتوكولات المعتمدة.
قام الباحثون بتقييم عتبات الإدراك الحسي وأقصى شدة تحفيز يمكن تحملها لكل من شكل التحفيز التقليدي 2 مللي ثانية وأشكال KHF 1 مللي ثانية عبر إعدادات tSCS المختلفة. تم تعريف عتبات الإدراك الحسي على أنها الحد الأدنى من الشدة التي أدرك فيها المشاركون التحفيز لأول مرة، بينما تم الوصول إلى تحمل الألم قبل الوصول إلى هضبة في الاستجابات الحركية في عدد كبير من مجموعات البيانات. تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام نماذج مختلطة خطية عامة لمقارنة تأثيرات الأشكال المختلفة وإعدادات التحفيز، مع تطبيع العتبات إلى عتبات التنشيط المقابلة لاستجابات الحركة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آليات التجنيد لأشكال التحفيز التقليدية وأشكال التردد العالي (KHF) من خلال تحفيز العصب الظنبوبي المختلط في 12 فردًا غير معاق، باستخدام استجابات electromyographic (EMG) للتفريق بين تجنيد الألياف الحسية الحركية والألياف الحركية. تم تكملة الإعداد التجريبي بنموذج حسابي يدمج طرق العناصر المحدودة ونماذج المحاور، مما يسمح بتحليل ثوابت الزمن للقوة-المدة الحرجة للتعديل العصبي. كشفت النتائج أن أشكال KHF، التي تتميز بمراحل متناوبة سريعة، تتطلب شدة تحفيز أعلى بكثير لاستثارة استجابات العضلات مقارنة بالأشكال التقليدية، التي تنشط بشكل تفضيلي الألياف الحسية الحركية بسبب ثوابت الزمن للقوة-المدة الأطول.
أشارت النتائج إلى أن أشكال KHF تنشط الألياف من خلال عملية تجميع تحت العتبة مضطربة، حيث تتعارض المراحل المفرطة الاستقطاب مع الاستقطاب اللازم لتوليد جهد الفعل. تؤدي هذه الآلية إلى عتبات أعلى لردود الفعل H مقارنة بالأشكال التقليدية، مما يشير إلى أن أشكال KHF قد لا تستهدف بشكل فعال المسارات الحسية الحركية الضرورية للتعافي الوظيفي في إعادة التأهيل العصبي. بالإضافة إلى ذلك، بينما ارتبطت أشكال KHF بتحسينات في الوظيفة الحركية في الدراسات السريرية، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى اعتبار دقيق لبارامترات التحفيز، داعية إلى الإبلاغ عن عتبات تنشيط العضلات جنبًا إلى جنب مع تيارات التحفيز لفهم تأثيراتها بشكل أفضل في السياقات العلاجية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على آليات التجنيد المميزة للألياف الحسية الحركية والألياف الحركية عند استخدام أشكال KHF مقارنة بالأشكال الثنائية التقليدية. وجدت الدراسة أن أشكال KHF تتطلب شدة تحفيز أعلى لاستثارة ردود الفعل H وM، مما يشير إلى اختلاف كبير في العمليات الأساسية للتجنيد. تم تحديد عمليات تجميع تحت العتبة المقطوعة، حيث تعيق التيارات المتناوبة في أشكال KHF الاستقطاب الفعال، مما يتطلب فترات زمنية أطول للأشكال لتحقيق استجابات عتبية. أكدت التحليلات الإحصائية أن الأشكال التقليدية كانت لها عتبات أقل لاستثارة الاستجابات، مما يشير إلى تجنيد أكثر كفاءة للألياف الحسية الحركية مقارنة بالألياف الحركية.
