Methodenartikel

Standardisierte Induktion und Beurteilung der Langzeitpotenzierungs-ähnlichen kortikalen Plastizität mittels transkranieller Magnetstimulation

DOI:

10.3791/69425

⸱

7. November 2025

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

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Dieser Artikel beschreibt die standardisierte Induktion von Langzeit-Potenzierungs-ähnlicher kortikaler Plastizität unter Verwendung repetitiver Stimulationsprotokolle, gefolgt von der Anwendung einer transkraniellen Magnetstimulation mit einem einzigen Puls, die von einem Neuronavigationssystem geleitet wird, um die synaptische Plastizität zu bewerten.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In den letzten Jahren hat sich die transkranielle Magnetstimulation (TMS) zu einer nicht-invasiven, kostengünstigen und effektiven Technik zur Beurteilung synaptischer Veränderungen im Gehirn entwickelt. Synaptische Plastizität ist ein grundlegender Mechanismus der neuronalen Plastizität, der die Fähigkeit des Gehirns widerspiegelt, die Stärke und Wirksamkeit synaptischer Verbindungen als Reaktion auf Erfahrungen oder Umweltreize zu verändern. Die Langzeitpotenzierung (LTP) dient als vorherrschendes experimentelles Modell zur Untersuchung synaptischer Plastizitätsmechanismen und spielt eine entscheidende Rolle für das Verständnis der synaptischen Plastizität und der allgemeinen Gehirnfunktion. Spezifische Stimulationsmuster, insbesondere repetitive oder Burst-Muster von Impulsen wie die intermittierende Theta-Burst-Stimulation (iTBS), könnten eine LTP-ähnliche kortikale Plastizität induzieren und bieten einen praktikablen nicht-invasiven Ansatz zur Bewertung der synaptischen Plastizität. Die Anwendung dieser Techniken erfordert jedoch die strikte Einhaltung standardisierter Protokolle, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Daher zielt dieser Artikel darauf ab, einen standardisierten Ansatz zur Induktion von LTP-ähnlicher Plastizität mittels iTBS zu demonstrieren, gefolgt von einer Bewertung der synaptischen Plastizität mit Einzelpuls-TMS, wobei beide Verfahren von einem Neuronavigationssystem gesteuert werden. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf den wesentlichen technischen Verfahren und betrieblichen Überlegungen, die erforderlich sind, um präzise und zuverlässige Messungen der kortikalen Plastizität zu erreichen.

Einleitung

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In den letzten Jahren hat sich die transkranielle Magnetstimulation (TMS) zu einer nicht-invasiven, kostengünstigen und effizienten Technik zur Untersuchung und Modulation der neuronalen Aktivität im menschlichen Gehirn entwickelt1. Unter den verschiedenen Stimulationsparadigmen hat die intermittierende Theta-Burst-Stimulation (iTBS) aufgrund ihrer Fähigkeit, eine Langzeitpotenzierung (LTP)-ähnliche Plastizität im menschlichen motorischen Kortex zu induzieren, große Aufmerksamkeit erregt2. Insbesondere liefert iTBS hochfrequente Bursts in Theta-Intervallen, die endogene Theta-Gamma-Kopplungsmuster nachahmen, die mit synaptischer Plastizität verbunden sind3. Es induziert LTP-ähnliche Plastizität, indem es N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptoren (NMDARs)4 aktiviert, wodurch die Mg2+-Blockade aufgehoben wird und Ca2+ in das postsynaptische Neuron eindringenkann 5. Dieser Ca2+-Einstrom löst nachgeschaltete Signalkaskaden aus, einschließlich der Aktivierung der Calcium/Calmodulin-stimulierten Proteinkinase II (CaMKII), die die Phosphorylierung6 und die Insertion von α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäurerezeptoren (AMPARs) fördert und dadurch die synaptische Übertragungverbessert 7. Im Vergleich zu anderen nicht-invasiven Ansätzen, wie z. B. der wiederholten transkraniellen Magnetstimulation (rTMS) oder der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS), kann die iTBS eine LTP-ähnliche kortikale Plastizität mit kürzerer Stimulationsdauer und geringerer Intensität induzieren, was sie zu einer besser verträglichen Option bei Probandenmacht 8,9,10. Um die durch iTBS induzierten neuroplastischen Effekte zu bewerten, messen Forscher häufig Veränderungen der Amplituden des motorisch evozierten Potentials (MEP), die durch Elektromyographie (EMG) aufgezeichnet werden und eine erhöhte kortikospinale Erregbarkeit widerspiegeln11. Studien haben gezeigt, dass diese MEP-Enhancements bis zu 60 Minuten nach der Stimulation bestehen bleiben können, was auf eine vorübergehende, aber robuste Modulation der kortikalen Erregbarkeit hinweist10,12. Aufgrund der kurzen Verabreichungszeit und des gut etablierten Sicherheitsprofils eignet sich iTBS besonders für wiederholte Anwendungen sowohl im experimentellen als auch im klinischen Kontext10. Insbesondere ein Standard-iTBS-Protokoll (600 Impulse, 192 s) sowie herkömmliche 10-Hz-rTMS-Protokolle (1.200-1.500 Impulse, 15-20 min) induzieren zuverlässig vergleichbare LTP-ähnliche Plastizitätseffekte 8,13. Als solches wird es zunehmend verwendet, um die synaptische Plastizität bei gesunden Personen und Patientenpopulationen zu untersuchen, was wertvolle Einblicke in plastizitätsbedingte Defizite bei neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer (AD), Schlaganfall und Depression liefert.

