Inducción estandarizada y evaluación de la plasticidad cortical similar a la potenciación a largo plazo mediante estimulación magnética transcraneal

En los últimos años, la estimulación magnética transcraneal (EMT) ha surgido como una técnica no invasiva, rentable y eficiente para sondear y modular la actividad neuronal en el cerebro humano¹. Entre varios paradigmas de estimulación, la estimulación intermitente de la ráfaga theta (iTBS) ha atraído una atención significativa por su capacidad para inducir una plasticidad similar a la potenciación a largo plazo (LTP) en la corteza motora humana². Específicamente, iTBS ofrece ráfagas de alta frecuencia a intervalos theta, imitando patrones de acoplamiento endógeno theta-gamma asociados con la plasticidad sináptica³. Induce una plasticidad similar a la LTP mediante la activación de los receptores de N-metil-D-aspartato (NMDAR)⁴, lo que alivia el bloqueo de Mg²⁺ y permite que Ca²⁺ ingrese a la neurona postsináptica⁵. Esta entrada de Ca²⁺ desencadena cascadas de señalización aguas abajo, incluida la activación de la proteína quinasa II estimulada por calcio/calmodulina (CaMKII), que promueve la fosforilación⁶ y la inserción de receptores de ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropiónico (AMPAR), mejorando así la transmisión sináptica⁷. En comparación con otros enfoques no invasivos, como la estimulación magnética transcraneal repetida (rTMS) o la estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS), la iTBS puede inducir plasticidad cortical similar a la LTP con una duración de estimulación más corta y una intensidad más baja, lo que la convierte en una opción mejor tolerada en los sujetos ^8,9,10. Para evaluar los efectos neuroplásticos inducidos por iTBS, los investigadores comúnmente miden los cambios en las amplitudes del potencial evocado motor (MEP) registradas a través de la electromiografía (EMG), que reflejan una mayor excitabilidad corticoespinal¹¹. Los estudios han demostrado que estas mejoras de MEP pueden persistir hasta 60 min después de la estimulación, lo que indica una modulación transitoria pero robusta de la excitabilidad cortical^10,12. Debido a su breve tiempo de administración y a su perfil de seguridad bien establecido, iTBS es especialmente adecuado para aplicaciones repetidas tanto en contextos experimentales como clínicos¹⁰. Específicamente, un protocolo iTBS estándar (600 pulsos, 192 s), así como los protocolos rTMS convencionales de 10 Hz (1.200-1.500 pulsos, 15-20 min), inducen de manera confiable efectos de plasticidad similares a LTP ^8,13. Como tal, se ha utilizado cada vez más para probar la plasticidad sináptica en individuos sanos y poblaciones de pacientes, proporcionando información valiosa sobre los déficits relacionados con la plasticidad en trastornos neurológicos como la enfermedad de Alzheimer (EA), el accidente cerebrovascular y la depresión.

La plasticidad sináptica, un mecanismo fundamental de la plasticidad neuronal, subyace a procesos críticos como el aprendizaje y la memoria. Refleja la capacidad del cerebro para modificar la fuerza y la eficacia de las conexiones sinápticas en respuesta a la experiencia o a los estímulos ambientales¹⁴. Entre varias formas de plasticidad sináptica, LTP es un modelo bien establecido para el aprendizaje y la memoria a través de la mejora de la transmisión sináptica¹⁵. La evidencia acumulada indica que las deficiencias en la plasticidad similar a LTP están estrechamente asociadas con déficits cognitivos y conductuales en trastornos neurológicos como AD¹⁶. Estas deficiencias pueden reflejar interrupciones específicas de la enfermedad en la señalización sináptica y las vías moleculares relacionadas con la plasticidad, incluidas las alteraciones en la inducción, expresión o mantenimiento de LTP¹⁷. Por lo tanto, comprender y cuantificar la plasticidad sináptica es esencial para avanzar en estrategias terapéuticas para restaurar la función cognitiva, el control motor, la integración sensorial y la regulación emocional, y para facilitar una neurorrehabilitación efectiva.