علاوة على ذلك، أظهرت الأبحاث أن أشكال KHF تؤدي إلى زيادة التفاعل المشترك للألياف الحركية، مما قد يؤدي إلى تصادمات أكبر مع الاستجابات التي تبدأها الألياف الحسية الحركية. قامت الدراسة بتحديد التجنيد النسبي لهذه الألياف باستخدام نسبة عتبة M/H ونسبة H_max/M_max، كاشفة أن الأشكال التقليدية تنشط الألياف الحسية الحركية بشكل تفضيلي عند عتبات أقل. في tSCS العنقي، أشارت النتائج إلى أن تجنيد الألياف الحركية يلعب دورًا أكبر مقارنة بـ tSCS القطني، حيث يتم الوساطة في الاستجابات بشكل أساسي بواسطة الألياف الحسية الحركية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية اختيار الشكل في استراتيجيات التعديل العصبي، لا سيما في تحسين تجنيد أنواع الألياف المحددة للتطبيقات العلاجية.
القيود
تسلط قيود الدراسة الضوء على عدة جوانب حاسمة تتعلق بنماذج المحاور المحاكاة المستخدمة، والتي تم اختيارها بناءً على قدرتها على التمييز بين الألياف الحسية الحركية والألياف الحركية بناءً على خصائص القوة-المدة. على الرغم من تطبيقها الواسع في الدراسات الحسابية لبرامج تحفيز الحبل الشوكي (SCS)، تم ملاحظة اختلافات بين منحنيات القوة-المدة المرجعية لهذه النماذج وتلك المبلغ عنها في الأدبيات الحالية. لتحسين قابلية تطبيق النموذج، يُوصى بإجراء مزيد من الأبحاث، لا سيما تحت ظروف تجريبية متنوعة، حيث قد يؤدي التحفيز المستمر إلى إدخال آليات إضافية لتجنيد الألياف.
علاوة على ذلك، تؤكد الدراسة على الاختلافات في تقنيات حجب توصيل الأعصاب، حيث تتطلب الأشكال الجيبية أو التقليدية شدة تحفيز أعلى بكثير مقارنة بأشكال KHF المستخدمة في إعادة التأهيل العصبي المدعوم بـ tSCS، والتي تعمل عند ترددات حاملة وشدات أقل. بينما يقترح المؤلفون أن حجب توصيل الأعصاب عبر أشكال KHF غير مرجح، فإن التفاعلات بين tSCS المستمر وإطلاق الألياف الطبيعية تتطلب مزيدًا من الاستكشاف. بالإضافة إلى ذلك، ركزت الأبحاث على المشاركين غير المعاقين، مما قد لا يمثل الديناميات بشكل كامل في الأفراد الذين يعانون من إصابة في الحبل الشوكي (SCI). في مثل هذه الحالات، يمكن أن تؤثر قابلية الإثارة الشوكية المعدلة على ردود الفعل الانعكاسية، مما قد يؤدي إلى تفسيرات خاطئة بشأن مساهمات الألياف الحركية في الأفراد الذين يعانون من SCI والتشنج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41551-026-01684-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42120752
Publication Date: 2026-05-12
Author(s): Rodolfo Keesey et al.
Primary Topic: Transcranial Magnetic Stimulation Studies
Methods
In this study, the authors investigated the effects of various biphasic stimulation waveforms on peripheral and cervical transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS). Seven different stimulation waveforms were tested, including a 2-ms conventional waveform and multiple 1-ms KHF waveforms, using a constant current stimulator modified to deliver these specific waveforms. The experimental setup involved placing electrodes on specific vertebrae to target motoneuron pools, with EMG responses recorded from various muscles in the right leg and arm. Participants remained supine and relaxed during the stimulation, and skin preparation followed established protocols.
The researchers assessed sensory perception thresholds and maximum tolerated stimulation amplitudes for both the 2-ms conventional and 1-ms KHF waveforms across different tSCS setups. Sensory perception thresholds were defined as the minimum amplitude at which participants first perceived stimulation, while pain tolerance was reached before a plateau in motor responses in a significant number of datasets. Statistical analyses were conducted using generalized linear mixed models to compare the effects of the different waveforms and stimulation setups, normalizing the thresholds to their corresponding activation thresholds for motor responses.
