Articolo metodologico

Un protocollo per la stimolazione magnetica transcranica neuronavigata assistita da robot mirata a reti cerebrali individualizzate nel disturbo bipolare

DOI:

10.3791/68987

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30 settembre 2025

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1Zhejiang Chinese Medical University, 2Department of Psychiatry, the First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, 3Huzhou Third Municipal Hospital, The Affiliated Hospital of Huzhou University, 4Taizhou Hospital of Zhejiang Province affiliated to Wenzhou Medical University, 5Department of Psychiatry, Affiliated Xiaoshan Hospital, Hangzhou Normal University

In questo articolo

Sommario

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

Questo studio propone un metodo per migliorare il deterioramento cognitivo durante la remissione del disturbo bipolare mediante stimolazione magnetica transcranica robotica neuronavigata.

Abstract

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

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una tecnica di neuromodulazione non invasiva in grado di modulare la plasticità corticale ed è stata sempre più applicata nel trattamento dei disturbi psichiatrici. Tuttavia, la TMS convenzionale spesso si rivolge a una singola regione del cervello e può soffrire di un posizionamento impreciso della bobina, limitandone potenzialmente l'efficacia terapeutica. La stimolazione magnetica transcranica robotica neuronavigata (RNNMS) è una precisa modalità di intervento TMS, che si basa sui dati della risonanza magnetica strutturale (MRI) del cervello umano per formulare obiettivi di stimolazione individualizzati e migliorare l'accuratezza della stimolazione con l'aiuto della guida del braccio robotico. Attraverso l'analisi dell'imaging cerebrale, abbiamo selezionato l'obiettivo di stimolazione basato sulle regioni cerebrali con connettività funzionale anormale nei pazienti con disturbo bipolare (BD) e gli obiettivi di intervento personalizzati in base alla risonanza magnetica strutturale di ciascun paziente e abbiamo utilizzato la TMS neuronavigata robotica per intervenire con precisione sui bersagli corrispondenti dei pazienti per ridurre la possibilità di stimolazione inefficace dovuta allo spostamento della bobina durante l'intero processo di intervento, migliorando così i deficit cognitivi dei pazienti con BD. Questo protocollo descrive il nostro approccio al targeting dei pazienti in base alle immagini della loro rete cerebrale e dimostra in dettaglio la procedura per l'esecuzione di interventi robotici di TMS neuronavigata sui pazienti.

Introduzione

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

La stimolazione magnetica transcranica ripetitiva (rTMS) è attualmente la tecnica di neuromodulazione non invasiva più utilizzata per stimolare le aree corticali del cervello, principalmente attraverso brevi impulsi di campo magnetico. Attualmente, la rTMS è stata approvata dalla Food and Drug Administration (FDA) per il trattamento del disturbo depressivo maggiore (MDD). La rTMS ha un tasso di risposta e di remissione rispettivamente del < 50% e del < 20% nei pazienti con MDD che non rispondono al farmaco1. Diversi studi sulla TMS della depressione nel disturbo bipolare (BD) hanno raggiunto un'efficacia positiva, ma il numero di studi che affrontano il deterioramento cognitivo nella BD è piccolo e deve essere ulteriormente esplorato2.

Sebbene i parametri della rTMS possano essere regolati, come il sito, la modalità, la frequenza, l'intensità e il numero di impulsi di stimolazione, i modelli di parametri utilizzati principalmente negli studi precedenti e nelle attuali applicazioni cliniche sono più fissi, come la scelta per lo più della stimolazione a 10 Hz della corteccia prefrontale dorsolaterale sinistra (DLPFC), la stimolazione theta burst (TBS), e stimolazione a 1 Hz della DLPFC3 destra. La selezione dei bersagli di stimolazione nella corteccia è un fattore importante nella stimolazione magnetica transcranica (TMS) e i bersagli corticali efficaci possono variare a seconda della malattia e dei diversi individui. È stato dimostrato che l'efficacia della rTMS nella depressione refrattaria può essere significativamente migliorata dalla stimolazione personalizzata utilizzando DLPFC4 basata sulla neuronavigazione, il che suggerisce anche l'importanza di bersagli individualizzati per l'efficacia della TMS.

