経頭蓋磁気刺激を用いた長期増強様皮質可塑性の標準化された誘導と評価

近年、経頭蓋磁気刺激 (TMS) は、人間の脳の神経活動を調査および調節するための非侵襲的で費用対効果が高く、効率的な技術として浮上しています¹。さまざまな刺激パラダイムの中でも、断続的シータバースト刺激 (iTBS) は、人間の運動皮質² に長期増強 (LTP) のような可塑性を誘導する能力で大きな注目を集めています。具体的には、iTBSはシータ間隔で高周波バーストを提供し、シナプス可^{塑性に関連する}内因性シータガンマ結合パターンを模倣します3。N-メチル-D-アスパラギン酸受容体(NMDAR)⁴を活性化することによりLTP様可塑性を誘導し、Mg²⁺ブロックを緩和し、Ca²⁺がシナプス後^{ニューロンに入る}ことを可能にします5。このCa²⁺の流入は、リン酸化^6とα-アミノ-3-ヒドロキシ-5-メチル-4-イソオキサゾールプロピオン酸受容体(AMPAR)の挿入を促進するカルシウム/カルモジュリン刺激プロテインキナーゼII(CaMKII)の活性化を含む下流のシグナル伝達カスケードを引き起こし、それによってシナプ^ス伝達を増強します7。反復経頭蓋磁気刺激 (rTMS) や経頭蓋直流刺激 (tDCS) などの他の非侵襲的アプローチと比較して、iTBS は、より短い刺激持続時間とより低い強度で LTP 様皮質可塑性を誘導できるため、被験者の忍容性が優れた選択肢となります ^8,9,10.iTBS によって誘発される神経可塑性効果を評価するために、研究者は通常、筋電図 (EMG) によって記録された運動誘発電位 (MEP) 振幅の変化を測定^します。研究によると、これらのMEP増強は刺激後最大60分間持続し、皮質興奮性の一過性ではあるが堅牢な調節を示しています^10,12。iTBSは、投与時間が短く、安全性プロファイルが確立されているため、実験的および臨床的状況の両方での繰り返し適用に特に適しています¹⁰。具体的には、標準的なiTBSプロトコル(600パルス、192秒)、および従来の10Hz rTMSプロトコル(1,200〜1,500パルス、15〜20分)は、同等のLTP様可塑^性効果を確実に誘導します^8,13。そのため、健康な個人や患者集団のシナプス可塑性を調査するためにますます使用されており、アルツハイマー病 (AD)、脳卒中、うつ病などの神経疾患における可塑性関連の欠陥に関する貴重な洞察を提供しています。

神経可塑性の基本的なメカニズムであるシナプス可塑性は、学習や記憶などの重要なプロセスの根底にあります。これは、経験や環境刺激に反応してシナプス接続の強さと有効性を変更する脳の能力を反映しています¹⁴。さまざまな形態のシナプス可塑性の中で、LTPはシナプス伝達の強化による学習と記憶のための確立されたモデルです¹⁵。蓄積された証拠は、LTP 様可塑性の障害が、AD¹⁶ などの神経障害における認知障害および行動障害と密接に関連していることを示しています。これらの障害は、LTP¹⁷ の誘導、発現、または維持の変化を含む、シナプスシグナル伝達および可塑性関連分子経路における疾患特異的な破壊を反映している可能性があります。したがって、シナプス可塑性を理解して定量化することは、認知機能、運動制御、感覚統合、感情調節を回復し、効果的な神経リハビリテーションを促進するための治療戦略を進歩させるために不可欠です。

