L’Elettromiografia (EMG) è un campo immenso di studi applicativi e di base, di ordine semeiologico, diagnostico funzionale e fisiopatologico. Essa è sorta con gli apporti delle più diverse branche delle neuroscienze e si è sviluppata nelle più diverse discipline neuromediche. Nel darvene un prospetto storico, potrò solo limitarmi a pochi cenni, ma sono convinto che varrebbe la pena di farne una trattazione più dettagliata per un testo di approfondimento critico.

I progenitori della elettromiografia ci parlano in italiano, nel settecento, dalle Università di Bologna e di Pavia. Li abbiamo avuti a noi dinanzi come maestri illustri nel 1961 nell’aula Volta della Università di Pavia dove ebbe luogo il 1° Congresso internazionale di EMG, alla presenza del Presidente della Società internazionale di Elettroencefalografia e Neurofisiologia Clinica, Henry Gastaut, che venne da noi, nonostante il veto del Presidente della Società italiana Gozzano che non aveva concesso che nel contemporaneo Congresso di EEG di Roma si tenesse una sezione di EMG. Il primo Comitato scientifico di EMG venne denominato Pavia’s Committee.

Purtroppo nella storia successiva della EMG i contributi italiani sono stati relativamente scarsi, pur non essendo fanalino di coda nell’arena scientifica del nostro Paese. Dobbiamo prendere atto che, nell’ultima classifica dell’attività scientifica mondiale, siamo retrocessi di ben 6 posti, finendo al 38° posto dietro a Spagna, Portogallo, Cile. Mi pare che ciò ci suggerisca maggiore autocritica e richieda un diretto coinvolgimento personale nei nostri laboratori.

Con Galvani e Volta, i cui nomi sono divenuti qualificazioni scientifiche di eventi elettrici, nascono insieme l’Elettrobiologia neuromuscolare passiva e quella definita come attiva. E Galvani identifica per la prima volta, il fenomeno dell’eccitamento efaptico transmuscolare.: un muscolo massivamente eccitato stimola il nervo di un muscolo adiacente. Oggi lo si può riscontrare nell’occasionale comparsa del potenziale secondario della risposta M.

Nel secolo successivo si sviluppa particolarmente la Elettrodiagnostica passiva che conserva tuttora un posto importante di riferimento per la diagnostica differenziale tra degenerazione walleriana e blocco di conduzione (tra axono-tmesi e neuro-tmesi da un lato e neuroaprassia dall’altro) e tra atrofia neurogena ed atrofia protopatica miogena. Sono Duchenne de Boulogne in Francia ed Erb in Germania che, nella seconda metà dell’ottocento, applicano nelle miopatie e nelle neuropatie le correnti galvanica e faradica sui punti motori dei muscoli e sui nervi . Essi identificano la stimolazione stigmatica o neurale rispetto a quella diffusa o idiomuscolare la quale ultima si realizza con la scomparsa del punto motore nella denervazione del muscolo: con essa si misura la cosidetta grande pseudocronassia (Et2r o Excitation time for 2 rheobases) del muscolo denervato. Ne conseguirono , fino agli albori del novecento, delle vivaci polemiche tra neurofisiologi inglesi e francesi a proposito dell’insensata teoria di Bourguignon sull’eterocronismo neuromuscolare

Questi principi di elettrodiagnostica passiva rimangono a tutt’oggi validi, mentre si perfeziona con l’adozione di stimolatori a intensità costante, e si completa con nuovi originali capitoli verso il 194O con la registrazione dei potenziali d’azione composti muscolari. Questo fondamentale progresso diviene possibile quando si riesce a evitare, con amplicatori differenziali a cathod follower, la cosidetta fuga dello stimolo, o secondo una più esatta denominazione l’intrusione dello stimolo, essendo la intensità dello stimolo ben maggiore del potenziale di risposta da derivare.

Nel frattempo è la elettrodiagnostica attiva a prendere il sopravvento dando origine alla EMG vera e propria, intesa come derivazione dai muscoli del potenziale d’azione della Unità motoria (UM) sia per le singole UM come espressione anatomotopografica della densità e distribuzione del rispettivo plotone di fibre muscolari, sia come numero e sequenza nel tempo delle diverse UM nel processo del reclutamento.

