Induzione standardizzata e valutazione della plasticità corticale simile al potenziamento a lungo termine mediante stimolazione magnetica transcranica

Negli ultimi anni, la stimolazione magnetica transcranica (TMS) è emersa come una tecnica non invasiva, economica ed efficiente per sondare e modulare l'attività neurale nel cervello umano¹. Tra i vari paradigmi di stimolazione, la stimolazione intermittente theta burst (iTBS) ha attirato un'attenzione significativa per la sua capacità di indurre plasticità simile al potenziamento a lungo termine (LTP) nella corteccia motoria umana². In particolare, iTBS fornisce burst ad alta frequenza a intervalli theta, imitando i modelli di accoppiamento theta-gamma endogeni associati alla plasticità sinaptica³. Induce plasticità LTP-like attivando i recettori N-metil-D-aspartato (NMDAR)⁴, che allevia il blocco Mg²⁺ e consente al Ca²⁺ di entrare nel neurone postsinaptico⁵. Questo afflusso di Ca²⁺ innesca cascate di segnalazione a valle, tra cui l'attivazione della proteina chinasi II stimolata da calcio/calmodulina (CaMKII), che promuove la fosforilazione⁶ e l'inserimento dei recettori dell'acido α-ammino-3-idrossi-5-metil-4-isossazolopropionico (AMPAR), migliorando così la trasmissione sinaptica⁷. Rispetto ad altri approcci non invasivi, come la stimolazione magnetica transcranica ripetuta (rTMS) o la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS), iTBS può indurre plasticità corticale simile a LTP con una durata di stimolazione più breve e un'intensità inferiore, rendendola un'opzione meglio tollerata nei soggetti ^8,9,10. Per valutare gli effetti neuroplastici indotti da iTBS, i ricercatori misurano comunemente i cambiamenti nelle ampiezze del potenziale evocato motorio (MEP) registrate attraverso l'elettromiografia (EMG), che riflettono una maggiore eccitabilità corticospinale¹¹. Gli studi hanno dimostrato che questi miglioramenti della MEP possono persistere fino a 60 minuti dopo la stimolazione, indicando una modulazione transitoria ma robusta dell'eccitabilità corticale^10,12. Grazie al breve tempo di somministrazione e al profilo di sicurezza ben consolidato, iTBS è particolarmente adatto per applicazioni ripetute sia in contesti sperimentali che clinici¹⁰. In particolare, un protocollo iTBS standard (600 impulsi, 192 s), così come i protocolli rTMS convenzionali a 10 Hz (1.200-1.500 impulsi, 15-20 min), inducono in modo affidabile effetti di plasticità simili a LTP ^8,13. In quanto tale, è stato sempre più utilizzato per sondare la plasticità sinaptica in individui sani e popolazioni di pazienti, fornendo preziose informazioni sui deficit correlati alla plasticità in disturbi neurologici come il morbo di Alzheimer (AD), l'ictus e la depressione.

La plasticità sinaptica, un meccanismo fondamentale della plasticità neurale, è alla base di processi critici come l'apprendimento e la memoria. Riflette la capacità del cervello di modificare la forza e l'efficacia delle connessioni sinaptiche in risposta all'esperienza o agli stimoli ambientali¹⁴. Tra le varie forme di plasticità sinaptica, l'LTP è un modello consolidato per l'apprendimento e la memoria attraverso il potenziamento della trasmissione sinaptica¹⁵. Prove crescenti indicano che le menomazioni della plasticità LTP-like sono strettamente associate a deficit cognitivi e comportamentali nei disturbi neurologici come l'AD¹⁶. Queste menomazioni possono riflettere interruzioni specifiche della malattia nella segnalazione sinaptica e nelle vie molecolari correlate alla plasticità, comprese alterazioni nell'induzione, nell'espressione o nel mantenimento di LTP¹⁷. Pertanto, comprendere e quantificare la plasticità sinaptica è essenziale per far avanzare strategie terapeutiche per ripristinare la funzione cognitiva, il controllo motorio, l'integrazione sensoriale e la regolazione emotiva e per facilitare un'efficace neuroriabilitazione.