Con lo sviluppo del neuroimaging funzionale, è stato scoperto che i cambiamenti nell'attività di alcune regioni del cervello associate, ad esempio, ad allucinazioni, ansia e depressione hanno il potenziale per fungere da bersagli terapeutici per questi sintomi in studi e analisi di una serie di sintomi psichiatrici5. Inoltre, gli effetti stimolatori della TMS non si limitano all'area stimolata, ma possono anche influenzare le regioni cerebrali distanti dal sito di stimolazione modulando la connettività funzionale tra le regioni cerebrali6. Al contrario, la connettività funzionale all'interno e tra le reti dello stato di riposo del cervello può anche essere alterata negli stati di malattia neuropsichiatrica7, e queste reti cerebrali alterate possono subire una parziale normalizzazione dopo che la condizione è migliorata 8,9. La scelta della DLPFC come bersaglio per le tecniche convenzionali di targeting della TMS e il fatto che diverse regioni all'interno della DLPFC siano mappate a diverse reti cerebrali distribuite10, è probabile che rivelino anche la variabilità nella risposta al trattamento tra diversi pazienti nella TMS convenzionale. L'identificazione dei bersagli rTMS in base alla connettività tra diverse regioni cerebrali può fornire un approccio più individualizzato11. Ad esempio, uno studio ha localizzato la coordinata DLPFC che era più anti-correlata con la corteccia cingolata subgenuale (SGC) e ha utilizzato la neuronavigazione per ottimizzare la risposta antidepressiva12. Da un lato, gli attuali interventi clinici per i pazienti con BD seguono ancora per lo più gli obiettivi tradizionali della MDD e, dall'altro lato, i protocolli esistenti sono più centrati sui sintomi dell'umore nei pazienti con BD e meno esplorati per gli obiettivi del deterioramento cognitivo nella BD, quindi è ancora necessaria un'ulteriore esplorazione degli obiettivi corrispondenti.

Oltre alla scelta della posizione target, anche la capacità della TMS di raggiungere un'intensità di stimolo coerente con le aspettative è strettamente correlata al fatto che sia fuori bersaglio o meno; è stato riscontrato che i cappucci elastici posizionati per posizionare le bobine raggiungono bersagli corticali con una stimolazione significativamente inferiore, con alcuni individui che ricevono solo il 48,6% del campo elettrico target atteso, mentre la stimolazione mirata alla neuronavigazione raggiunge una localizzazione più accurata e precisa della TMS per produrre il livello corticale target con l'intensità di stimolazione attesa13. Durante il trattamento, a volte la posizione della testa del paziente può spostarsi di14, il che può anche comportare una discrepanza tra l'obiettivo di stimolazione effettivo e la posizione target prevista, non riuscendo così a raggiungere l'intensità di stimolazione prevista13. L'uso della neuronavigazione robotica può essere calibrato durante gli interventi di TMS e mantenere la posizione di stimolazione il più accurata possibile, ma l'efficacia degli interventi per la depressione bipolare in questa modalità deve essere esplorata di più.

In questo articolo, descriviamo una modalità di magnetoterapia transcranica sicura, promettente e più precisa basata su reti di connettività funzionale per identificare i bersagli per l'intervento utilizzando la neuronavigazione robotica con stimolazione magnetica transcranica per migliorare il deterioramento cognitivo nei pazienti con disturbo bipolare.

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Protocollo

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Questo studio è stato esaminato e approvato dal Comitato Etico del Primo Ospedale Affiliato, Zhejiang University School of Medicine, in conformità con la Dichiarazione di Helsinki, e questo studio è stato registrato nel Registro Cinese degli Studi Clinici (http://www.chictr.org.cn/enIndex.aspx), con il numero di registrazione ChiCTR2000030675. Qui, i pazienti sono stati reclutati dalla clinica psichiatrica ambulatoriale del primo ospedale affiliato, la Zhejiang University School of Medicine. Tutti i partecipanti sono stati accuratamente informati sullo scopo, le procedure, i potenziali rischi e benefici dello studio e il consenso informato scritto è stato ottenuto prima della partecipazione.