Si bien técnicas como iTBS para inducir plasticidad similar a LTP y TMS de pulso único para evaluar la plasticidad cortical ofrecen un potencial emocionante, su aplicación requiere un estricto cumplimiento de protocolos estandarizados para garantizar la precisión y la reproducibilidad. Los métodos inconsistentes pueden conducir a la variabilidad, lo que puede dificultar la confiabilidad de los hallazgos. Además, las inconsistencias metodológicas entre los estudios, incluidas las diferencias en la intensidad de la estimulación, el posicionamiento de la bobina y el momento de las mediciones de resultados, limitan la reproducibilidad de los hallazgos de plasticidad inducida por TMS. En la práctica, el iTBS se administra típicamente al 80% del umbral motor en reposo (RMT)¹⁸, y la inducción confiable de plasticidad similar a LTP depende además del posicionamiento preciso de la bobina, que se logra más comúnmente a través de la guía de neuronavegación¹⁹. En consecuencia, este artículo tiene como objetivo demostrar un protocolo estandarizado guiado por neuronavegación para inducir plasticidad similar a LTP a través de iTBS, seguido de la evaluación de la plasticidad cortical utilizando TMS de pulso único. El enfoque de este artículo estará en los procedimientos técnicos esenciales y las consideraciones operativas necesarias para lograr mediciones precisas y confiables de la plasticidad cortical.

El Comité de Ética del Primer Hospital Afiliado de la Universidad Médica de Nanjing aprobó los protocolos (número 2023-SR-789) y el protocolo se registró en el Registro Chino de Ensayos Clínicos (número ChiCTR2400082549). Todos los procedimientos se llevaron a cabo de acuerdo con la Declaración de Helsinki. Se obtuvo el consentimiento informado por escrito antes de la inscripción en el estudio.

1. Proceso de consentimiento

1. Antes de cualquier evaluación, explique los objetivos de la evaluación, los principales procedimientos experimentales y cualquier factor de riesgo potencial asociado con el estudio. Responda cualquier pregunta o inquietud. Solicitar el reconocimiento del proceso de consentimiento y la firma en el formulario de consentimiento informado.
2. El incumplimiento de los criterios de seguridad de TMS constituye motivo de exclusión. Haga las siguientes preguntas con las respuestas documentadas. Una respuesta afirmativa a cualquier criterio constituye motivo de exclusión:
   ¿Tiene implantes metálicos o dispositivos incompatibles con TMS (por ejemplo, marcapasos, implantes cocleares, clips para aneurismas)?
   ¿Tiene antecedentes de epilepsia o convulsiones, o antecedentes familiares de epilepsia?
   ¿Actualmente está tomando algún medicamento que pueda inducir convulsiones?
   ¿Tiene déficits cognitivos o de comunicación graves que impedirían participar en el estudio?
   ¿Tiene trastornos graves de la columna cervical (p. ej., estenosis cervical o inestabilidad espinal)?
   ¿Tiene alguna lesión directa o defecto craneal en el área de estimulación?
   Si eres una mujer en edad fértil: ¿Estás embarazada o posiblemente embarazada? Si se sospecha embarazo, realizar una prueba de HCG en sangre u orina y excluir los casos positivos.

2. Preparación del modelo de cabeza mediante un sistema de neuronavegación

1. Utilice el sistema de neuronavegación (versión 2.5.3.50294) en todo el protocolo para guiar el posicionamiento de la bobina, registrar puntos de referencia anatómicos, calibrar la bobina y mantener una colocación constante de la bobina durante la determinación de RMT y la estimulación de iTBS.
2. Configuración del sistema de neuronavegación: Utilice el sistema para obtener información visual en tiempo real sobre la posición de la bobina TMS y su alineación en relación con los puntos de referencia anatómicos, asegurando una orientación precisa durante la identificación funcional del punto caliente motor en la corteza motora primaria (M1) correspondiente al músculo diana contralateral²⁰.
3. Establecimiento de un modelo de cabeza tridimensional (3D): Genere el modelo de cabeza 3D utilizando las plantillas cerebrales estándar proporcionadas en el software de neuronavegación o construido a partir de imágenes de resonancia magnética (IRM) individuales. Al seleccionar el modo de resonancia magnética individual o plantilla estándar, registre puntos de referencia anatómicos en los planos axial, sagital y coronal. Realice la segmentación de la superficie del cuero cabelludo para generar un modelo de cabeza tridimensional.
4. Calibración de bobinas
   1. Una vez completado el registro del modelo de cabezal, realice la calibración de la bobina para garantizar un seguimiento preciso en tiempo real dentro del sistema de neuronavegación. Navegue por la configuración de TMS, haga clic en Selección de bobina> Calibrar caras de herramientas. Coloque la bobina TMS, equipada con marcadores reflectantes, en un bloque de calibración designado. Alinee los puntos de referencia en la bobina física con los puntos correspondientes en el bloque de calibración bajo la guía del software.
   2. Después de la calibración inicial, siga las instrucciones del sistema para colocar la bobina sobre el bloque de calibración para confirmar la precisión. Haga clic en Calibrar para iniciar la calibración automática. Acepte solo calibraciones con un error espacial inferior a 3 mm²¹. De lo contrario, realice la recalibración. Asegúrese de que la posición, la orientación y el ángulo de inclinación de la bobina se puedan rastrear de manera confiable durante toda la sesión de TMS²².

