برای تحریک نورونهای قشر مغز توسط TMS، مسیر جریان سیگنال در بافت باید جریان تراغشایی (transmembrane) جهتدار به سمت بیرون (جهت یونی) را در آکسونهای قشر مغزی تولید کند تا برای دپلاریزه کردن پتانسیل غشاء به اندازه کافی قوی باشد و از این طریق پتانسیل عمل ایجاد شود. میدان الکتریکی القایی و جریان حاصل شده در قشر مغز، متناسب با نرخ تغییر (یعنی مشتق زمانی) میدان الکترومغناطیسی القایی است.
علاوه بر این، رابطه مکانی بین جریان القایی در بافت و آکسون های تحریک شده (یعنی مشتق مکانی) میزان اثربخشی TMS را برای القای پتانسیل های عمل در نورون های قشر مغز تعیین می کند. دپلاریزاسیون غشاء مؤثر ترجیحاً در مناطقی اتفاق می افتد که مشتقات زمانی و مکانی میدان الکتریکی ناشی از آن حداکثر باشد. خم شدن آکسون به عنوان یک ویژگی مهم مکانی بسیار مورد توجه است؛ چرا که حساسیت سلولهای عصبی به TMS را تعیین می کند. جریان الکتریکی القا شده توسط TMS منجر به دپلاریزاسیون تراغشایی در جهت خارج سلول در آکسونهای مستعد به دریافت میدان می شود. احتمال بالای فعال شدن در آکسون هایی است که جهت جریان خود را با توجه به میدان الکتریکی القایی تغییر می دهند.
نحوه ایجاد پتانسیل عمل در TMS
پتانسیلهای عمل ناشی از TMS، در آکسونهای قشر مغزی به صورت ترا-سیناپسی به سلولهای عصبی دیگر منتقل شده و در نتیجه فعال سازی عصبی به نواحی زیرقشر و قشری متصل میرسد. این تحریک دسته جمعی (volley) در امتداد راه هرمی (کورتیکواسپاینال) و عصب حرکتی محیطی حرکت کرده و باعث ایجاد پاسخهای عضلانی می شود که می توانند به عنوان پتانسیل برانگیخته حرکتی (MEP) ثبت شوند.
باید خاطر نشان کرد که در سطح عصبی، تحریک مغناطیسی نورونها از طریق همان مکانیسم متعارف تحریک الکتریکی بارکر انجام میشود. از این رو اصطلاح “تحریک مغناطیسی” گمراه کننده است زیرا خود میدان مغناطیسی باعث تحریک سلولهای عصبی قشر مغز نمیشود. میدان مغناطیسی که به سرعت در حال تغییر است فقط به عنوان وسیله ای برای القای جریان الکتریکی در بافت عصبی عمل می کند. این جریان الکتریکی القایی است که آکسونهای قشر مغز را دپولاریزه می کند و باعث ایجاد پتانسیل های عملیاتی در شدت های محرک فرا-آستانه (suprathreshold stimulus) می شود.
بهترین حالت اتصال الکترومغناطیسی با بافت قشر از طریق قرار دادن سطح صاف کویل به طور مماس بر روی پوست سر روی ناحیه M1 حاصل می شود. از آنجا که TMS نیازی به تماس مستقیم الکتریکی با پوست ندارد، نیازی به آماده سازی پوست قبل از TMS نیست. با این حال، علامت گذاری بهینه محل تحریک بر روی پوست برای تسهیل موقعیت صحیح سیم پیچ مفید است.
TMS می تواند نورونهای قشر مغز را بطور مؤثر تحریک کند بدون اینکه جریان الکتریکی بالایی را در پوست و بافت زیر پوستی ایجاد کند. به همین دلیل است که TMS بر خلاف تحریک الکتریکی فراجمجمه ای (TES) باعث ایجاد درد نشده و معمولاً به خوبی توسط بیماران تحمل می شود. TES یک روش تحریک جایگزین است که با استفاده از پالس جریان الکتریکی ضربه ای از طریق الکترودهای سطحی متصل به پوست سر، نورونهای قشر مغز را تحریک می کند. TMS و TES از نظر جهت میدانهای الکتریکی تولید شده در مغز متفاوت هستند. میدان های الکتریکی تولید شده توسط TMS موازی با سطح سر هستند و نسبت به جریانهای جمجمه منفعل هستند. در مقابل، میدانهای الکتریکی تولید شده توسط TES دارای مؤلفه هایی به صورت موازی و عمود بر سطح سر هستند و زمینه های الکتریکی ناشی از آن به شدت هدایت جمجمه بستگی دارد.
TES تمایل دارد که سلولها را به طور مستقیم در سطح آکسونهای مجاور فعال کند و عمدتا ولی های نزولی زودرس (یعنی موج های D ) را تحریک میکند. در حالی که TMS عمدتاً از طریق تحریک ترا-سیناپسی سلولهای عصبی قشر مغز باعث ایجاد پی در پی جریانهای بعدی می شود (امواج I). از آنجا که امواج D بطور قابل ملاحظه ای در برابر اثرات سرکوب کننده بیهوشی در تحریک عصبی مقاوم تر هستند، اثربخشی TES بسیار کمتر از TMS تحت تاثیر بیهوشی قرار میگیرد. بنابراین TES روش انتخابی برای نظارت بر هدایت مسیر كورتیكواسپاینال در بیماران بیهوش، به عنوان مثال در حین عمل جراحی نخاع است. از طرف دیگر، TES هرگز به صورت تشخیصی در بیمارانی که بیدار بوده اندبه کار نمی رود، زیرا باعث درد قابل ملاحظه ای می شود.