Die synaptische Plastizität, ein grundlegender Mechanismus der neuronalen Plastizität, liegt kritischen Prozessen wie Lernen und Gedächtnis zugrunde. Sie spiegelt die Fähigkeit des Gehirns wider, die Stärke und Wirksamkeit synaptischer Verbindungen als Reaktion auf Erfahrungen oder Umweltreize zu modifizieren14. Unter den verschiedenen Formen der synaptischen Plastizität ist LTP ein gut etabliertes Modell für Lernen und Gedächtnis durch die Verbesserung der synaptischen Übertragung15. Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass Beeinträchtigungen der LTP-ähnlichen Plastizität eng mit kognitiven und Verhaltensdefiziten bei neurologischen Störungen wie AD16 verbunden sind. Diese Beeinträchtigungen können krankheitsspezifische Störungen der synaptischen Signalübertragung und der plastizitätsbezogenen molekularen Signalwege widerspiegeln, einschließlich Veränderungen in der Induktion, Expression oder Aufrechterhaltung von LTP17. Daher ist das Verständnis und die Quantifizierung der synaptischen Plastizität unerlässlich, um therapeutische Strategien zur Wiederherstellung der kognitiven Funktion, der motorischen Kontrolle, der sensorischen Integration und der emotionalen Regulation voranzutreiben und eine effektive Neurorehabilitation zu ermöglichen.

Während Techniken wie iTBS zur Induktion von LTP-ähnlicher Plastizität und Einzelpuls-TMS zur Beurteilung der kortikalen Plastizität ein spannendes Potenzial bieten, erfordert ihre Anwendung die strikte Einhaltung standardisierter Protokolle, um Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Inkonsistente Methoden können zu Variabilität führen, die die Zuverlässigkeit der Ergebnisse beeinträchtigen kann. Darüber hinaus schränken methodische Inkonsistenzen zwischen den Studien, einschließlich Unterschieden in der Stimulationsintensität, der Positionierung der Spule und dem Zeitpunkt der Ergebnismessungen, die Reproduzierbarkeit der TMS-induzierten Plastizitätsergebnisse ein. In der Praxis wird iTBS typischerweise bei 80 % der ruhemotorischen Schwelle (RMT)18 verabreicht, und die zuverlässige Induktion der LTP-ähnlichen Plastizität hängt außerdem von einer präzisen Spulenpositionierung ab, die am häufigsten durch Neuronavigationsanleitungerreicht wird 19. Dementsprechend zielt dieser Artikel darauf ab, ein standardisiertes, neuronavigationsgesteuertes Protokoll zur Induktion von LTP-ähnlicher Plastizität durch iTBS zu demonstrieren, gefolgt von der Beurteilung der kortikalen Plastizität mittels Einzelpuls-TMS. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf den wesentlichen technischen Verfahren und betrieblichen Überlegungen, die erforderlich sind, um präzise und zuverlässige Messungen der kortikalen Plastizität zu erreichen.

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Protokoll

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Die Ethikkommission des ersten angeschlossenen Krankenhauses der Nanjing Medical University genehmigte die Protokolle (Nummer 2023-SR-789), und das Protokoll wurde im chinesischen Register für klinische Studien (Nummer ChiCTR2400082549) registriert. Alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit der Erklärung von Helsinki durchgeführt. Vor der Aufnahme in die Studie wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt.