I primi passi vengono fatti nel 1925 nei laboratori di neurofisiologia con riferimento agli studi sui potenziali delle diverse fibre nervose componenti il nervo ad opera di Erlanger e Gasser negli Stati Uniti. Si trasferiscono poi questi dati ai rilievi dal muscolo effettuato inizialmente con elettrodi di superficie od aghi semplici poco selettivi da Hoffmann a Berlino. Nel 1938 si verifica la scoperta dell’ ago concentrico selettivo da parte di Adrian e Bronk a Londra.

Quest’ultimo progresso decisivo per la identificazione dei parametri dei potenziali di UM si perfeziona grazie a Lorente de No al Rockfeller di New York con gli studi biofisici della diffusione passiva in volume conduttore dei campi elettrici di potenziali d’azione i quali sono inoltre condotti lungo le fibre. In questo modo e con il perfezionamento degli amplificatori differenziali a cathod follower e con l’allargamento delle frequenze di registrazione nella costante di tempo fino ai 20 mila Hz si definiscono i piccoli potenziali positivi e rispettivamente negativi che precedono e seguono la spike (la fase negativa principale del p.d.a col relativo afterpotential in sensoelettrico positivo). Essi sono l’effetto dell’avvicinarsi o rispettivamente dell’allontanarsi del campo elettrico rispetto alla superficie della superficie non isolata della punta dell’elettrodo derivante.

Questi problemi vengono analizzati con riferimento alla diagnostica clinica nella relazione da me tenuta nel Congresso di Neurofisiologia di Amsterdam del 197O dove si stabilisce che "l’elettrodo ad ago concentrico monopolare rappresenta il mezzo più idoneo per derivare il potenziale composto di un campione di subunità motoria significativo per ottenere informazioni sulle modificazioni del plotone di fibre muscolari attive, per perdita sparsa di fibre muscolari (nelle miopatie protopatiche) o di aggiunta di fibre muscolari (nella reinnervazione collaterale dei postumi di poliomielite e delle neuropatie assonali parziali croniche)".Viene invece scartato l’elettrodo bipolare per le variabiltà dei reperti in funzione della distanza interelettrodica di ciascun ago particolare.

Con il sistema del delay line infine si riesce ad ottenere la collocazione ottimale del potenziale derivato entro la linea di registrazione del raggio catodico.

I perfezionamenti tecnici non hanno sosta; si passa attraverso le fasi di studio con multielettrodo di Buchthal (1955) per il territorio della Unita Motoria. Pinelli e Leifer (1964) attuano la derivazione duplice simultanea con prelievo su elettrodo selettivo dei potenziali di UM comparenti sul tracciato degli elettrodi di superficie, nel corso di reclutamento avanzato interferenziale di UM di n ordine. Gli ultimi ritocchi vengono da Staalberg di Uppsala (1970) con l’uso dei microlettrodi atti a derivare i potenziali d’azione di singole fibre muscolari entro l’UM.

Ma l’interesse e la curiosità dei neurologi clinici avevano già avviate una serie numerosa di ricerche con le tecniche ancor scarsamente selettive e infedeli per quanto riguarda le fequenze più alte del potenziale d’azione, disponibili negli anni trenta. Nel laboratorio di Berlino, con semplice aghi-elettrodo non isolati (quali realizzerà invece nel 1944 Jasper a Montrèal con vernici isolanti tygon), tra il 1936 e il 38, Altenburger e collaboratori estendevano la ricerca del reclutamento di UM a tutte la varie malattie neurologiche, descrivendo gli impoverimenti dei tracciati nelle neuropatie, le ritmizzazioni da tendenza a sincronizzazione di reclutamento di UM nelle malattie extrapiramidali , l’aumento dei riflessi miotatici nella spasticità analizzate ed illustrate in un intero volume dell’Handbuck fur Neurologie di Foerster.

L’uso degli aghi selettivi di Adrian e Bronck permette verso il 1940 agli anatomici londinesi Weddel e Feinstein di derivare i potenziali di fibrillazione da muscoli denervati studiandone il decorso dalla neurotmesi alla reinnervazione. Studi più approfonditi ed estesi di neurologi negli anni successivi invalideranno il principio fibrillazione = denervazione e preciseranno che potenziali di fibrillazione possono comparire anche in miopatie di vario tipo (miotoniche o miositiche) e nel corso dello splitting di fibre muscolari nelle miopatie distrofiche. Ulteriori studi misero in evidenza la comparsa di fibrillazioni in una certa fase delle paralisi centrali (da lesione del sistema cortico-spinale).

L’EMG assume la sua veste definitiva con Eric Kugelberg al Karolinska di Stoccolma nel 1940 ben presto affiancato da un aliievo della scuola di Berlino operante a Copenhagen , Fritz Buchthal.