3. Identificación del punto caliente del motor

1. Posicionamiento del participante: Pídale al participante que se siente en una silla cómoda con respaldo y apoyo para los brazos para minimizar el movimiento de la cabeza y el cuerpo. Mantenga ambas manos completamente relajadas y quietas durante el procedimiento. Evite los movimientos de la mano no dirigida que puedan confundir las mediciones.
2. Configuración de seguimiento de la cabeza: Coloque los marcadores reflectantes infrarrojos en la frente para permitir el seguimiento en tiempo real de la posición de la cabeza durante la sesión. Asegure los marcadores con parches adhesivos y asegúrese de que sean reconocidos por el sistema de neuronavegación, indicado por marcadores verdes (los marcadores no reconocidos aparecen en rojo).
3. Registro de puntos de referencia: use un puntero rastreado para marcar secuencialmente tres puntos de referencia anatómicos en el cuero cabelludo: la nasion, la muesca supratrágica izquierda y la muesca supratrágica derecha. Habilite el sistema de neuronavegación para registrar espacialmente la posición real de la cabeza con el modelo de cabeza 3D²³.
4. Muestreo de la forma de la cabeza: Utilice el puntero para recoger aproximadamente de 200 a 300 puntos adicionales en el cuero cabelludo para mejorar la precisión del registro²⁴. Permita que el software ajuste automáticamente un modelo de forma de cabeza individualizado basado en estos puntos para optimizar la alineación entre las imágenes de resonancia magnética y el sistema de coordenadas real²⁵.
5. Registro EMG: Coloque el electrodo de registro sobre el abdomen del músculo abductor corto del pulgar (APB) y el electrodo de referencia cerca de la articulación interfalángica del pulgar, aproximadamente a 2 cm de distancia²⁶. Registre MEP a una frecuencia de muestreo de 100 kHz con una resolución mínima de <0,2 μV y un rango de respuesta de frecuencia de 1-25 kHz, mientras que las impedancias de los electrodos se mantuvieron por debajo de 5 kΩ. Asegúrese de que la señal EMG de referencia muestre un ruido mínimo, una forma de onda estable y sin deriva obvia o interferencia eléctrica antes de continuar²⁷.
6. Determinar el punto caliente del motor
   1. Determine las coordenadas M1 administrando TMS de pulso único (bobina en forma de ocho, 70 mm) aproximadamente 5 cm lateral y 0-1 cm anterior en relación con el vértice²⁸, contralateral al músculo objetivo para obtener la máxima amplitud MEP, lo que facilita la localización precisa del punto caliente motor. Mantenga la mano completamente relajada para evitar la contracción muscular voluntaria que podría interferir con las mediciones de MEP.
   2. Oriente el mango de la bobina 45° posterior a la línea media para transmitir la corriente electromagnética perpendicular al surco central²⁹. Mueva la bobina sistemáticamente en pasos de 1 cm alrededor de la región M1 marcada en todas las direcciones, incluidas la anterior, posterior, medial y lateral³⁰, a intervalos de 5 s³¹. Defina el punto caliente del motor como el sitio que produce la mayor amplitud MEP en el APB³² relajado.
7. Marcado del punto caliente motor: Una vez identificado el punto caliente motor definido funcionalmente, márquelo inmediatamente dentro del sistema de neuronavegación. Al marcar, permita que el sistema registre automáticamente los parámetros espaciales clave, incluida la distancia entre la bobina y el punto objetivo, la desviación de inclinación y la desviación de rotación. Utilice estas métricas para garantizar una colocación precisa y reproducible de la bobina durante todo el procedimiento de estimulación³³.

4. Determinación del RMT

1. Mida la amplitud de pico a pico utilizando datos de EMG de superficie para obtener el MEP, aplicando la misma configuración y parámetros de EMG que se describen en el paso 3.5. Defina RMT como la intensidad mínima del estímulo que provoca un MEP con amplitudes pico a pico superiores a 50 μV en al menos cinco de cada diez ensayos consecutivos de TMS de pulso único²⁸.