Results
In this study, the recruitment mechanisms of conventional and kilohertz-frequency (KHF) waveforms were investigated through mixed tibial nerve stimulation in 12 unimpaired individuals, utilizing electromyographic (EMG) responses to differentiate between proprioceptive afferent and motor efferent fiber recruitment. The experimental setup was complemented by a computational model that incorporated finite element methods and axon models, allowing for an analysis of strength-duration time constants critical for neuromodulation. The findings revealed that KHF waveforms, characterized by rapid alternating phases, require significantly higher stimulation intensities to elicit muscle responses compared to conventional waveforms, which preferentially activate proprioceptive afferents due to their longer strength-duration time constants.
The results indicated that KHF waveforms activate fibers through a disrupted subthreshold summation process, where the hyperpolarizing phases counteract depolarization necessary for action potential generation. This mechanism leads to higher thresholds for H-reflexes compared to conventional waveforms, suggesting that KHF waveforms may not effectively target proprioceptive pathways essential for functional recovery in neurorehabilitation. Additionally, while KHF waveforms have been associated with improvements in motor function in clinical studies, the study emphasizes the need for careful consideration of stimulation parameters, advocating for the reporting of muscle activation thresholds alongside stimulation currents to better interpret their effects in therapeutic contexts.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the distinct recruitment mechanisms of proprioceptive afferent and motor efferent fibers when using KHF waveforms compared to conventional biphasic waveforms. The study found that KHF waveforms necessitate higher stimulation intensities to elicit H-reflexes and M-waves, indicating a significant difference in the underlying recruitment processes. Specifically, interrupted subthreshold summation processes were identified, where the alternating currents in KHF waveforms hinder effective depolarization, requiring longer waveform durations to achieve threshold responses. Statistical analyses confirmed that conventional waveforms had lower thresholds for eliciting responses, suggesting a more efficient recruitment of proprioceptive afferents relative to motor efferents.
Furthermore, the research demonstrated that KHF waveforms lead to increased coactivation of motor efferent fibers, which may result in greater antidromic collisions with proprioceptive afferent-initiated responses. The study quantified the relative recruitment of these fibers using the M/H threshold ratio and the H_max/M_max ratio, revealing that conventional waveforms preferentially activate proprioceptive afferents at lower thresholds. In cervical tSCS, the findings indicated that motor efferent recruitment plays a more substantial role compared to lumbar tSCS, where responses are primarily mediated by proprioceptive afferents. Overall, the results underscore the importance of waveform selection in neuromodulation strategies, particularly in optimizing the recruitment of specific fiber types for therapeutic applications.
Limitations
The limitations of the study highlight several critical aspects regarding the simulated axon models used, which were chosen for their ability to differentiate between proprioceptive afferent and motor efferent fibers based on their strength-duration properties. Despite their widespread application in computational studies of spinal cord stimulation (SCS) paradigms, discrepancies were noted between the reference strength-duration curves of these models and those reported in existing literature. To improve the model’s applicability, further research is recommended, particularly under varied experimental conditions, as continuous stimulation may introduce additional mechanisms for fiber recruitment.
Moreover, the study emphasizes the differences in nerve conduction block technologies, where sinusoidal or conventional waveforms require significantly higher stimulation amplitudes compared to the KHF waveforms used in tSCS-assisted neurorehabilitation, which operate at lower carrier frequencies and amplitudes. While the authors suggest that nerve conduction block via KHF waveforms is unlikely, the interactions between continuous tSCS and natural afferent firing necessitate further exploration. Additionally, the research focused on unimpaired participants, which may not fully represent the dynamics in individuals with spinal cord injury (SCI). In such cases, altered spinal excitability can affect reflex responses, potentially leading to misinterpretations regarding the contributions of motor efferent fibers in individuals with SCI and spasticity.