Tre sono le scoperte decisive per le quali siamo debitori a Kugelberg.

1°. Là dove avevano fallito elettrodiagnostica di Duchenne -Erb e le stesse indagini bioptiche istologiche egli, insieme alla Welander di Uppsala, identifica la neuronopatia spinale cronica benigna. Il criterio differenziale era rappresentato dal reperto di singole oscillazioni e grandi potenziali di UM caratteristico di questa malattia, rispetto al tracciato interferenziale con piccoli potenziali di UM, proprio delle miopatie protopatiche con le quali la malattia di Kugelber Welander era stata confusa. I primi casi italiani vennero da me osservati nello stesso anno e pubblicati nell’anno successivo in una monografia sulle sofferenze rilevate nelle trasmissioni neuromuscolari (1956) inludente una revisione critica dei pazienti ricoverati nell’Istituto Pini di Milano per postumi di polimielite e miopatie infantili

2.° Valendosi di metodi istochimici per i diversi tipi di UM e di radicolotomie anteriori selettive in topi Kugelberg definisce la distribuzione diffusa delle fibre delle unità motorie che si frappongono le une alle altre con particolari vantaggi miodinamici.

3°. Adottando stimolazioni a correnti progressive a varia pendenza, che realizzano la modalità di reclutamento fisiologico, Kugelberg insieme a Skoglund, precisa che il sincronismo di comparsa di Potenziali di UM con derivazioni multiple da uno stesso muscolo dipende da derivazioni di subunità motorie di una stessa UM e non da sincronismo time-locked di reclutamento di più UM.

Verso il 1950 in Canada e Stati Uniti, un altro anatomico, Basmajan, con ricerche sistematiche che raccoglie nel libro "Muscles alive", applica la derivazione semiselettiva dei potenziali di UM allo studio della funzione stessa dei muscoli combinando EMG e rilievi di tensione muscolare. Anatomici, ortopedici, kinesiologi fondano allora la società interdisciplinare di elettrofisiologia e kinesiologia, l’ISEK che mi chiamò a far parte come primo membro per la neurologia.

La individuazione delle UM giganti in un mio studio sui tempi di comparsa dopo poliomielite acuta, porta all’analisi dei processi di collateral branching e la EMG entra direttamente nel campo della Neurobiologia: processi innervatori competitivi, liberazione di sostanze che dalle fibre denervate vanno in via retrograda alle vicine fibre nervose di UM rimaste integre determinando processi di sprouting collaterale. Ciò si verifica di regola verso le parti distali dell’UM adottante le fibre orfane, ma nel corso di neuropatie da lesioni localizzate prossimalmente il branching può verificarsi più a monte col costituirsi di pseudo riflessi assonici identificabili elettromiograficamente con stimolazioni multiple lungo il nervo con intensità di stimolo graduate. Ciò però veniva reso possibile da un grande viraggio nel campo della elettrodiagnostica attiva che si verifica ad opera di Hodes verso il I942.

In un poderoso lavoro pubblicato in quegli anni su Archives of Neurology, questo Autore statunitense riporta i valori di durata ed ampiezza dei potenziali M , le vdc motorie massime ed i tempi residui ro di tutti i muscoli principali dell’uomo in condizioni normali.

Qualche anno dopo sui bollettini del John Hopkins Hospital di Baltimora Magladery definisce in maniera rigorosa il concetti di stimolazione nervosa ad intensità sopramassimale nella modifica radicale del test di Jolly per lo studio delle trasmissioni neuromuscolari nella miastenia grave e nella sindrome di Lambert-Eaton. Desmedt porta l’attenzione al fenomeno dello spossamento post-tetanico, ma l’identificazione della sede post-sinaptica della compromissione di questo evento nella Miastenia Grave (MG) si verifica con le indagini di Engbaeck (Copenhagen, 1945) e poi di Pinelli (195O) dell’innalzamento della soglia di risposta muscolare ( opponente del pollice) col test dell’acetilcolina intraarteriosa. Si documentava in questo modo la grave riduzione di recettori acetilcolinici nicotinici nella MG e viceversa il loro aumento nella denervazione. Successivamente Staalberg riusciva con microelettrodi a misurare rallentamenti e blocchi delle trasmissioni neuromuscolari.