Sebbene tecniche come l'iTBS per indurre la plasticità LTP-like e la TMS a impulso singolo per la valutazione della plasticità corticale offrano un potenziale entusiasmante, la loro applicazione richiede una stretta aderenza a protocolli standardizzati per garantire accuratezza e riproducibilità. Metodi incoerenti possono portare a variabilità, che può ostacolare l'affidabilità dei risultati. Inoltre, le incongruenze metodologiche tra gli studi, comprese le differenze nell'intensità della stimolazione, nel posizionamento della bobina e nella tempistica delle misurazioni degli esiti, limitano la riproducibilità dei risultati di plasticità indotta da TMS. In pratica, l'iTBS viene tipicamente somministrato all'80% della soglia del motore a riposo (RMT)¹⁸ e l'induzione affidabile della plasticità simile all'LTP dipende ulteriormente dal posizionamento preciso della bobina, più comunemente ottenuto attraverso la guida alla neuronavigazione¹⁹. Di conseguenza, questo articolo mira a dimostrare un protocollo standardizzato guidato dalla neuronavigazione per indurre plasticità LTP-like attraverso iTBS, seguito dalla valutazione della plasticità corticale utilizzando TMS a impulso singolo. Il focus di questo articolo sarà sulle procedure tecniche essenziali e sulle considerazioni operative necessarie per ottenere misurazioni precise e affidabili della plasticità corticale.

Il Comitato Etico del Primo Ospedale Affiliato con l'Università di Medicina di Nanchino ha approvato i protocolli (numero 2023-SR-789) e il protocollo è stato registrato nel Registro cinese degli studi clinici (numero ChiCTR2400082549). Tutte le procedure sono state condotte in conformità con la Dichiarazione di Helsinki. Il consenso informato scritto è stato ottenuto prima dell'arruolamento nello studio.

1. Procedura di consenso

1. Prima di qualsiasi valutazione, spiegare l'obiettivo o gli obiettivi della valutazione, le principali procedure sperimentali e gli eventuali potenziali fattori di rischio associati allo studio. Rispondi a qualsiasi domanda o dubbio. Richiedi la conferma del processo di consenso e la firma sul modulo di consenso informato.
2. Il mancato rispetto dei criteri di sicurezza TMS costituisce motivo di esclusione. Poni le seguenti domande con le risposte documentate. Una risposta affermativa a qualsiasi criterio costituisce motivo di esclusione:
   Hai impianti metallici o dispositivi incompatibili con la TMS (ad es. pacemaker, impianti cocleari, clip per aneurisma)?
   Hai una storia di epilessia o convulsioni o una storia familiare di epilessia?
   Stai attualmente assumendo farmaci che possono indurre convulsioni?
   Hai gravi deficit cognitivi o di comunicazione che impedirebbero la partecipazione allo studio?
   Ha gravi disturbi del rachide cervicale (ad esempio, stenosi cervicale o instabilità spinale)?
   Hai lesioni dirette o difetti del cranio nell'area di stimolazione?
   Se sei una donna in età fertile: sei incinta o forse incinta? Se si sospetta una gravidanza, eseguire un test HCG nel sangue o nelle urine ed escludere i casi positivi.