1 Partecipanti, ammissibilità e randomizzazione

  1. Criteri di inclusione: Includi i pazienti che soddisfano i seguenti criteri:
    1. Pazienti di età compresa tra 16 e 65 anni.
    2. Pazienti a cui viene diagnosticata la BD da uno psichiatra secondo la Mini-International Neuropsychiatry Interview (MINI).
    3. Pazienti che assumono farmaci stabili.
    4. I pazienti che hanno un punteggio YMRS (Young Mania Rating Scale) ≤ 6,15 e 17 punti della Hamilton Depression Rating Scale (HDRS-17) ≤ 7.
    5. Pazienti che sono in remissione clinica da più di tre mesi16.
    6. Pazienti che hanno un deficit cognitivo e percettivo auto-riferiti con un punteggio PDQ-D (Self-reported Cognitive Disorders and Perceptual Deficits Questionnaire-Depression) ≥17,18.
    7. Pazienti destrimani.
    8. Pazienti che hanno almeno 9 anni di istruzione.
  2. Criteri di esclusione: escludere i pazienti che presentano le seguenti condizioni:
    1. Pazienti che hanno comorbilità con qualsiasi altro disturbo mentale come definito nel Manuale Diagnostico e Statistico dei Disturbi Mentali, Quinta Edizione (DSM-5).
    2. Pazienti con una storia di gravi disturbi neurologici, come epilessia o lesioni cerebrali traumatiche.
    3. Pazienti che hanno condizioni mediche significative e instabili.
    4. Pazienti che hanno una storia di abuso di droghe o alcol.
    5. Donne in gravidanza o in allattamento.
    6. Pazienti con daltonismo generalizzato, ipocromia o problemi di udito.
    7. Pazienti che stanno attualmente assumendo farmaci con antidepressivi, anticolinergici e altri farmaci.
    8. Pazienti con altre condizioni mediche.
    9. Pazienti che non sono in grado di sottoporsi a risonanza magnetica per immagini (MRI) o hanno controindicazioni per la rTMS.
  3. Randomizzazione e occultamento dell'allocazione
    1. Genera una sequenza numerica casuale utilizzando un programma per computer per assegnare i pazienti a gruppi rTMS attivi o fittizi.
    2. Prepara la sequenza di randomizzazione e conservala con un ricercatore indipendente che non sia coinvolto nel reclutamento, nella valutazione o nel trattamento.
    3. Nascondere l'assegnazione del gruppo utilizzando buste sigillate e opache e aprire la busta solo al momento dell'intervento.
    4. Mantenere l'accecamento durante lo studio in modo che sia i pazienti che i ricercatori che trattano/valutano rimangano all'oscuro dell'assegnazione del trattamento.
    5. Istruire i pazienti a non discutere il loro trattamento con altri partecipanti.

2 Acquisizione di immagini di risonanza magnetica

NOTA: Dopo l'arruolamento, acquisire la risonanza magnetica strutturale e funzionale per fornire i dati di imaging necessari per la selezione personalizzata del bersaglio nelle fasi successive. L'imaging è stato eseguito presso il Primo Ospedale Affiliato della Scuola di Medicina dell'Università di Zhejiang utilizzando uno scanner Telsa 3.0 con una bobina a testa intera standard.