1. Prozess der Einwilligung

  1. Erläutern Sie vor jeder Bewertung das Ziel der Bewertung, die wichtigsten experimentellen Verfahren und alle potenziellen Risikofaktoren im Zusammenhang mit der Studie. Beantworten Sie alle Fragen oder Bedenken. Fordern Sie die Bestätigung des Einwilligungsprozesses und die Unterschrift auf dem Einwilligungsformular an.
  2. Die Nichteinhaltung der TMS-Sicherheitskriterien stellt einen Ausschlussgrund dar. Stellen Sie die folgenden Fragen mit dokumentierten Antworten. Ein Ja zu einem Kriterium stellt einen Ausschlussgrund dar:
    Haben Sie Metallimplantate oder Geräte, die nicht mit TMS kompatibel sind (z. B. Herzschrittmacher, Cochlea-Implantate, Aneurysma-Clips)?
    Haben Sie eine Vorgeschichte von Epilepsie oder Krampfanfällen oder eine Familienanamnese von Epilepsie?
    Nehmen Sie derzeit Medikamente ein, die Anfälle auslösen können?
    Haben Sie schwere kognitive oder kommunikative Defizite, die eine Teilnahme an der Studie verhindern würden?
    Haben Sie schwere Erkrankungen der Halswirbelsäule (z. B. Zervixstenose oder Wirbelsäuleninstabilität)?
    Haben Sie direkte Verletzungen oder Schädeldefekte im Stimulationsbereich?
    Wenn Sie eine Frau im gebärfähigen Alter sind: Sind Sie schwanger oder möglicherweise schwanger? Bei Verdacht auf eine Schwangerschaft ist ein Blut- oder Urin-HCG-Test durchzuführen und positive Fälle auszuschließen.

2. Präparation des Kopfmodells mit Hilfe eines Neuronavigationssystems

  1. Verwenden Sie das Neuronavigationssystem (Version 2.5.3.50294) im gesamten Protokoll, um die Positionierung der Spule zu steuern, anatomische Orientierungspunkte zu registrieren, die Spule zu kalibrieren und die konsistente Spulenplatzierung während der RMT-Bestimmung und der iTBS-Stimulation beizubehalten.
  2. Einrichtung des Neuronavigationssystems: Verwenden Sie das System, um visuelles Echtzeit-Feedback über die Position der TMS-Spule und ihre Ausrichtung relativ zu anatomischen Orientierungspunkten zu erhalten, wodurch eine genaue Zielbestimmung während der funktionellen Identifizierung des motorischen Hotspots im primären motorischen Kortex (M1) gewährleistet wird, der dem kontralateralen Zielmuskel20 entspricht.
  3. Einrichtung eines dreidimensionalen (3D) Kopfmodells: Generieren Sie das 3D-Kopfmodell entweder unter Verwendung der in der Neuronavigationssoftware bereitgestellten Standard-Gehirnvorlagen oder anhand einzelner Magnetresonanztomographie (MRT)-Scans. Wenn Sie entweder den Einzel-MRT- oder den Standard-Schablonenmodus auswählen, registrieren Sie anatomische Orientierungspunkte in der axialen, sagittalen und koronalen Ebene. Führen Sie eine Segmentierung der Kopfhautoberfläche durch, um ein dreidimensionales Kopfmodell zu generieren.
  4. Kalibrierung der Spule
    1. Führen Sie nach Abschluss der Registrierung des Kopfmodells eine Spulenkalibrierung durch, um eine präzise Echtzeit-Verfolgung innerhalb des Neuronavigationssystems zu gewährleisten. Navigieren Sie durch die TMS-Einstellungen, klicken Sie auf Spulenauswahl> Werkzeugflächen kalibrieren. Platzieren Sie die TMS-Spule, die mit reflektierenden Markern ausgestattet ist, auf einem dafür vorgesehenen Kalibrierblock. Richten Sie die Referenzpunkte auf der physikalischen Spule unter Softwareanleitung mit den entsprechenden Punkten auf dem Kalibrierblock aus.
    2. Befolgen Sie nach der Erstkalibrierung die Systemanweisung, um die Spule über dem Kalibrierblock zu positionieren, um die Genauigkeit zu bestätigen. Klicken Sie auf Kalibrieren , um die automatische Kalibrierung zu starten. Akzeptieren Sie nur Kalibrierungen mit einem räumlichen Fehler unter 3 mm21. Führen Sie andernfalls eine Neukalibrierung durch. Sicherstellen, dass die Position, die Ausrichtung und der Neigungswinkel der Spule während der gesamten TMS-Sitzung22 zuverlässig verfolgt werden können.

