Article de méthode

Induction et évaluation standardisées de la plasticité corticale à long terme de type potentialisation à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne

DOI :

10.3791/69425

⸱

7 novembre 2025

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

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

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

Cet article décrit l’induction standardisée de la plasticité corticale à long terme de type potentialisation à l’aide de protocoles de stimulation répétitive, suivie de l’application d’une stimulation magnétique transcrânienne à impulsion unique guidée par un système de neuronavigation pour évaluer la plasticité synaptique.

Résumé

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

Ces dernières années, la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est apparue comme une technique non invasive, peu coûteuse et efficace pour évaluer les changements synaptiques dans le cerveau. La plasticité synaptique est un mécanisme fondamental de la plasticité neuronale qui reflète la capacité du cerveau à modifier la force et l’efficacité des connexions synaptiques en réponse à l’expérience ou aux stimuli environnementaux. La potentialisation à long terme (LTP) sert de modèle expérimental prédominant pour l’étude des mécanismes de plasticité synaptique, jouant un rôle essentiel dans la compréhension de la plasticité synaptique et de la fonction cérébrale globale. Des modèles de stimulation spécifiques, en particulier des modèles répétitifs ou en rafale d’impulsions tels que la stimulation intermittente par éclatement thêta (iTBS), pourraient induire une plasticité corticale de type LTP, fournissant une approche non invasive réalisable pour évaluer la plasticité synaptique. Cependant, l’application de ces techniques nécessite le strict respect de protocoles standardisés afin d’assurer l’exactitude et la fiabilité des résultats. Par conséquent, cet article vise à démontrer une approche standardisée pour induire une plasticité de type LTP à l’aide de l’iTBS, suivie d’une évaluation de la plasticité synaptique avec une TMS à impulsion unique, les deux procédures étant guidées par un système de neuronavigation. Cet article se concentrera sur les procédures techniques essentielles et les considérations opérationnelles nécessaires pour obtenir des mesures précises et fiables de la plasticité corticale.

Introduction

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Ces dernières années, la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est apparue comme une technique non invasive, rentable et efficace pour sonder et moduler l’activité neuronale dans le cerveau humain1. Parmi les différents paradigmes de stimulation, la stimulation intermittente par éclatement thêta (iTBS) a attiré beaucoup d’attention pour sa capacité à induire une plasticité semblable à celle de la potentialisation à long terme (LTP) dans le cortex moteur humain2. Plus précisément, iTBS délivre des rafales à haute fréquence à des intervalles thêta, imitant les modèles de couplage thêta-gamma endogènes associés à la plasticité synaptique3. Il induit une plasticité de type LTP en activant les récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDAR)4, ce qui soulage le bloc Mg2+ et permet à Ca2+ d’entrer dans le neurone postsynaptique5. Cet afflux de Ca2+ déclenche des cascades de signalisation en aval, y compris l’activation de la protéine kinase II stimulée par le calcium/calmoduline (CaMKII), qui favorise la phosphorylation6 et l’insertion des récepteurs de l’acide α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique (AMPAR), améliorant ainsi la transmission synaptique7. Par rapport à d’autres approches non invasives, telles que la stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) ou la stimulation transcrânienne à courant continu (tDCS), l’iTBS peut induire une plasticité corticale de type LTP avec une durée de stimulation plus courte et une intensité plus faible, ce qui en fait une option mieux tolérée chez les sujets 8,9,10. Pour évaluer les effets neuroplastiques induits par l’iTBS, les chercheurs mesurent couramment les changements dans les amplitudes du potentiel évoqué moteur (MEP) enregistrées par électromyographie (EMG), qui reflètent une excitabilité corticospinale accrue11. Des études ont montré que ces améliorations MEP peuvent persister jusqu’à 60 minutes après la stimulation, indiquant une modulation transitoire mais robuste de l’excitabilité corticale10,12. En raison de sa courte durée d’administration et de son profil d’innocuité bien établi, iTBS est particulièrement adapté aux applications répétées dans des contextes expérimentaux et cliniques10. Plus précisément, un protocole iTBS standard (600 impulsions, 192 s), ainsi que des protocoles rTMS conventionnels 10 Hz (1 200-1 500 impulsions, 15-20 min), induisent de manière fiable des effets de plasticité comparables de type LTP 8,13. En tant que tel, il a été de plus en plus utilisé pour sonder la plasticité synaptique chez les individus en bonne santé et les populations de patients, fournissant des informations précieuses sur les déficits liés à la plasticité dans les troubles neurologiques tels que la maladie d’Alzheimer (MA), les accidents vasculaires cérébraux et la dépression.