  1. Chiedi ai partecipanti di sdraiarsi supini con gli occhi chiusi. Posizionare i cuscinetti in schiuma per ridurre al minimo il movimento e fornire tappi per le orecchie per ridurre il rumore.
  2. Acquisisci immagini anatomiche 3D ad alta risoluzione utilizzando una sequenza MPRAGE (Rapid Acquisition Gradient Echo) preparata per magnetizzazione con contrasto pesato in T1.
  3. Impostare i parametri di acquisizione come segue: TR = 7,1 ms; TE = 2,9 ms; Campo visivo = 260 x 260 mm2; matrice = 256 × 256; numero di fette = 146; spessore fetta = 1 mm; angolo di ribaltamento = 8°
  4. Ottenere l'imaging ecoplanare (EPI) in stato di riposo con: TR 1800 ms; TE 30 ms; Campo visivo 240 x 240 mm²; distanza 0,8 mm; matrice 64 × 64; 28 fette; spessore 4 mm; Specificare la lunghezza della tiratura (punti temporali).

3 Selezione personalizzata del bersaglio basata sulla risonanza magnetica

NOTA: Utilizzando i dati MRI acquisiti, pre-elaborare la fMRI e derivare la connettività funzionale basata su seme per determinare la coordinata del target di stimolazione, quindi generare il modello strutturale individualizzato per la neuronavigazione.

  1. Pre-elaborazione dei dati fMRI:
    1. Pre-elabora i dati fMRI utilizzando la piattaforma DPABI (versione 8.2).
    2. Eseguire la conversione da DICOM a NIfTI.
    3. Scartare i 10 punti temporali iniziali e riallineare il movimento della testa per escludere i partecipanti con spostamento > 1,5 mm o rotazione > 1,5° in qualsiasi direzione (x, y o z).
    4. Riorientare le immagini pesate in T1 e funzionali verso la commessura anteriore. Coregistrare l'immagine T1 alle immagini funzionali.
    5. Segmenta l'immagine T1 e normalizza le immagini segmentate nello spazio standard del Montreal Neurological Institute (MNI) utilizzando DARTEL.
    6. Applicare i parametri di trasformazione alle immagini funzionali e far regredire 24 covariate del movimento della testa (Friston-24).
    7. Ricampiona le immagini funzionali fino a una dimensione del voxel di 3 mm x 3 mm x 3 mm.
    8. Uniformare le immagini ricampionate spazialmente utilizzando un kernel gaussiano con una larghezza completa a metà massima (FWHM) di 4 mm, che è stata scelta per preservare la specificità spaziale di ROI relativamente piccole come ACC e V1, migliorando al contempo il rapporto segnale/rumore.
    9. Rimuovere i segnali del liquido cerebrospinale e della sostanza bianca mediante analisi di regressione. Filtro passa-banda la serie temporale compresa tra 0,01 e 0,1 Hz.
    10. Rimuovere i punti temporali con movimento eccessivo secondo le soglie predefinite.
  2. Determinare le coordinate del punto di destinazione in base alla connessione funzionale:
    1. Definire la regione di interesse (ROI) della corteccia cingolata anteriore (ACC) come una sfera di 9 mm di raggio centrata su MNI (-4, 50, 4), sulla base delle coordinate precedentemente riportate da un precedente studio di BD19.
    2. Estrai le serie temporali dal ROI ACC e costruisci mappe di connettività funzionale (FC) basate su seed (voxelwise) utilizzando l'andamento temporale ACC.
    3. Utilizzare la FC computerizzata basata su semi per identificare le coordinate di targeting TMS ottimizzate all'interno della corteccia visiva primaria (V1). Parallelamente, definire a priori lo stesso ROI ACC in una coorte di riferimento di 30 soggetti sani.
    4. Identificare i voxel V1 che mostrano FC significativo con l'ACC (voxelwise p < 0,001; p corretto per FWE raggruppato < 0,05) in base al ROI ACC definito sopra.
    5. Selezionare la coordinata del picco V1 all'MNI (-3, -66, 18), che mostra una connettività significativa con l'ACC (r = 0,269), come target rTMS per il gruppo di stimolazione attiva (Figura 1).
  3. Pre-elaborazione della risonanza magnetica strutturale e generazione di modelli individuali prima del trattamento:
    1. Anonimizza i dati delle immagini strutturali del paziente per rimuovere tutti gli identificatori personali e consentire il trasferimento sicuro dei dati.
    2. Standardizza le immagini raw regolando la risoluzione, la spaziatura dei voxel, l'orientamento e l'intensità del segnale.
    3. Segmenta le immagini standardizzate in classi di tessuti distinte, tra cui materia grigia, sostanza bianca, liquido cerebrospinale, cranio e nuclei interni.
    4. Registrare le immagini segmentate nel sistema di coordinate dell'immagine standard (MNI152) in base ai requisiti del protocollo di stimolazione ed estrarre le regioni cerebrali corrispondenti, le coordinate standardizzate e altri parametri rilevanti.
    5. Ricostruisci separatamente i modelli 3D delle regioni cerebrali e del cranio e determina le coordinate del target di stimolazione all'interno dello spazio del modello.

