使用经颅磁刺激标准化诱导与评估长时程增强样皮质可塑性

摘要

本文描述了使用重复刺激方案标准化诱导长时程增强样皮层可塑性，随后应用由神经导航系统引导的单脉冲经颅磁刺激来评估突触可塑性。

摘要

近年来，经颅磁刺激（TMS）已成为一种无创、低成本且有效的评估大脑突触变化的技术。突触可塑性是神经可塑性的基本机制，反映了大脑根据经验或环境刺激调整突触连接强度和效能的能力。长时程增强（LTP）是研究突触可塑性机制的主要实验模型，在理解突触可塑性及整体脑功能中发挥着关键作用。特定的刺激模式，尤其是重复性或脉冲爆发模式，如间歇性θ爆发刺激（iTBS），可诱导类似LTP的皮层可塑性，为评估突触可塑性提供了一种可行的非侵入性方法。然而，这些技术的应用必须严格遵循标准化操作流程，以确保结果的准确性和可靠性。因此，本文旨在展示一种使用iTBS诱导类LTP可塑性的标准化方法，并随后采用单脉冲TMS评估突触可塑性，两个过程均在神经导航系统的引导下进行。本文的重点将放在实现皮层可塑性精确且可靠测量所必需的关键技术步骤和操作注意事项上。

引言

近年来，经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）作为一种非侵入性、成本效益高且高效的手段，被广泛用于探测和调控人脑中的神经活动¹。在多种刺激范式中，间歇性θ脉冲刺激（intermittent theta burst stimulation, iTBS）因其能够在人运动皮层诱导出类似长时程增强（long-term potentiation, LTP）的可塑性而受到广泛关注²。具体而言，iTBS以θ节律间隔递送高频脉冲串，模拟与突触可塑性相关的内源性θ-γ耦合模式³。它通过激活N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptors, NMDARs）诱导LTP样可塑性⁴，从而解除Mg²⁺ 阻滞，使Ca²⁺ 进入突触后神经元⁵。这种Ca²⁺ 内流触发下游信号级联反应，包括激活钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（calcium/calmodulin-stimulated protein kinase II, CaMKII），促进α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4....

方案

南京医科大学第一附属医院伦理委员会批准了本研究方案（编号 2023-SR-789），且该方案已在中国临床试验注册中心注册（编号 ChiCTR2400082549）。所有操作均遵循《赫尔辛基宣言》的规定。在受试者入组研究前，均已签署书面知情同意书。

1. 知情同意过程

1. 在进行任何评估之前，应说明评估的目的、主要实验步骤以及研究中可能存在的任何风险因素。回答受试者提出的问题或疑虑，并要求其确认已了解知情同意内容，在知情同意书上签字。
2. 不符合经颅磁刺激（TMS）安全标准者将被排除。需询问以下问题并记录回答。若任一问题回答为“是”，则构成排除依据：
   您是否装有与TMS不兼容的金属植入物或医疗设备（例如起搏器、人工耳蜗、动脉瘤夹）？
   您是否有癫痫或惊厥病史，或家族中有癫痫史？
   您目前是否正在服用可能诱发惊厥的药物？
   您是否存在严重的认知或沟通障碍，以致无法参与本研究？
   您是否有严重的颈椎疾病（例如颈椎管狭窄或脊柱不稳定）？
   在刺激区域是否存在直接损伤或颅骨缺损？
   如果您为育龄期女性：您是否已怀孕或可能怀孕？若怀疑怀孕，应进行血液或尿液HCG检测，并排除检测结果为阳性者。

2. 使用神经导航系统制备头部模型

1. 在整个实验过程中使用神经导航系统（版本 2.5.3.50294）来引导线圈定位、注册解剖标....

结果

在演示过程中，使用神经导航系统引导经颅磁刺激（TMS）线圈精确定位于运动热点，提供实时空间反馈，并最大限度减少线圈放置的变异性。TMS设备（8字形线圈，70 mm）在整个实验过程中提供刺激。为说明该操作流程，下文展示了一名受试者的代表性结果。记录的运动诱发电位（MEP）振幅在单脉冲试验中表现出稳定且一致的反应，反映出由神经导航引导的线圈定位所提供的稳定性。在间歇性theta爆发刺激（iTBS）后，MEP振幅随时间增加，提示存在类似长时程增强（LTP）的可塑性。可通过比较刺激前基线与刺激后原始MEP振幅及归一化的MEP振幅来分析数据，也可根据个体反应将其分类为增强、抑制或无变化。总体而言，这些代表性结果表明，所述实验方案能够实现准确的运动热点定位、可重复的刺激以及对刺激诱导的类似LTP可塑性变化的定量评估。

神经导航系统设置与定位

通过神经导航系统的设置和定位程序，识别并记录横断面、矢状面和冠状面上的个体解剖标志点，包括鼻根点、左侧耳前切迹和右侧耳前切迹。这些标志点作为建立个体化三维头部模型的基.......

讨论

应用经颅磁刺激（TMS）研究突触可塑性在推动神经生理学研究方面具有巨大潜力。具体而言，单脉冲TMS可用于评估类似长时程增强（LTP）的可塑性，而重复性TMS（rTMS）则提供了一种实用且非侵入性的诱导方法。然而，这些研究结果的准确性和可重复性在很大程度上依赖于操作参数的标准化。因此，本方案提供了一种可靠且标准化的方法，通过基于神经导航系统的TMS来评估类似LTP的可塑性。

长时程增强作用（LTP）是突触可塑性的一种公认细胞模型³⁹，对于调节突触效能以及学习与记忆至关重要⁴⁰。LTP样可塑性的改变可能反映了神经生理功能的异常，已被探索作为阿尔茨海默病（AD）⁴¹、脑卒中⁴²和帕金森病（PD）⁴³等神经系统疾病早期检测、预后评估及治疗监测的潜在生物标志物。在AD早期阶段即出现海马LTP功能障碍，早于认知能力下降的 onset

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
70 mm TMS 线圈	Yiruide Co., Wuhan, China
肌电图表面电极	Cathay, Shanghai, China	CM25R
肌电图系统	Yiruide Co., Wuhan, China
神经导航指针	ANT Neuro, Germany
神经导航反射标记	ANT Neuro, Germany
神经导航系统	ANT Neuro, Germany	Visor2, version 2.5.3.50294
TMS 刺激器	Yiruide Co., Wuhan, China	NS5000