Comparison of “standard” and “navigated” procedures of TMS coil positioning over motor, premotor and prefrontal targets in patients with chronic pain and depression

Since about 15 years, transcranial magnetic stimulation (TMS) is used as a technique to investigate the function of specific cortical regions. Single pulse TMS studies have targeted the dorsolateral premotor cortex (dlPMC) to characterize premotor–motor interactions in movement disorders. Repetitive TMS (rTMS) trials have targeted the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) to treat depression. In almost all previous studies, these targets have been defined according to a “standard” scalp distance to the site of stimulation evoking motor responses of maximal amplitude in the contralateral hand (“hand motor hotspot” corresponding to the primary motor cortex, M1). The “standard” procedure of coil positioning locates the dlPMC and dlPFC as 2–3 and 5 cm, respectively, anterior to the “hand motor hotspot”. The aim of our study was to compare the locations of M1, dlPMC and dlPFC targets provided by the “standard” procedure of coil positioning and those provided by using a neuronavigation system integrating individual brain magnetic resonance imaging (MRI). Twenty-two patients were enrolled, all being treated for depressive symptoms in the context of chronic pain syndrome. The centers of the dlPMC and dlPFC regions were accurately targeted by the “standard” procedure in 14 and eight patients (64 and 36% of the series), respectively. In the other patients, the “standard” procedure located the dlPMC target on the M1/dlPMC border and the dlPFC target on the dlPMC/dlPFC border. On average, the MRI-guided location of M1, dlPMC, and dlPFC was, respectively, 6.1 mm posterior, 31.7 mm anterior and 69.0 mm anterior to the “hand motor hotspot”. The “standard” procedure failed to accurately locate the dlPMC and dlPFC targets by about 1 and 2 cm, respectively. A statistical analysis of the MRI coordinates (x, y, z) of the targets revealed that the M1 target was more posterior, the dlPMC target more superficial and the dlPFC target more anterior, lateral, and deeper, using neuronavigation compared to the “standard” procedure. This study confirms that the “standard” procedure of coil positioning is not accurate to target a desired cortical region. Target location can be improved by the use of a navigation system taking individual brain anatomy into account. The present results incline to be cautious on the pathophysiological interpretations of previous results reported in TMS studies based on “standard” targeting, e.g. regarding premotor–motor interactions. Similarly, the inaccuracy of the “standard” procedure of coil positioning could partly explain the between-study variability of the therapeutic effects produced by rTMS in patients with depression. Our results strongly support a more anterior and lateral placement of the TMS coil for dlPFC stimulation in the treatment of depression. Depuis 15 ans environ, la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est utilisée pour explorer la fonction de différentes régions corticales. Des travaux de SMT ont ainsi ciblé le cortex prémoteur dorsal (CPMdl) pour caractériser ses interactions avec le cortex moteur primaire (M1) dans les mouvements anormaux. Des travaux de SMT répétitive (SMTr) ont ciblé le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFdl) pour traiter la dépression. Dans la plupart de ces études, les cibles étaient définies selon une distance « standard » mesurée sur le scalp par rapport au site de stimulation évoquant des réponses motrices maximales dans la main controlatérale (« hot spot moteur » correspondant à M1). Selon la procédure « standard » de positionnement de la bobine, le CPMdl et le CPFdl se situent respectivement 2–3 et 5 cm en avant du « hot spot moteur ». Le but de notre étude était de comparer la localisation d’une cible dans M1, le CPMdl et le CPFdl par la procédure « standard » et par l’utilisation d’un système de neuronavigation intégrant les données individuelles d’imagerie cérébrale par résonance magnétique (IRM). Vingt-deux patients furent recrutés, tous étant traités pour des symptômes dépressifs dans le contexte d’un syndrome douloureux chronique. Le CPMdl et le CPFdl furent correctement ciblés par la procédure « standard » chez 14 et huit patients (64 et 36 % de la série), respectivement. Chez les autres patients, la procédure « standard » a localisé la cible du CPMdl à la frontière M1/CPMdl et celle du CPFdl à la frontière CPMdl/CPFdl. En moyenne, la navigation IRM a localisé la cible de M1 6,1 mm en arrière du « hot spot moteur », la cible du CPMdl 31,7 mm en avant, et celle du CPFdl 69,0 mm en avant. La procédure « standard » était erronée d’environ 1 ou 2 cm pour définir le centre du CPMdl ou du CPFdl. Une analyse statistique des coordonnées IRM (x, y, z) des différentes cibles a montré que la procédure « naviguée » plaçait M1 plus en arrière, le CPMdl plus superficiel et le CPFdl plus antérieur, latéral et profond, par rapport aux cibles homologues déterminées par la procédure « standard ». Cette étude confirme que la procédure « standard » de positionnement de la bobine de SMT n’est pas exacte pour cibler une région anatomique corticale donnée. La localisation d’une cible corticale est plus précise lorsqu’un système de navigation intégrant les données individuelles d’imagerie est utilisé. Nos résultats incitent à être prudent en ce qui concerne les interprétations physiopathologiques des résultats précédemment publiés de SMT basés sur un ciblage « standard », comme par exemple ceux qui ont caractérisé les interactions du CPMdl avec M1. De même, l’inexactitude de la procédure « standard » de positionnement de la bobine pourrait expliquer en partie l’hétérogénéité des effets thérapeutiques rapportés entre les différentes études de SMTr chez les patients déprimés. Notre étude soutient clairement un placement plus antérieur et latéral de la bobine pour la stimulation du CPFdl dans le traitement de la dépression.