2. Preparazione del modello di testa utilizzando un sistema di neuronavigazione

1. Utilizza il sistema di neuronavigazione (versione 2.5.3.50294) in tutto il protocollo per guidare il posizionamento della bobina, registrare i punti di riferimento anatomici, calibrare la bobina e mantenere un posizionamento coerente della bobina durante la determinazione RMT e la stimolazione iTBS.
2. Configurazione del sistema di neuronavigazione: utilizzare il sistema per ottenere un feedback visivo in tempo reale sulla posizione della bobina TMS e sul suo allineamento rispetto ai punti di riferimento anatomici, garantendo un targeting accurato durante l'identificazione funzionale dell'hotspot motorio nella corteccia motoria primaria (M1) corrispondente al muscolo bersaglio controlaterale²⁰.
3. Definizione del modello tridimensionale (3D) della testa: Generare il modello 3D della testa utilizzando i modelli cerebrali standard forniti all'interno del software di neuronavigazione o costruito da singole scansioni di risonanza magnetica (MRI). Selezionando la modalità RM individuale o la modalità modello standard, è possibile registrare i punti di riferimento anatomici sui piani assiale, sagittale e coronale. Esegui la segmentazione della superficie del cuoio capelluto per generare un modello tridimensionale della testa.
4. Calibrazione della bobina
   1. Dopo aver completato la registrazione del modello di testa, eseguire la calibrazione della bobina per garantire un tracciamento preciso in tempo reale all'interno del sistema di neuronavigazione. Navigare tra le impostazioni TMS, fare clic su Selezione bobina> Calibra facce utensile. Posizionare la bobina TMS, dotata di marcatori riflettenti, su un blocco di calibrazione designato. Allineare i punti fiduciali sulla bobina fisica con i punti corrispondenti sul blocco di calibrazione sotto la guida del software.
   2. Dopo la calibrazione iniziale, seguire le istruzioni del sistema per posizionare la bobina sopra il blocco di calibrazione per confermare la precisione. Fare clic su Calibra per avviare la calibrazione automatica. Accettare solo calibrazioni con un errore spaziale inferiore a 3 mm²¹. In caso contrario, eseguire la ricalibrazione. Assicurati che la posizione, l'orientamento e l'angolo di inclinazione della bobina possano essere monitorati in modo affidabile durante l'intera sessione TMS²².

3. Identificazione dell'hotspot del motore

1. Posizionamento del partecipante: chiedi al partecipante di sedersi su una sedia comoda con supporto per la schiena e le braccia per ridurre al minimo il movimento della testa e del corpo. Tenere entrambe le mani completamente rilassate e ferme durante la procedura. Evitare movimenti della mano non mirati che potrebbero confondere le misure.
2. Configurazione del tracciamento della testa: Attacca i marcatori riflettenti a infrarossi sulla fronte per consentire il monitoraggio in tempo reale della posizione della testa durante la sessione. Fissare i marcatori con toppe adesive e assicurarsi che siano riconosciuti dal sistema di neuronavigazione, indicato da marcatori verdi (i marcatori non riconosciuti appaiono in rosso).
3. Registrazione del punto di riferimento: utilizzare un puntatore tracciato per contrassegnare in sequenza tre punti di riferimento anatomici sul cuoio capelluto: la nasion, la tacca sopratragica sinistra e la tacca sopratragica destra. Consentire al sistema di neuronavigazione di registrare spazialmente la posizione effettiva della testa con il modello 3D della testa²³.
4. Campionamento della forma della testa: utilizzare il puntatore per raccogliere da 200 a 300 punti aggiuntivi sul cuoio capelluto per migliorare la precisione della registrazione²⁴. Consenti al software di adattare automaticamente un modello di forma della testa personalizzato basato su questi punti per ottimizzare l'allineamento tra le immagini MRI e il sistema di coordinate effettivo²⁵.
5. Registrazione EMG: posizionare l'elettrodo di registrazione sopra la pancia del muscolo abduttore breve del pollice (APB) bersaglio e l'elettrodo di riferimento vicino all'articolazione interfalangea del pollice, a circa 2 cm di distanza²⁶. Registrare i MEP a una frequenza di campionamento di 100 kHz con una risoluzione minima di <0,2 μV e un intervallo di risposta in frequenza di 1-25 kHz, mentre le impedenze degli elettrodi sono state mantenute al di sotto di 5 kΩ. Assicurarsi che il segnale EMG di base mostri un rumore minimo, una forma d'onda stabile e nessuna deriva evidente o interferenza elettrica prima di procedere²⁷.
6. Determinare l'hotspot del motore
   1. Determinare le coordinate M1 somministrando TMS a impulsi singoli (bobina a forma di otto, 70 mm) a circa 5 cm lateralmente e 0-1 cm anteriormente rispetto al vertice²⁸, controlaterale al muscolo bersaglio per ottenere la massima ampiezza MEP, facilitando la localizzazione precisa del punto caldo motorio. Tenere la mano completamente rilassata per evitare la contrazione muscolare volontaria che potrebbe interferire con le misurazioni MEP.
   2. Orientare l'impugnatura della bobina di 45° posteriormente alla linea mediana per trasmettere la corrente elettromagnetica perpendicolarmente al solco centrale²⁹. Muovere sistematicamente la bobina a passi di 1 cm attorno alla regione M1 contrassegnata in tutte le direzioni, comprese la parte anteriore, posteriore, mediale e laterale³⁰, a intervalli di 5 s³¹. Definisci l'hotspot motorio come il sito che produce la massima ampiezza MEP nell'APB³² rilassato.
7. Marcatura dell'hotspot motorio: una volta identificato l'hotspot motorio funzionalmente definito, contrassegnarlo immediatamente all'interno del sistema di neuronavigazione. Al momento della marcatura, consentire al sistema di registrare automaticamente i parametri spaziali chiave, tra cui la distanza tra la bobina e il punto di destinazione, la deviazione di inclinazione e la deviazione di rotazione. Utilizzare queste metriche per garantire un posizionamento preciso e riproducibile della bobina durante la procedura di stimolazione³³.