5. Evaluación de la plasticidad similar a LTP

1. Evaluaciones de referencia: Registre 20 MEP consecutivos evocados por TMS a intervalos de 5 s en el punto caliente motor. Establezca la intensidad del estímulo de los MEP en 120% RMT, lo que evoca MEP de aproximadamente 1 mV³⁴.
2. Inducción de plasticidad similar a LTP: Administre estimulación usando un dispositivo TMS (bobina en forma de ocho, 70 mm). Aplique iTBS sobre el punto caliente motor a una intensidad del 80% RMT para inducir una plasticidad similar a la LTP. Utilice el protocolo iTBS que consiste en ráfagas de tres estímulos a 50 Hz repetidos a 5 Hz. Repita un tren de 2 s de este estímulo de pulso seguido de 8 s de reposo para un total de 200 s (600 pulsos)¹⁰.
3. Evaluación de la plasticidad: Registre 20 MEP a los 5 min, 10 min, 15 min y 30 min después de la intervención de iTBS utilizando la misma intensidad de estimulación (120% RMT) para evaluar la plasticidad³⁵.
4. Cuantificación de plasticidad similar a LTP: Calcule la amplitud media de pico a pico de los 20 MEP registrados en cada punto de tiempo (línea de base, 5 min, 10 min, 15 min y 30 min post-iTBS) para reflejar cuantitativamente la excitabilidad cortical³⁶. Las amplitudes de MEP posteriores a la estimulación se expresan como una relación normalizada en relación con la línea de base para estandarizar las medidas de excitabilidad entre sesiones e individuos. El resultado es la amplitud de MEP bruta y la amplitud de MEP normalizada en el punto de tiempo final posterior a iTBS, que representa el efecto del tratamiento³⁷.
5. Calcule la amplitud MEP normalizada en cada punto de tiempo como:
   
   Clasifique a los individuos con un valor promedio promedio normalizado de MEP >1.1 como facilitado, <0.9 como inhibido y entre 0.9 y 1.1 como inalterado después de cada condición de iTBS³⁸.

Durante la demostración, se utilizó un sistema de neuronavegación para guiar el posicionamiento preciso de la bobina TMS sobre el punto caliente del motor, proporcionando retroalimentación espacial en tiempo real y minimizando la variabilidad de la colocación de la bobina. Un dispositivo TMS (bobina en forma de ocho, 70 mm) administró estimulación durante toda la sesión. Para ilustrar el procedimiento, a continuación se presentan los resultados representativos de un participante. Las amplitudes MEP registradas exhibieron respuestas estables y consistentes en ensayos de pulso único, lo que refleja la estabilidad proporcionada por la colocación de la bobina guiada por la neuronavegación. Los aumentos dependientes del tiempo en la amplitud de MEP después de iTBS indican plasticidad similar a LTP. Los datos se pueden analizar comparando las amplitudes de MEP brutas de referencia y posteriores a la estimulación y las amplitudes de MEP normalizadas, así como clasificando las respuestas individuales como facilitación, inhibición o inalteración. En general, estos resultados representativos demuestran que el protocolo descrito permite una localización precisa del punto caliente motor, la estimulación reproducible y la evaluación cuantitativa de los cambios plásticos similares a LTP inducidos por la estimulación.

Configuración y localización del sistema de neuronavegación

Se realizó el procedimiento de configuración y localización del sistema de neuronavegación para identificar y registrar puntos de referencia anatómicos individuales en los planos axial, sagital y coronal, incluida la nasión, la muesca supratrágica izquierda y la muesca supratrágica derecha. Estos puntos de referencia sirvieron como referencias fiduciales para la posterior creación del modelo de cabeza 3D individualizado, asegurando un registro conjunto preciso entre las estructuras anatómicas y los objetivos de estimulación (Figura 1). El registro espacial se inicializó identificando los mismos tres puntos de referencia anatómicos en el cuero cabelludo. El sistema proporcionó retroalimentación visual en tiempo real sobre la posición de la bobina y su alineación en relación con los sitios de estimulación predefinidos dentro del M1 contralateral al músculo objetivo, asegurando que la estimulación se administrara con precisión a las áreas corticales objetivo.

Figura 1: Registro de puntos de referencia. Identificación de puntos de referencia anatómicos en el cráneo del participante utilizando el sistema de neuronavegación para permitir un registro espacial preciso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Establecimiento del modelo de cabeza 3D

Se generó un modelo de cabeza 3D individualizado del cuero cabelludo del participante basado en el registro de neuronavegación y el muestreo de la superficie del cuero cabelludo. El error de registro medio durante la alineación de los puntos de referencia anatómicos y la forma de la cabeza fue inferior a 1,5 mm, lo que permitió una colocación precisa de la bobina durante toda la sesión de estimulación (Figura 2).