4 Misurazione della soglia del motore a riposo (RMT)

  1. Con l'obiettivo individualizzato determinato e il modello di testa preparato, determinare la soglia motoria a riposo di ciascun partecipante oltre M1 per scalare l'intensità della stimolazione per l'intervento imminente.
    1. Far sedere comodamente il paziente sulla poltrona di trattamento.
    2. Dotare il paziente di una fascia dotata di sensore. Assicurarsi che sia fissato saldamente e che nessun oggetto ostruisca la linea di vista tra i sensori e le telecamere di tracciamento.
    3. Inserisci il numero di identificazione del paziente nel sistema di neuronavigazione, verifica le informazioni e accedi all'interfaccia corrispondente.
    4. Visualizza il modello della testa del paziente sullo schermo, mostrando i marcatori al centro della fronte, le punte delle orecchie bilaterali, la punta nasale e il vertice. Regola le posizioni dei marcatori usando il mouse per allinearli accuratamente.
    5. Utilizzare il puntatore di neuronavigazione per contrassegnare i punti di riferimento anatomici sulla testa del paziente (glabella, punte delle orecchie bilaterali, punta nasale e vertice). Premere il pedale per confermare ogni posizione. Verificare che ogni punto contrassegnato correttamente appaia come un punto verde sullo schermo.
    6. Sposta il puntatore di neuronavigazione sul cuoio capelluto del paziente. Osservare la traiettoria del movimento sotto forma di punti verdi proiettati sullo schermo per confermare l'allineamento tra la posizione della testa del paziente e il modello di risonanza magnetica caricato. Completa la registrazione spaziale.
    7. Utilizzare il sistema di neuronavigazione assistito da robot con una bobina a forma di otto per posizionare la bobina sopra la posizione target M1 sinistra consigliata dal sistema.
    8. Eroga singoli impulsi TMS all'M1 sinistro. Registrare i potenziali evocati motori (MEP) dal primo muscolo interosseo dorsale destro (FDI) completamente rilassato utilizzando l'elettromiografia di superficie.
    9. Determinare l'RMT come l'intensità di stimolazione più bassa che produce MEP di almeno 50 μV di ampiezza in almeno 5 prove consecutive su 1020.