4. Determinazione dell'RMT

1. Misurare l'ampiezza picco-picco utilizzando i dati EMG di superficie per ottenere il MEP, applicando la stessa configurazione EMG e gli stessi parametri descritti nel passaggio 3.5. Definire l'RMT come l'intensità minima dello stimolo che suscita un MEP con ampiezze picco-picco superiori a 50 μV in almeno cinque dei dieci studi consecutivi di TMS a impulso singolo²⁸.

5. Valutazione della plasticità LTP-like

1. Valutazioni di base: Registrare 20 MEP consecutivi evocati da TMS a intervalli di 5 s nell'hotspot motorio. Impostare l'intensità dello stimolo dei MEP al 120% RMT, che evoca MEP di circa 1 mV³⁴.
2. Induzione della plasticità LTP-like: Erogare la stimolazione utilizzando un dispositivo TMS (bobina a forma di otto, 70 mm). Applicare iTBS sull'hotspot del motore a un'intensità dell'80% RMT per indurre una plasticità simile a LTP. Utilizzare il protocollo iTBS che consiste in raffiche di tre stimoli a 50 Hz ripetuti a 5 Hz. Ripetere un treno di 2 s di questo stimolo a impulsi seguito da 8 s di riposo per un totale di 200 s (600 impulsi)¹⁰.
3. Valutazione della plasticità: registrare 20 MEP a 5 minuti, 10 minuti, 15 minuti e 30 minuti dopo l'intervento iTBS utilizzando la stessa intensità di stimolazione (120% RMT) per valutare la plasticità³⁵.
4. Quantificazione della plasticità LTP-like: calcolare l'ampiezza media picco-picco dei 20 MEP registrati in ogni punto temporale (basale, 5 min, 10 min, 15 min e 30 min post-iTBS) per riflettere quantitativamente l'eccitabilità corticale³⁶. Le ampiezze MEP post-stimolazione sono espresse come rapporto normalizzato rispetto al basale per standardizzare le misure di eccitabilità tra sessioni e individui. Il risultato è l'ampiezza MEP grezza e l'ampiezza MEP normalizzata al punto temporale finale post-iTBS, che rappresenta l'effetto del trattamento³⁷.
5. Calcola l'ampiezza MEP normalizzata in ogni punto temporale come:
   
   Classificare gli individui con un valore MEP normalizzato medio generale >1,1 come facilitato, <0,9 come inibito e tra 0,9 e 1,1 come invariato dopo ciascuna condizione^{iTBS 38}.