La plasticité synaptique, un mécanisme fondamental de la plasticité neuronale, sous-tend des processus critiques tels que l’apprentissage et la mémoire. Il reflète la capacité du cerveau à modifier la force et l’efficacité des connexions synaptiques en réponse à l’expérience ou aux stimuli environnementaux14. Parmi les différentes formes de plasticité synaptique, la LTP est un modèle bien établi pour l’apprentissage et la mémoire par l’amélioration de la transmission synaptique15. De plus en plus de preuves indiquent que les altérations de la plasticité de type LTP sont étroitement associées aux déficits cognitifs et comportementaux dans les troubles neurologiques tels que la MA16. Ces déficiences peuvent refléter des perturbations spécifiques à la maladie dans la signalisation synaptique et les voies moléculaires liées à la plasticité, y compris des altérations de l’induction, de l’expression ou du maintien de LTP17. Par conséquent, la compréhension et la quantification de la plasticité synaptique sont essentielles pour faire progresser les stratégies thérapeutiques visant à restaurer la fonction cognitive, le contrôle moteur, l’intégration sensorielle et la régulation émotionnelle, et à faciliter une neuroréhabilitation efficace.

Bien que des techniques telles que l’iTBS pour induire une plasticité de type LTP et la TMS à impulsion unique pour évaluer la plasticité corticale offrent un potentiel intéressant, leur application nécessite le strict respect de protocoles standardisés pour garantir la précision et la reproductibilité. Des méthodes incohérentes peuvent entraîner une variabilité, ce qui peut nuire à la fiabilité des résultats. De plus, les incohérences méthodologiques entre les études, y compris les différences dans l’intensité de la stimulation, le positionnement de la bobine et le moment des mesures des résultats, limitent la reproductibilité des résultats de plasticité induits par la TMS. En pratique, l’iTBS est généralement administrée à 80 % du seuil moteur au repos (RMT)18, et l’induction fiable de la plasticité de type LTP dépend en outre du positionnement précis de la bobine, le plus souvent obtenu par le guidage en neuronavigation19. En conséquence, cet article vise à démontrer un protocole standardisé, guidé par la neuronavigation, pour induire une plasticité de type LTP par le biais de l’iTBS, suivi de l’évaluation de la plasticité corticale à l’aide de la TMS à impulsion unique. Cet article se concentrera sur les procédures techniques essentielles et les considérations opérationnelles nécessaires pour obtenir des mesures précises et fiables de la plasticité corticale.

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Protocole

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Le comité d’éthique du premier hôpital affilié à l’Université de médecine de Nanjing a approuvé les protocoles (numéro 2023-SR-789), et le protocole a été enregistré dans le registre chinois des essais cliniques (numéro ChiCTR2400082549). Toutes les procédures ont été menées conformément à la Déclaration d’Helsinki. Un consentement éclairé écrit a été obtenu avant l’inscription à l’étude.

1. Processus de consentement

  1. Avant toute évaluation, expliquez le(s) objectif(s) de l’évaluation, les principales procédures expérimentales et tout facteur de risque potentiel associé à l’étude. Répondez à toutes les questions ou préoccupations. Demandez un accusé de réception du processus de consentement et signez le formulaire de consentement éclairé.
  2. Le non-respect des critères de sécurité du TMS constitue un motif d’exclusion. Posez les questions suivantes avec les réponses documentées. Une réponse affirmative à l’un ou l’autre des critères constitue un motif d’exclusion :
    Avez-vous des implants métalliques ou des dispositifs incompatibles avec la SMT (par exemple, des stimulateurs cardiaques, des implants cochléaires, des clips d’anévrisme) ?
    Avez-vous des antécédents d’épilepsie ou de convulsions, ou des antécédents familiaux d’épilepsie ?
    Prenez-vous actuellement des médicaments susceptibles d’induire des convulsions ?
    Avez-vous de graves déficits cognitifs ou de communication qui empêcheraient votre participation à l’étude ?
    Souffrez-vous de troubles graves de la colonne cervicale (par exemple, une sténose cervicale ou une instabilité de la colonne vertébrale) ?
    Avez-vous des blessures directes ou des défauts du crâne dans la zone de stimulation ?
    Si vous êtes une femme en âge de procréer : êtes-vous enceinte ou possiblement enceinte ? En cas de suspicion de grossesse, effectuez un test sanguin ou urinaire HCG et excluez les cas positifs.

