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方法文章

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

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DOI：

10.3791/69425

⸱

2025年11月7日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Rehabilitation Medicine, The First Affiliated Hospital with Nanjing Medical University, 2School of Rehabilitation Medicine, Nanjing Medical University

* These authors contributed equally

本文内容

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-isoxazolepropionic acid receptors, AMPARs）的磷酸化6及其插入突触膜，从而增强突触传递效能7。与其他非侵入性方法（如重复经颅磁刺激repeated transcranial magnetic stimulation, rTMS或经颅直流电刺激transcranial direct current stimulation, tDCS）相比，iTBS能在更短的刺激时间和更低的刺激强度下诱导出LTP样皮层可塑性，因此在受试者中具有更好的耐受性8,9,10。为评估iTBS诱导的神经可塑性效应，研究者通常通过肌电图（electromyography, EMG）记录运动诱发电位（motor-evoked potential, MEP）振幅的变化，以反映皮质脊髓兴奋性的增强11。研究表明，MEP的增强效应可在刺激后持续长达60分钟，表明皮层兴奋性得到了短暂但显著的调控10,12。由于其施加时间短且安全性良好，iTBS特别适用于在实验和临床环境中进行重复应用10。具体而言，标准iTBS方案（600次脉冲，192秒）与传统的10-Hz rTMS方案（1,200–1,500次脉冲，15–20分钟）均能可靠地诱导出相当的LTP样可塑性效应8,13。因此，iTBS increasingly被用于研究健康个体及患者群体中的突触可塑性，为理解阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）、脑卒中和抑郁症等神经系统疾病中与可塑性相关的功能缺陷提供了重要见解。

突触可塑性是神经可塑性的基本机制，是学习和记忆等关键过程的基础。它反映了大脑根据经验或环境刺激改变突触连接强度和效能的能力14。在多种突触可塑性形式中，长时程增强（LTP）是通过增强突触传递来研究学习和记忆的成熟模型15。越来越多的证据表明，类似LTP的可塑性损伤与阿尔茨海默病（AD）等神经系统疾病中的认知和行为缺陷密切相关16。这些损伤可能反映了疾病特异性的突触信号传导及与可塑性相关的分子通路的破坏，包括LTP的诱导、表达或维持过程的改变17。因此，理解并量化突触可塑性对于推进恢复认知功能、运动控制、感觉整合和情绪调节的治疗策略，以及促进有效的神经康复至关重要。

尽管诸如用于诱导类似长时程增强（LTP）可塑性的iTBS技术以及用于评估皮层可塑性的单脉冲经颅磁刺激（TMS）等方法具有广阔的应用前景，但其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重复性。方法学上的不一致可能导致结果变异，从而影响研究发现的可靠性。此外，不同研究之间在刺激强度、线圈定位以及结果测量时间点等方面的方法学差异，限制了TMS诱导皮层可塑性效应的可重复性。在实际操作中，iTBS通常以静息运动阈值（RMT）的80%进行施加18，而可靠地诱导出类似LTP的可塑性还依赖于精确的线圈定位，最常用的方法是通过神经导航系统进行引导19。因此，本文旨在展示一种标准化的、基于神经导航引导的iTBS诱导类似LTP可塑性的操作流程，并随后采用单脉冲TMS评估皮层可塑性。本文的重点将放在实现精确且可靠皮层可塑性测量所必需的关键技术步骤和操作注意事项上。

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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、注册解剖标志点、校准线圈，并在静息运动阈值（RMT）测定和间歇性 theta 脉冲刺激（iTBS）过程中保持线圈位置的一致性。
  2. 神经导航系统设置：使用该系统获取经颅磁刺激（TMS）线圈位置及其相对于解剖标志点方向的实时视觉反馈，以确保在功能定位初级运动皮层（M1）中对应于对侧目标肌肉的运动热点时实现精确定位20。
  3. 建立三维（3D）头部模型：可通过神经导航软件内置的标准脑模板，或基于个体磁共振成像（MRI）扫描数据生成三维头部模型。无论选择个体 MRI 模式还是标准模板模式，均需在轴向、矢状和冠状平面上注册解剖标志点，并进行头皮表面分割以生成三维头部模型。
  4. 线圈校准
    1. 完成头部模型注册后，进行线圈校准，以确保神经导航系统内实现实时精确定位。进入 TMS 设置界面，点击 线圈选择> 校准工具面。将装有反射标记的 TMS 线圈放置在指定的校准块上，在软件引导下将物理线圈上的基准点与校准块上的对应点对齐。
    2. 初始校准完成后，根据系统提示将线圈置于校准块上方以确认准确性。点击 校准 以启动自动校准程序。仅接受空间误差低于 3 mm 的校准结果21；否则需重新校准。确保在整个 TMS 实验过程中，线圈的位置、方向和倾斜角度均可被可靠追踪22。