Grazie ad Hodes si apriva così il vasto capitolo dei rallentamenti di vdc e dei blocchi di conduzione: quelli a base demielinizzante disimmune con blocchi), quelli da compromissione genetica del processo di demielinizzazione (senza blocchi), quelli da compressioni e assonostenosi

Con gli studi degli effetti della demielinizzazione primaria, le misure della conduzione nervosa si riallacciano anna neuroimmunologia con interessanti apporti nello studio del decorso.

Le modalità di reclutamento delle singole UM, la frequenza di scarica della singola UM; l’ordine di successione delle diverse UM secondo la legge della dimensione dell’Unità Motoria di Henneman, la frequenza di scarica della prima UM al comparire delle prime scariche della successiva UM, inclusi i sistemi computerizzati per la misura automatica di queste frequenze di reclutamento , ed il loro sovvertimento nelle varie patologie del SN peri ferico e centrale sono state studiate da Brown, Ashbury ed in maniera molto erstensiva da Pètajan Stati Uniti (1968) e da Grimby a Stoccolma (1969). Non eclatanti, ma pur sempre importanti le acquisizioni in sede applicativa. Tale l’evidenziarsi di una più alta frequenza di scarica nelle lesioni del MN periferico rispetto a quella nelle lesioni del MN centrale. Negli studi del recupero motorio da effettivo miglioramento del rapporto sommazione temporale / soglia dei MN spinali un segno obiettivo importante è dato dalla diminuzione del valore della frequenza di reclutamento (Fr ) di una determinata UM  ( UMn) al momento della comparsa della UM successuva (UMn+1) .

Indagini più specialistiche riguardano l’ordine di successione di reclutamento dei diversi tipi di UM, toniche e fasiche, più o meno resistenti alla fatica, che, in condizioni normali, è regolata dal Size Principle di Henneman (Boston, 1964).

Un altro settore connesso al reclutamento è quello che riguarda l’integrazione fra driving centrale e servomeccanismi spinali. Il modello della risposta H (Hoffmann) è stato ampiamente sviluppato da Paillard (Parigi, 1955) e Hugon (Marsiglia) con la definizione, nello studio colmparativo dei riflessi tendinei e dell’H , dei processi di eccitamento ed inibizione a partenza alfa, gamma 1 e gamma 2. Questi studi raggiunsero il loro acme una decina di anni fa nell’ambito del Club Hoffmann.

Verso il 1970 vengono al pettine e si precisano, grazie a ricercatori canadesi, statunitensi, inglesi, tedeschi e noi stessi, le metodologie più adatte e affidabili in campo clinico per corretti esami del tono muscolare che si realizzano con le misure del tono attivo. Si tratta del rilievo del comportamento dei riflessi miotatici in rapporto all’innervazione volontaria.

Si misura anzitutto la stiffness idiomuscolare effettuando lo spostamento a livello articolare a pochi gradi al secondo: non compaiono attivazioni riflesse di UM e la "resistenza" (e cioè le forze evocate in senso opposto a quello dello spostamento passivo) che valutiamo riguarda le proprietà visco-elastiche dei muscoli. Per velocità di spostamento più rapide compaiono i potenziali di UM evocati in via riflessa e si può allora misurare anche la stiffness neurale.

Un dato fondamentale emerso da questi studi e considerato ormai parte essenziale dell’esame del tono muscolare in clinica ( Andrew Angels, 1984, Pinelli 1985, Burke ed Alessandro Rossi 1997) è l’effetto esercitato dal driving volontario, attraverso il loop alfa-gamma, sul segno dell’attività riflessa, se da stiramento ( nella serie di principi, sherringtoniani) o nel senso del raccorciamento (secondo i cosidetti riflessi posturali di Mollaret). Nella spastictà sono esaltati asimmetricalmente i riflessi di stiramento mentre son o ridotti quelli di raccorciamento. Nell’ipertonia parkinsonioani sono esaltati i riflessi di raccorciamento come emerge a livello clinico nel fenomeno paradosso di Westphal.

Dopo il 1975 si definiscono in campo applicativo le modalità di indagine della abnorme faticabilità che si verifica in varie evenienze fisiologiche e patologiche, affrontando problemi resi ancor più difficili dalle diverse terminologie usate da neurologi e bioingegneri. La corrispondente serie di indagini va da Mosso nel laboratorio di Fisiologia di Torino all’inizio del novecento, in quello di Margaria a Milano, in quelli di Burke in Australia e Desmedt a Bruxelles sulla saggezza delle UM, agli studi sgli spettrogrammi delle frequenze degli EMG di superficie effettuati dai bioingegneri di Goteborg nella fatica muscolare localizzata, e a quelle più recenti sulla fatica nella SM ed alla fatica centrale e mentale (Pinelli e coll, 1997).