2. Préparation du modèle de tête à l’aide d’un système de neuronavigation

  1. Utilisez le système de neuronavigation (version 2.5.3.50294) tout au long du protocole pour guider le positionnement de la bobine, enregistrer les repères anatomiques, calibrer la bobine et maintenir un placement cohérent de la bobine pendant la détermination du RMT et la stimulation iTBS.
  2. Configuration du système de neuronavigation : Utilisez le système pour obtenir un retour visuel en temps réel sur la position de la bobine TMS et son alignement par rapport aux repères anatomiques, assurant un ciblage précis lors de l’identification fonctionnelle du point chaud moteur dans le cortex moteur primaire (M1) correspondant au muscle cible controlatéral20.
  3. Établissement d’un modèle de tête tridimensionnel (3D) : Générez le modèle de tête 3D à l’aide des modèles de cerveau standard fournis dans le logiciel de neuronavigation ou construit à partir d’images par résonance magnétique (IRM) individuelles. En sélectionnant l’un ou l’autre mode IRM individuel ou le mode de modèle standard, enregistrez les repères anatomiques sur les plans axial, sagittal et coronal. Effectuez une segmentation de la surface du cuir chevelu pour générer un modèle de tête tridimensionnel.
  4. Calibrage de la bobine
    1. Une fois l’enregistrement du modèle de tête terminé, effectuez l’étalonnage de la bobine pour assurer un suivi précis en temps réel dans le système de neuronavigation. Naviguez dans les paramètres TMS, cliquez sur Sélection de bobine> Calibrer les faces de l’outil. Placez la bobine TMS, équipée de marqueurs réfléchissants, sur un bloc d’étalonnage désigné. Alignez les points de repère sur la bobine physique avec les points correspondants sur le bloc d’étalonnage sous guidage logiciel.
    2. Après l’étalonnage initial, suivez l’invite du système pour positionner la bobine sur le bloc d’étalonnage afin de confirmer la précision. Cliquez sur Calibrer pour lancer l’étalonnage automatique. N’accepte que les étalonnages avec une erreur spatiale inférieure à 3 mm21. Sinon, effectuez un recalibrage. Assurez-vous que la position, l’orientation et l’angle d’inclinaison de la bobine peuvent être suivis de manière fiable tout au long de la session TMS22.

3. Identification du point chaud moteur

  1. Positionnement du participant : Demandez au participant de s’asseoir sur une chaise confortable avec un soutien pour le dos et les bras afin de minimiser les mouvements de la tête et du corps. Gardez les deux mains complètement détendues et immobiles pendant la procédure. Évitez les mouvements de la main non ciblée qui pourraient fausser les mesures.
  2. Configuration du suivi de la tête : Fixez les marqueurs réfléchissants infrarouges sur le front pour permettre le suivi en temps réel de la position de la tête pendant la séance. Fixez les marqueurs avec des patchs adhésifs et assurez-vous qu’ils sont reconnus par le système de neuronavigation, indiqué par des marqueurs verts (les marqueurs non reconnus apparaissent en rouge).
  3. Repérage des points de repère : Utilisez un pointeur suivi pour marquer séquentiellement trois points de repère anatomiques sur le cuir chevelu : la nasion, l’encoche supratragique gauche et l’encoche supratragique droite. Permettez au système de neuronavigation d’enregistrer spatialement la position réelle de la tête avec le modèle de tête 3D23.
  4. Échantillonnage de la forme de la tête : Utilisez le pointeur pour collecter environ 200 à 300 points supplémentaires sur le cuir chevelu afin d’améliorer la précision de l’enregistrement24. Permettre au logiciel d’ajuster automatiquement un modèle de forme de tête individualisé basé sur ces points afin d’optimiser l’alignement entre les images IRM et le système de coordonnées réel25.
  5. Enregistrement EMG : Placez l’électrode d’enregistrement sur le ventre du muscle abducteur du muscle droit court cible (APB) et l’électrode de référence près de l’articulation interphalangienne du pouce, à environ 2 cm de distance26. Enregistrez les MEP à une fréquence d’échantillonnage de 100 kHz avec une résolution minimale de <0,2 μV et une plage de réponse en fréquence de 1 à 25 kHz, tandis que les impédances des électrodes ont été maintenues en dessous de 5 kΩ. Assurez-vous que le signal EMG de base présente un bruit minimal, une forme d’onde stable et aucune dérive évidente ou interférence électrique avant de procéder27.
  6. Déterminez le point chaud du moteur
    1. Déterminez les coordonnées M1 en administrant une TMS à impulsion unique (bobine en huit, 70 mm) d’environ 5 cm sur le côté et de 0 à 1 cm en avant par rapport au sommet28, controlatérale au muscle cible, afin d’obtenir l’amplitude maximale de la MEP, facilitant ainsi la localisation précise du point chaud moteur. Gardez la main complètement détendue pour éviter la contraction musculaire volontaire qui pourrait interférer avec les mesures MEP.
    2. Orientez la poignée de la bobine de 45° vers l’arrière de la ligne médiane pour transmettre le courant électromagnétique perpendiculairement au sillon central29. Déplacez systématiquement la bobine par pas de 1 cm autour de la région M1 marquée dans toutes les directions, y compris antérieure, postérieure, médiale et latérale30, à des intervalles de 5 s31. Définissez le point chaud du moteur comme le site produisant la plus grande amplitude MEP dans l’APB32 détendu.
  7. Marquage du point chaud moteur : Une fois que le point chaud moteur défini fonctionnellement est identifié, marquez-le immédiatement dans le système de neuronavigation. Lors du marquage, laissez le système enregistrer automatiquement les paramètres spatiaux clés, notamment la distance entre la bobine et le point cible, l’écart d’inclinaison et l’écart de rotation. Utilisez ces mesures pour assurer un placement précis et reproductible de la bobine tout au long de la procédure de stimulation33.