Durante la dimostrazione, è stato utilizzato un sistema di neuronavigazione per guidare il posizionamento accurato della bobina TMS sul punto caldo del motore, fornendo un feedback spaziale in tempo reale e riducendo al minimo la variabilità del posizionamento della bobina. Un dispositivo TMS (bobina a forma di otto, 70 mm) ha fornito la stimolazione per tutta la sessione. Per illustrare la procedura, di seguito vengono presentati i risultati rappresentativi di un partecipante. Le ampiezze MEP registrate hanno mostrato risposte stabili e coerenti tra le prove a singolo impulso, riflettendo la stabilità fornita dal posizionamento della bobina guidato dalla neuronavigazione. Gli aumenti dipendenti dal tempo dell'ampiezza MEP dopo iTBS indicano una plasticità simile all'LTP. I dati possono essere analizzati confrontando le ampiezze grezze MEP al basale e post-stimolazione e le ampiezze MEP normalizzate, nonché classificando le risposte individuali come facilitazione, inibizione o invariate. Nel complesso, questi risultati rappresentativi dimostrano che il protocollo descritto consente un'accurata localizzazione degli hotspot motori, una stimolazione riproducibile e una valutazione quantitativa dei cambiamenti plastici LTP-like indotti dalla stimolazione.

Configurazione e localizzazione del sistema di neuronavigazione

La procedura di configurazione e localizzazione del sistema di neuronavigazione è stata eseguita per identificare e registrare i singoli punti di riferimento anatomici sui piani assiale, sagittale e coronale, tra cui la nasion, l'incisura sopratragica sinistra e l'incisura sopratragica destra. Questi punti di riferimento sono serviti come riferimenti fiduciali per la successiva creazione del modello 3D della testa individualizzato, garantendo un'accurata coregistrazione tra le strutture anatomiche e i bersagli di stimolazione (Figura 1). La registrazione spaziale è stata inizializzata identificando gli stessi tre punti di riferimento anatomici sul cuoio capelluto. Il sistema ha fornito un feedback visivo in tempo reale sulla posizione della bobina e sul suo allineamento rispetto ai siti di stimolazione predefiniti all'interno del controlaterale M1 al muscolo bersaglio, assicurando che la stimolazione fosse erogata con precisione alle aree corticali mirate.

Figura 1: Registrazione del punto di riferimento. Identificazione dei punti di riferimento anatomici sul cranio del partecipante utilizzando il sistema di neuronavigazione per consentire un'accurata registrazione spaziale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Definizione del modello 3D della testa

È stato generato un modello 3D personalizzato della testa del cuoio capelluto del partecipante basato sulla registrazione della neuronavigazione e sul campionamento della superficie del cuoio capelluto. L'errore medio di registrazione durante l'allineamento dei punti di riferimento anatomici e della forma della testa era inferiore a 1,5 mm, consentendo un posizionamento preciso della bobina durante la sessione di stimolazione (Figura 2).

Figura 2: Costruzione del modello 3D della testa. Visualizzazione del modello 3D ricostruito della testa basato sulla registrazione della neuronavigazione e sul campionamento della superficie del cuoio capelluto, consentendo un tracciamento preciso della bobina e una mappatura corticale durante la stimolazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Identificazione dell'hotspot del motore

L'hotspot motorio è stato identificato funzionalmente sulla base dei MEP evocati dalla TMS, stimolando il cervello con la TMS e registrando i MEP. Il sito che produce la risposta più forte è stato definito come l'hotspot motorio (Figura 3).

Figura 3: Localizzazione dell'hotspot motorio. Visualizzazione in tempo reale del sito di stimolazione sopra il controlaterale M1 al muscolo bersaglio corrispondente all'hotspot motorio per l'APB bersaglio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Determinazione dell'RMT

L'RMT è stato determinato utilizzando la TMS a impulso singolo. L'RMT è stata l'intensità di stimolazione più bassa alla quale sono stati osservati MEP con ampiezze picco-picco >50 μV in almeno 5 studi consecutivi su 10, secondo la definizione standardRMT 28, assicurando che la stimolazione TMS fosse al di sopra della soglia per un'efficace attivazione motoria (Figura 4).