3. Identifizierung des Motor-Hotspots

  1. Positionierung der Teilnehmer: Bitten Sie den Teilnehmer, auf einem bequemen Stuhl mit Rücken- und Armstütze zu sitzen, um Kopf- und Körperbewegungen zu minimieren. Halten Sie beide Hände während des Eingriffs völlig entspannt und ruhig. Vermeiden Sie Bewegungen der nicht zielgerichteten Hand, die die Messungen verwirren könnten.
  2. Einrichtung des Head-Trackings: Befestigen Sie die infrarotreflektierenden Marker an der Stirn, um die Echtzeit-Verfolgung der Kopfposition während der Sitzung zu ermöglichen. Befestigen Sie die Marker mit Klebepflastern und stellen Sie sicher, dass sie von der Neuronavigation erkannt werden, was durch grüne Markierungen angezeigt wird (nicht erkannte Marker werden rot angezeigt).
  3. Landmark-Registrierung: Verwenden Sie einen verfolgten Zeiger, um nacheinander drei anatomische Orientierungspunkte auf der Kopfhaut zu markieren: die Nasión, die linke supratragische Kerbe und die rechte supratragische Kerbe. Ermöglichen Sie dem Neuronavigationssystem, die tatsächliche Kopfposition räumlich mit dem 3D-Kopfmodell23 zu registrieren.
  4. Probenahme der Kopfform: Verwenden Sie den Zeiger, um etwa 200 bis 300 zusätzliche Punkte auf der Kopfhaut zu sammeln, um die Registrierungsgenauigkeitzu verbessern 24. Ermöglichen Sie der Software, ein individualisiertes Kopfformmodell auf der Grundlage dieser Punkte automatisch anzupassen, um die Ausrichtung zwischen MRT-Bildern und dem tatsächlichen Koordinatensystem25 zu optimieren.
  5. EMG-Aufzeichnung: Platzieren Sie die Aufzeichnungselektrode über dem Bauch des Zielm. Abductor pollicis brevis (APB) und die Referenzelektrode in der Nähe des Interphalangealgelenks des Daumens, in einem Abstand von ca.26. Nehmen Sie MEPs mit einer Abtastrate von 100 kHz mit einer Mindestauflösung von <0,2 μV und einem Frequenzgangbereich von 1-25 kHz auf, während die Elektrodenimpedanzen unter 5 kΩ gehalten wurden. Stellen Sie sicher, dass das EMG-Basissignal minimales Rauschen, eine stabile Wellenform und keine offensichtliche Drift oder elektrische Interferenz aufweist, bevor Sie fortfahren27.
  6. Ermitteln des Motor-Hotspots
    1. Bestimmen Sie die M1-Koordinaten durch Verabreichung einer Einzelimpuls-TMS (Achterspule, 70 mm) etwa 5 cm lateral und 0-1 cm anterior relativ zum Vertex28, kontralateral zum Zielmuskel, um die maximale MEP-Amplitude hervorzurufen, was eine präzise Lokalisierung des motorischen Hotspots ermöglicht. Halten Sie die Hand vollständig entspannt, um eine willkürliche Muskelkontraktion zu vermeiden, die die MEP-Messungen beeinträchtigen könnte.
    2. Richten Sie den Griff der Spule um 45° nach hinten zur Mittellinie aus, um den elektromagnetischen Strom senkrecht zum zentralen Sulcus29 zu übertragen. Bewegen Sie die Spirale systematisch in 1-cm-Schritten um den markierten M1-Bereich in alle Richtungen, einschließlich anterior, posterior, medial und lateral30, in Abständen von 5 s31. Definieren Sie den Motor-Hotspot als den Standort, der die größte MEP-Amplitude in der entspannten APB32 erzeugt.
  7. Motorische Hotspot-Markierung: Sobald der funktional definierte motorische Hotspot identifiziert ist, markieren Sie ihn sofort innerhalb des Neuronavigationssystems. Lassen Sie das System nach der Markierung automatisch wichtige räumliche Parameter aufzeichnen, einschließlich des Abstands zwischen der Spule und dem Zielpunkt, der Neigungsabweichung und der Rotationsabweichung. Verwenden Sie diese Metriken, um eine präzise und reproduzierbare Spulenplatzierung während des gesamten Stimulationsverfahrens33 zu gewährleisten.

4. RMT-Ermittlung

  1. Messen Sie die Peak-to-Peak-Amplitude anhand von Oberflächen-EMG-Daten, um den MEP zu erhalten, wobei Sie den gleichen EMG-Aufbau und die gleichen Parameter wie in Schritt 3.5 beschrieben anwenden. Definieren Sie RMT als die minimale Stimulusintensität, die in mindestens fünf von zehn aufeinanderfolgenden Einzelpuls-TMS-Versuchen einen MEP mit Spitze-zu-Spitze-Amplituden von mehr als 50 μV hervorruft28.