3. 运动热点识别

  1. 受试者体位：请受试者坐在带有靠背和扶手的舒适椅子上，以尽量减少头部和身体的移动。在操作过程中保持双手完全放松且静止。避免非目标手的运动，以免干扰测量结果。
  2. 头部追踪设置：将红外反射标记贴附于前额，以实现对会话期间头部位置的实时追踪。使用粘性贴片固定标记，并确保这些标记被神经导航系统识别（系统识别成功的标记显示为绿色，未识别的标记显示为红色）。
  3. 解剖标志点注册：使用带追踪功能的指针依次标记头皮上的三个解剖标志点：鼻根点、左侧耳前切迹和右侧耳前切迹。使神经导航系统能够将实际头部位置与三维头部模型进行空间配准23。
  4. 头部形状采样：使用指针在头皮上额外采集约200至300个点，以提高配准精度24。允许软件基于这些点自动拟合个体化的头部形状模型，以优化MRI图像与实际坐标系之间的对齐25。
  5. 肌电记录：将记录电极置于目标拇短展肌（APB）肌腹处，参考电极置于拇指指间关节附近，两电极间距约2 cm26。以100 kHz的采样率记录运动诱发电位（MEP），最小分辨率为<0.2 µV，频率响应范围为1–25 kHz，同时保持电极阻抗低于5 kΩ。在继续操作前，确保基线肌电信号噪声极小、波形稳定，且无明显漂移或电干扰27。
  6. 确定运动热点
    1. 通过施加单脉冲经颅磁刺激（双线圈，70 mm），在顶点外侧约5 cm、前方0–1 cm处（相对于目标肌肉对侧半球）28，确定初级运动皮层（M1）坐标，以诱发最大的MEP振幅，从而精确定位运动热点。保持手部完全放松，避免自主肌肉收缩干扰MEP测量。
    2. 将线圈手柄方向调整为与中线成45°向后，使电磁电流垂直于中央沟29。以5秒间隔31，在标记的M1区域周围系统性地以1 cm步长向各个方向（包括前、后、内侧和外侧）移动线圈30。将产生最大MEP振幅的位置定义为运动热点32。
  7. 运动热点标记：一旦确定功能性的运动热点，立即在神经导航系统中标记该位置。标记后，系统将自动记录关键的空间参数，包括线圈与目标点之间的距离、倾斜偏差和旋转偏差。利用这些指标确保在整个刺激过程中线圈放置的精确性和可重复性33。

4. RMT 测定

  1. 使用表面肌电图（EMG）数据测量峰-峰幅值以获取运动诱发电位（MEP），EMG 设置和参数与步骤 3.5 中所述相同。将静息运动阈值（RMT）定义为：在连续 10 次单脉冲经颅磁刺激（TMS）试验中，至少有 5 次诱发出峰-峰幅值大于 50 µV 的 MEP 所需的最小刺激强度28。

5. LTP样可塑性的评估

  1. 基线评估：在运动热点处以 5 秒间隔记录 20 个连续的经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位（MEP），刺激强度设定为静息运动阈值（RMT）的 120%，以诱发振幅约为 1 mV 的 MEP34。
  2. 诱导类似长时程增强（LTP）的可塑性：使用经颅磁刺激仪（双线圈，70 mm）进行刺激，在运动热点处以 RMT 的 80% 强度施加间歇性 theta 爆发刺激（iTBS），以诱导类似 LTP 的可塑性。采用由三个 50 Hz 刺激组成的脉冲簇，以 5 Hz 频率重复的 iTBS 方案；每 2 秒施加一次该脉冲刺激序列，随后休息 8 秒，共持续 200 秒（600 个脉冲）10。
  3. 可塑性评估：在 iTBS 干预后 5 分钟、10 分钟、15 分钟和 30 分钟，使用相同的刺激强度（RMT 的 120%）各记录 20 个 MEP，以评估可塑性变化35。
  4. 类似 LTP 可塑性的量化：计算每个时间点（基线、iTBS 后 5 分钟、10 分钟、15 分钟和 30 分钟）记录的 20 个 MEP 的平均峰-峰振幅，以定量反映皮层兴奋性36。将刺激后 MEP 振幅表示为相对于基线的标准化比值，以在不同实验会话和个体间标准化兴奋性测量。最终结果为 iTBS 干预后最后一个时间点的原始 MEP 振幅和标准化 MEP 振幅，代表治疗效应37。
  5. 各时间点标准化 MEP 振幅的计算公式为：
    显示实验数据分析中 MEPpost 除以 MEPbaseline 的标准化 MEP 公式。
    根据每次 iTBS 条件后的反应，将总体平均标准化 MEP 值 >1.1 的个体归类为兴奋增强，<0.9 的归类为抑制，介于 0.9 与 1.1 之间的归类为无变化38。

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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...

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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

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披露

作者声明，针对本研究不存在竞争性财务利益或其他利益冲突。

致谢

本研究由国家自然科学基金（编号：82372582、82503067）和江苏省重点研发计划竞争性项目（编号：BE2023034）资助。

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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, ChinaCM25R
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, GermanyVisor2, version 2.5.3.50294
TMS 刺激器Yiruide Co., Wuhan, ChinaNS5000

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突触可塑性θ脉冲刺激神经导航系统运动诱发电位运动皮层定位肌电图装置静息运动阈值
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