4. Détermination du RMT

  1. Mesurez l’amplitude crête à crête à l’aide des données EMG de surface pour obtenir la MEP, en appliquant la même configuration et les mêmes paramètres EMG que ceux décrits à l’étape 3.5. Définir la RMT comme l’intensité minimale du stimulus qui provoque une MEP avec des amplitudes de crête à crête supérieures à 50 μV dans au moins cinq des dix essais consécutifs de TMS à impulsion unique28.

5. Évaluation de la plasticité de type LTP

  1. Évaluations de base : Enregistrez 20 MEP consécutifs évoqués par TMS à des intervalles de 5 s au point d’accès moteur. Réglez l’intensité du stimulus des MEP à 120 % RMT, ce qui évoque des MEP d’environ 1 mV34.
  2. Induction d’une plasticité de type LTP : Délivrer une stimulation à l’aide d’un appareil TMS (bobine en huit, 70 mm). Appliquez iTBS sur le point chaud moteur à une intensité de 80 % RMT pour induire une plasticité similaire à celle de LTP. Utilisez le protocole iTBS, qui consiste en des rafales de trois stimuli à 50 Hz, répétés à 5 Hz. Répétez un train de 2 s de ce stimulus pulsé suivi de 8 s de repos, pour un total de 200 s (600 impulsions)10.
  3. Évaluation de la plasticité : Enregistrez 20 MEP à 5 min, 10 min, 15 min et 30 min après l’intervention iTBS en utilisant la même intensité de stimulation (120 % RMT) pour évaluer la plasticité35.
  4. Quantification de la plasticité de type LTP : Calculez l’amplitude moyenne de crête à crête des 20 MEP enregistrées à chaque point temporel (ligne de base, 5 min, 10 min, 15 min et 30 min post-iTBS) pour refléter quantitativement l’excitabilité corticale36. Les amplitudes MEP post-stimulation sont exprimées sous la forme d’un rapport normalisé par rapport à la ligne de base afin de normaliser les mesures d’excitabilité entre les séances et les individus. Le résultat est l’amplitude brute de la MEP et l’amplitude normalisée de la MEP au point temporel final post-iTBS, représentant l’effet du traitement37.
  5. Calculez l’amplitude MEP normalisée à chaque point temporel comme suit :
    Équation 1
    Classer les individus dont la valeur moyenne moyenne normalisée de la MEP est >1,1 comme étant facilitée, <0,9 comme inhibée et entre 0,9 et 1,1 comme étant inchangée après chaque condition iTBS38.

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Résultats

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Au cours de la démonstration, un système de neuronavigation a été utilisé pour guider le positionnement précis de la bobine TMS sur le point chaud du moteur, fournissant un retour spatial en temps réel et minimisant la variabilité du placement de la bobine. Un appareil TMS (bobine en huit, 70 mm) a délivré une stimulation tout au long de la séance. Pour illustrer la procédure, les résultats représentatifs d’un participant sont présentés ci-dessous. Les amplitudes MEP enregistrées ont montré des réponses stables et cohére...

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Discussion

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L’application de la SMT pour étudier la plasticité synaptique présente un grand potentiel pour faire progresser la recherche neurophysiologique. Plus précisément, la TMS à impulsion unique peut être utilisée pour évaluer la plasticité de type LTP, tandis que la rTMS offre une méthode pratique et non invasive pour l’induire. Cependant, l’exactitude et la reproductibilité de ces résultats dépendent fortement de la normalisation des paramètres procéduraux. En conséquence, ce protocole fourn...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents ou d’autres conflits d’intérêts en vertu de ce travail.

Remerciements

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Cette étude a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° 82372582, 82503067), le projet compétitif du programme clé de recherche et de développement de la province du Jiangsu (n° BE2023034).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Bobine TMS de 70 mmYiruide Co., Wuhan, Chine
Électrodes de surface pour électromyographieCathay, Shanghai, ChineCM25R
Système d’électromyographieYiruide Co., Wuhan, Chine
Pointeur de neuronavigationANT Neuro, Allemagne
Marqueurs réfléchissants de neuronavigationANT Neuro, Allemagne
Système de neuronavigationANT Neuro, AllemagneVisor2, version 2.5.3.50294
Stimulateur TMSYiruide Co., Wuhan, ChineNS5000

Références

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