Figura 2: Construcción del modelo de cabeza 3D. Visualización del modelo de cabeza 3D reconstruido basado en el registro de neuronavegación y muestreo de la superficie del cuero cabelludo, lo que permite un seguimiento preciso de la bobina y un mapeo cortical durante la estimulación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Identificación del punto caliente del motor

El punto caliente motor se identificó funcionalmente en función de los MEP evocados por TMS estimulando el cerebro con TMS y registrando los MEP. El sitio que produjo la respuesta más fuerte se definió como el punto caliente del motor (Figura 3).

Figura 3: Localización del punto caliente motor. Visualización en tiempo real del sitio de estimulación sobre el M1 contralateral al músculo objetivo correspondiente al punto caliente motor para el APB objetivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Determinación de RMT

El RMT se determinó mediante TMS de pulso único. El RMT fue la intensidad de estimulación más baja a la que se observaron MEP con amplitudes pico a pico >50 μV en al menos 5 de 10 ensayos consecutivos, según la definición estándar de RMT28, lo que garantiza que la estimulación TMS estaba por encima del umbral para la activación motora efectiva (Figura 4).

Figura 4: Determinación de RMT. Forma de onda MEP representativa registrada desde el APB objetivo durante la evaluación RMT. Los números del 1 al 10 indican 10 ensayos consecutivos de TMS de pulso único. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Mediciones de referencia

Antes de iTBS, la excitabilidad corticoespinal se evaluó mediante la administración de 20 estímulos TMS de pulso único al 120% de RMT con intervalos de 5 s sobre el punto caliente motor identificado (Figura 5).

Figura 5: MEP de referencia. Veinte eurodiputados representativos de la APB objetivo fueron obtenidos por TMS de pulso único al 120% de RMT en condiciones relajadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Inducción de plasticidad similar a LTP

El protocolo iTBS se administró al 80% del RMT individual, utilizando ráfagas de tres pulsos a 50 Hz repetidos a 5 Hz (600 pulsos durante 200 s). Los registros del modo estimulador confirmaron que todas las sesiones entregaron el recuento de pulsos planificado sin interrupción y la intensidad de salida se mantuvo estable en todo momento.

Cuantificación de plasticidad similar a LTP

Después de la aplicación del protocolo iTBS, las amplitudes de MEP se registraron en múltiples puntos de tiempo (por ejemplo, 5 min, 10 min, 15 min y 30 min) para observar cambios en la excitabilidad cortical a lo largo del tiempo (Figura 6).

Figura 6: MEPs post-iTBS. Los MEP representativos de un participante se registraron desde el APB objetivo al 120% de RMT a (A) 5 min, (B) 10 min, (C) 15 min y (D) 30 min después de iTBS. Cada panel muestra 20 formas de onda, que ilustran la modulación de amplitud dependiente del tiempo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Diputados al Parlamento Europeo en bruto

Para cuantificar los cambios en la excitabilidad, se calcularon las amplitudes medias de MEP pico a pico al inicio y en cada punto de tiempo posterior a la estimulación (Figura 7).

Figura 7: Amplitudes medias de MEP. Las amplitudes medias de MEP se registran al inicio y a los 5 min, 10 min, 15 min y 30 min después de iTBS en un participante representativo. Cada punto de datos representa la media de 20 estímulos TMS de pulso único, con barras de error que indican la desviación estándar (DE). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

MEP normalizados

Las amplitudes de MEP en cada punto de tiempo posterior a la estimulación se normalizaron a la línea de base. El aumento dependiente del tiempo y la posterior disminución de la amplitud de MEP reflejan el perfil característico de la plasticidad similar a LTP (Figura 8).

Figura 8: Amplitudes MEP medias normalizadas. Las amplitudes de MEP se normalizaron a valores basales (relación post/basal) a los 5 min, 10 min, 15 min y 30 min después de iTBS en un participante representativo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Se observó un aumento notable en la amplitud de MEP en los primeros minutos después de la estimulación, lo que refleja una mejora transitoria en la excitabilidad corticoespinal. Esta mejora disminuye gradualmente con el tiempo. De acuerdo con los criterios de clasificación predefinidos38 (valor de MEP normalizado >1,1 como facilitado, <0,9 como inhibido y entre 0,9 y 1,1 como inalterado), el participante representativo se clasificó como facilitado, con el valor medio normalizado de MEP en todos los puntos de tiempo posteriores a la estimulación (5 min, 10 min, 15 min y 30 min) superior a 1,1. Esta modulación dependiente del tiempo se interpreta comúnmente como una manifestación de plasticidad similar a LTP.

Los autores no tienen intereses financieros contrapuestos u otros conflictos de intereses de conformidad con este trabajo.