5. Bewertung der LTP-ähnlichen Plastizität

  1. Ausgangsbewertungen: Erfassen Sie 20 aufeinanderfolgende TMS-evozierte MEPs in 5-s-Intervallen am motorischen Hotspot. Stellen Sie die Stimulusintensität der MEPs auf 120 % RMT ein, was an MEPs von ca. 1 mV34 erinnert.
  2. Induktion von LTP-ähnlicher Plastizität: Stimulieren Sie mit einem TMS-Gerät (Achterspule, 70 mm). Tragen Sie iTBS mit einer Intensität von 80 % RMT auf den Motor-Hotspot auf, um eine LTP-ähnliche Plastizität zu induzieren. Verwenden Sie das iTBS-Protokoll, das aus Ausbrüchen von drei Stimuli bei 50 Hz besteht, die mit 5 Hz wiederholt werden. Wiederholen Sie einen 2-s-Zug dieses Impulsstimulus, gefolgt von 8 s Pause für insgesamt 200 s (600 Impulse)10.
  3. Plastizitätsbewertung: Erfassen Sie 20 MEPs nach 5 Minuten, 10 Minuten, 15 Minuten und 30 Minuten nach der iTBS-Intervention mit der gleichen Stimulationsintensität (120 % RMT), um die Plastizität35 zu beurteilen.
  4. LTP-ähnliche Plastizitätsquantifizierung: Berechnen Sie die mittlere Peak-to-Peak-Amplitude der 20 MEPs, die zu jedem Zeitpunkt (Baseline, 5 min, 10 min, 15 min und 30 min nach iTBS) aufgezeichnet wurden, um die kortikale Erregbarkeit quantitativ widerzuspiegeln36. Die MEP-Amplituden nach der Stimulation werden als normalisiertes Verhältnis relativ zum Ausgangswert ausgedrückt, um die Erregbarkeitsmaße über Sitzungen und Individuen hinweg zu standardisieren. Das Ergebnis ist die rohe MEP-Amplitude und die normierte MEP-Amplitude zum letzten Post-iTBS-Zeitpunkt, was den Behandlungseffekt37 darstellt.
  5. Berechnen Sie die normierte MEP-Amplitude zu jedem Zeitpunkt wie folgt:
    Gleichung 1
    Klassifizieren Sie Personen mit einem normalisierten MEP-Wert im Gesamtdurchschnitt >1,1 als erleichtert, <0,9 als gehemmt und zwischen 0,9 und 1,1 als unverändert nach jeder iTBS-Bedingung38.

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Ergebnisse

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Während der Demonstration wurde ein Neuronavigationssystem verwendet, um die genaue Positionierung der TMS-Spule über dem Motor-Hotspot zu steuern, räumliches Feedback in Echtzeit zu geben und die Variabilität der Spulenplatzierung zu minimieren. Ein TMS-Gerät (Achterspirale, 70 mm) sorgte während der gesamten Sitzung für eine Stimulation. Um das Vorgehen zu veranschaulichen, werden im Folgenden repräsentative Ergebnisse eines Teilnehmers vorgestellt. Die aufgezeichneten MEP-Amplituden zeigten stabile und konsistente Rea...

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Diskussion

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Die Anwendung der TMS zur Untersuchung der synaptischen Plastizität hat ein großes Potenzial für die Weiterentwicklung der neurophysiologischen Forschung. Insbesondere kann die Einzelpuls-TMS zur Beurteilung der LTP-ähnlichen Plastizität verwendet werden, während die rTMS eine praktische, nicht-invasive Methode zur Induktion bietet. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit dieser Erkenntnisse hängt jedoch stark von der Standardisierung der Verfahrensparameter ab. Dementsprechend bietet die...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder andere Interessenkonflikte im Zusammenhang mit dieser Arbeit.

Danksagungen

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Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 82372582, 82503067), dem Wettbewerbsprojekt des Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramms der Provinz Jiangsu (Nr. BE2023034), unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
70 mm TMS-SpuleYiruide Co., Wuhan, China
Elektromyographie-OberflächenelektrodenCathay, Shanghai, ChinaCM25R
Elektromyographie-SystemYiruide Co., Wuhan, China
NeuronavigationszeigerANT Neuro, Deutschland
Neuronavigations-reflektierende MarkerANT Neuro, Deutschland
NeuronavigationssystemANT Neuro, DeutschlandVisor2, Version 2.5.3.50294
TMS-StimulatorYiruide Co., Wuhan, ChinaNS5000

Referenzen

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