Figura 4: Determinazione RMT. Forma d'onda MEP rappresentativa registrata dall'APB target durante la valutazione RMT. I numeri da 1 a 10 indicano 10 prove consecutive di TMS a impulso singolo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Misurazioni di base

Prima dell'iTBS, l'eccitabilità corticospinale è stata valutata erogando 20 stimoli TMS a impulso singolo al 120% RMT con intervalli di 5 s sopra l'hotspot motorio identificato (Figura 5).

Figura 5: Valori di riferimento dei deputati al Parlamento europeo. Venti deputati MEP rappresentativi dell'APB target sono stati sollecitati dalla TMS a impulsi singoli al 120% RMT in condizioni rilassate. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Induzione di plasticità LTP-like

Il protocollo iTBS è stato erogato all'80% del singolo RMT, utilizzando burst di tre impulsi a 50 Hz ripetuti a 5 Hz (600 impulsi su 200 s). I registri della modalità stimolatore hanno confermato che tutte le sessioni hanno fornito il conteggio degli impulsi pianificato senza interruzioni e l'intensità dell'uscita è rimasta stabile per tutto il tempo.

Quantificazione della plasticità di tipo LTP

Dopo l'applicazione del protocollo iTBS, le ampiezze MEP sono state registrate in più punti temporali (ad esempio, 5 min, 10 min, 15 min e 30 min) per osservare i cambiamenti nell'eccitabilità corticale nel tempo (Figura 6).

Figura 6: Deputati MEP post-iTBS. I deputati MEP rappresentativi di un partecipante sono stati registrati dall'APB target al 120% RMT a (A) 5 minuti, (B) 10 minuti, (C) 15 minuti e (D) 30 minuti dopo iTBS. Ogni pannello mostra 20 forme d'onda, che illustrano la modulazione dipendente dal tempo in ampiezza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Deputati grezzi

Per quantificare le variazioni di eccitabilità, le ampiezze medie dei MEP picco-picco sono state calcolate al basale e in ogni punto temporale post-stimolazione (Figura 7).

Figura 7: Ampiezze medie MEP. Le ampiezze medie MEP sono registrate al basale e a 5 minuti, 10 minuti, 15 minuti e 30 minuti dopo iTBS in un partecipante rappresentativo. Ogni punto dati rappresenta la media di 20 stimoli TMS a impulso singolo, con barre di errore che indicano la deviazione standard (SD). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Deputati MEP normalizzati

Le ampiezze MEP in ogni punto temporale post-stimolazione sono state normalizzate al basale. L'aumento dipendente dal tempo e la successiva diminuzione dell'ampiezza della MEP riflettono il profilo caratteristico della plasticità simile all'LTP (Figura 8).

Figura 8: Ampiezze medie MEP normalizzate. Le ampiezze MEP sono state normalizzate ai valori basali (rapporto post/basale) a 5 minuti, 10 minuti, 15 minuti e 30 minuti dopo iTBS in un partecipante rappresentativo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Un notevole aumento dell'ampiezza della MEP è stato osservato entro i primi minuti dopo la stimolazione, riflettendo un aumento transitorio dell'eccitabilità corticospinale. Questo miglioramento diminuisce gradualmente nel tempo. Secondo i criteri di classificazione predefiniti38 (valore MEP normalizzato >1,1 come facilitato, <0,9 come inibito e tra 0,9 e 1,1 come invariato), il partecipante rappresentativo è stato classificato come facilitato, con il valore MEP medio normalizzato in tutti i punti temporali post-stimolazione (5 min, 10 min, 15 min e 30 min) superiore a 1,1. Questa modulazione dipendente dal tempo è comunemente interpretata come una manifestazione di plasticità simile all'LTP.

Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti o altri conflitti di interesse ai sensi di questo lavoro.