A differenza che nelle compromissione delle trasmissioni neuromuscolari nella MG, le condizioni più frequenti di abnorme faticabilità in clinica riguardano le sindromi asteniche o psicoasteniche. Per questo settore si sono sviluppate tecniche interessanti di esame nel campo psicofisiologico.

Su altro piano restano i fenomeni di microsleep, blocchi temporanei dell’attenzione, rallentamenti ed errori nel corso di prestazioni protratte per decine di minuti, specie in condizioni di deprivazione di sonno. Bjerner in Svezia ha messo a punto fin dal 1950 dei test con autoreazioni di scelta acustiche. Analoghi test ma a stimoli visivi sono stati impiegati in Francia per i macchinisti dei treni ad alta velocità.

Su un piano particolare si pone la faticabilità abnorme dei pazienti con SM. dove può aver parte causale anche una condizione di eterocronismo di conduzione-trasmissione degli impulsi fra sistemi centrali più rostrali e quelli a valle.

D’altro canto i limiti energetico-metabolici generali ed in particolare quelli dei muscoli stessi vengono rilevati coi test di stimolazione ripetitiva con derivazione sia dei potenziali M che dei miogrammi con relative misure della tensione e delle scosse muscolari isolate o in fusione tetanica.

Una rivoluzionaria scoperta tecnologica nella storia della neurofisiologia clinica è rappresentata dall’ AVERAGING. In questo modo Gilliath del Queen Square Institute of Neurology inizia gli studi di Elettroneurografia sensitiva ortodromica ed antidromica; si derivano i potenziali cerebrali evocati . Grey Walter apre l’era deli studi di processi psichici , come l’aspettativa e la preparazione all’azione, con il rilievo degli eventi cerebrali tardivi.

Un’era nuova nella psicofisiologia si apre con lo studio dei potenziali cerebrali evento-correlati recentemente associati alle tecniche di Risonanza Magnetica Funzionale ad opera di Gevins a San Francisco. Se queste sono indagini molto sofisticate e costose, aplicazioni parallele in clinica sono state efettuate con lo studio delle funzioni prefrontali per mezzo di particolari metodologie di indagine con reazioni verbali di vario tipo, con reazioni dilazionate a vari intervalli di tempo, includenti non solo gli acusticogrammi, ma anche gli EMG oromandibolari. (Pinelli, 1997)

Qualche dato interessante in tema di tempi centrali di innervazione motoria e di eccitabiltà cerebrale si è acquisito con la stimolazione elettromagnetica transcorticale, nata su basi empiriche e tuttora irta di numerose difficoltà, quali l’impossibilità di una stimolazione sovramassimale, che ne limitano la affidabilità. Recentemente è stata applicata anche allo studio delle modifiche di eccitabilità cerebrale in seguito a fatica (Tuylors, Gaudenzi, Wassermann), ma il preciso significato dei reperti è ancora sub judice. Informazioni utili si sono ottenute studiando gli effetti di occlusione o interruzione funzionale da stimolazione elettromagnetica ad alta intensità per quanto riguarda il decorso e la sede dei processi di generazione della parola (Cracco) e più in genere nei fenomeni di riassestamento neuroplastico (Cohen). Va però osservato che la innocuità di queste stimolazioni è ancora da stabilire (Craus, Rossini).

Alla fine di questa mia introduzione per una storia della EMG, una prima osservazione generale ci colpisce. Dai rilievi sempre più esatti sull’attività dei quantum muscolari (le UM), ed a livello microfisiologico e biochimico, dei quantum di trasmettitori con gli Endplate miniature potentials (nello studio della Miastenia Grave e sindromi miasteniformi), ci si è rivolti a raccogliere informazioni indirette e dirette sulle connessioni sinaptiche (nei capitoli della Reflessologia e delle Reazioni psicomotorie) che stanno alla base dei processi di programmazione dell’innervazione muscolare nelle azioni finalistiche e dei fenomeni neuroplastici.. Si tratta di una integrazione dinamica sulla quale si sono aperte molteplici finestre di indagine e di misura. L’altissimo grado di risoluzione temporale ( dell’ordine di micros.) consentito dall’EMG permette di raccogliere dati che coprono tutta la estesa scala dei processi e vincoli dell’azione umana, dal livello della fibra muscolare e dalle stesse proprietà fisiche fino ai circuiti prefronto-sottocorticali e alle operazioni parallele diffuse compito-indipendenti.