5 Intervento robotico rTMS neuronavigato

  1. Con l'intensità della stimolazione impostata dall'RMT misurato e il target V1 registrato nel sistema di neuronavigazione, erogare la rTMS assistita da robot in base alle sessioni di trattamento programmate.
    1. Somministrare rTMS neuronavigata assistita da robot una volta al giorno per 10 giorni consecutivi a tutti i partecipanti.
    2. Eroga ogni sessione come 60 blocchi di allenamento di stimolazione di 5 secondi a 10 Hz al 110% della RMT, con intervalli di 20 secondi tra gli allenamenti, per un totale di 3000 impulsi per sessione e una durata totale di 25 minuti. Per la stimolazione fittizia, applicare lo stesso protocollo ma utilizzare una bobina TMS fittizia, che produce un suono simile, senza campo magnetico applicato.
    3. Inserire le coordinate MNI corrispondenti al punto target di stimolazione nella regione V1 del paziente.
    4. Regolare l'angolazione e l'altezza del sedile per assicurarsi che la posizione della testa del paziente sia all'interno della casella verde sullo schermo e consentire al robot di portare la bobina alla posizione target corrispondente del paziente in base al sistema di neuronavigazione. Utilizzare la navigazione robot per regolare il punto target dello stimolo effettivo (mostrato come una pallina rossa) in modo che coincida con la posizione sul modello della testa del paziente sullo schermo (mostrata come una pallina verde). Visualizza la distanza tra i due punti nell'angolo in basso a sinistra dello schermo. Quando la distanza è inferiore a 1 mm, iniziare la stimolazione rTMS.
    5. Visualizzare la distanza tra la bobina e il punto target sullo schermo durante il trattamento e calibrare quando la testa del paziente si sposta per garantire che il cuoio capelluto rimanga vicino alla bobina (Figura 2).
    6. Dopo ogni sessione di trattamento giornaliera, istruire il paziente a compilare un questionario sugli effetti avversi auto-segnalati, che include elementi su vertigini, mal di testa e altri possibili sintomi.

6 Raccolta dei dati clinici

  1. Valutare la funzione cognitiva dei partecipanti al basale e 2 settimane dopo il trattamento utilizzando lo strumento di integrazione THINC (THINC-it).
  2. Somministrare il Depression Perceived Deficits Inventory, l'Identification Task (IDN), il One-Back Task (1-BACK), il Digit Symbol Substitution Test (DSST) e il Trail Making Test-Part B (TMT-B) per valutare rispettivamente i deficit cognitivi auto-riferiti, l'attenzione, la velocità di elaborazione, la memoria di lavoro e la funzione esecutiva.

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Risultati

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In questo studio, lo strumento THINC-it è stato utilizzato per valutare i cambiamenti cognitivi nei pazienti prima e dopo il trattamento. La Tabella 1 mostra la situazione basale dei due gruppi di pazienti, in cui non c'era differenza tra i due gruppi al basale in nessuno dei sei indicatori relativi alla funzione cognitiva. Mentre è stata riscontrata un'interazione significativa nell'indicatore Symbol Check (Accuracy), non è stata riscontrata alcuna interazione significativa per diversi altri indicatori ...

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Discussione

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Questo protocollo propone di identificare bersagli basati sulla connettività funzionale V1-ACC e di migliorare il deterioramento cognitivo nel disturbo bipolare utilizzando rTMS a 10 Hz in navigazione neurale robotica. La valutazione della funzione cognitiva dei pazienti prima e dopo l'intervento con lo strumento THINC-it ha rivelato che la tendenza al miglioramento cognitivo era più pronunciata nei pazienti sottoposti a stimolazione TMS attiva.

I passaggi chi...

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Dichiarazioni

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Tutti gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse relativi a questo articolo.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (sovvenzione n. 52407261), dal programma di ricerca sul benessere pubblico di base della provincia di Zhejiang (sovvenzione n. LTGY23H090013), il progetto di scienza e tecnologia medica e sanitaria della provincia di Zhejiang (sovvenzione n. 2023KY1014) e il programma di ricerca e sviluppo "Pioneer" e "Leading Goose" di Zhejiang (sovvenzione n. 2025C01137).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Robot TMS di navigazione Black DolphinXi' Una modulazione cerebrale solidaSmarPhin S-50Sistema integrato con bobine attive/fittizie, robot TMS, tracciamento ottico, archetto di tracciamento, neuronavigazione e tappi per le orecchie; consente il targeting guidato dalla risonanza magnetica e la bobina in tempo reale. monitoraggio della distanza del bersaglio.
GE Signa Premier 3.0T MRI ScannerGE Sanitàhttps://www.gehealthcare.com/products/magnetic-resonance-imaging/3t-mri-scanners
Strumento di Valutazione Cognitiva THINC-itLundbeck1.26 1Include quattro compiti cognitivi e una scala di autovalutazione, che valutano l'attenzione/concentrazione/vigilanza, la memoria di lavoro e la funzione esecutiva.

Riferimenti

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