LTP 様可塑性を誘導するための iTBS や皮質可塑性を評価するためのシングルパルス TMS などの技術は刺激的な可能性を秘めていますが、その応用には、精度と再現性を確保するために標準化されたプロトコルを厳格に遵守する必要があります。一貫性のない方法はばらつきにつながり、調査結果の信頼性を妨げる可能性があります。さらに、刺激強度、コイルの位置、結果測定のタイミングの違いなど、研究間の方法論的不一致により、TMS 誘発性可塑性所見の再現性が制限されます。実際には、iTBSは通常、安静時運動閾値(RMT)¹⁸の80%で投与され、LTP様可塑性の信頼性の高い誘導は、神経ナビゲーションガイダンス¹⁹を通じて最も一般的に達成される正確なコイル位置決めにさらに依存します。したがって、この記事は、iTBS を介して LTP 様可塑性を誘導するための標準化されたニューロナビゲーション誘導プロトコルを実証し、その後、シングルパルス TMS を使用して皮質可塑性を評価することを目的としています。この記事では、皮質可塑性の正確で信頼性の高い測定を達成するために必要な重要な技術手順と運用上の考慮事項に焦点を当てます。

南京医科大学第一附属病院の倫理委員会はプロトコル (番号 2023-SR-789) を承認し、プロトコルは中国臨床試験登録簿 (番号 ChiCTR2400082549) に登録されました。すべての手続きはヘルシンキ宣言に従って実施されました。書面によるインフォームドコンセントは、研究に登録する前に取得されました。

1. 同意プロセス

1. 評価の前に、評価の目的、主な実験手順、および研究に関連する潜在的な危険因子を説明してください。質問や懸念事項にお答えします。同意プロセスの確認とインフォームドコンセントフォームへの署名を要求します。
2. TMS 安全基準を満たさない場合は、除外の理由となります。回答を文書化して次の質問をします。いずれかの基準に対する「はい」の回答は、除外の理由となります。
   TMS と互換性のない金属製のインプラントやデバイス (ペースメーカー、人工内耳、動脈瘤クリップなど) をお持ちですか?
   てんかんや発作の病歴、またはてんかんの家族歴はありますか?
   現在、発作を誘発する可能性のある薬を服用していますか?
   研究への参加を妨げるような重度の認知障害またはコミュニケーション障害はありますか?
   重度の頸椎障害(頸椎狭窄症や脊椎不安定性など)をお持ちですか?
   刺激部位に直接怪我や頭蓋骨の欠損はありませんか?
   あなたが出産の可能性のある女性の場合:妊娠していますか、または妊娠している可能性がありますか?妊娠が疑われる場合は、血液または尿のHCG検査を行い、陽性症例を除外します。

2. ニューロナビゲーションシステムを用いた頭部モデルの作成

1. プロトコル全体でニューロナビゲーションシステム(バージョン2.5.3.50294)を使用して、コイルの位置決めをガイドし、解剖学的ランドマークを登録し、コイルを校正し、RMT決定およびiTBS刺激中に一貫したコイル配置を維持します。
2. ニューロナビゲーションシステムのセットアップ:このシステムを使用して、TMSコイルの位置と解剖学的ランドマークに対するその位置合わせに関するリアルタイムの視覚的フィードバックを取得し、対側のターゲット筋に対応する一次運動皮質(M1)の運動ホットスポットの機能的識別中に正確なターゲティングを保証します²⁰。
3. 3次元(3D)頭部モデルの確立:ニューロナビゲーションソフトウェア内で提供される標準的な脳テンプレートを使用するか、個々の磁気共鳴画像法(MRI)スキャンから構築された3D頭部モデルを生成します。個々のMRIまたは標準テンプレートモードのいずれかを選択することで、軸面、矢状面、冠状面に解剖学的ランドマークを登録します。頭皮表面のセグメンテーションを実行して、3次元の頭部モデルを生成します。
4. コイルキャリブレーション
   1. ヘッドモデルの登録が完了したら、コイルキャリブレーションを実行して、ニューロナビゲーションシステム内で正確なリアルタイム追跡を確保します。TMS 設定に移動し、 コイル選択>工具面の校正をクリックします。反射マーカーを備えたTMSコイルを指定されたキャリブレーションブロックに置きます。ソフトウェアのガイダンスの下で、物理コイル上の基準点をキャリブレーションブロック上の対応する点に合わせます。
   2. 初期校正後、システムのプロンプトに従ってコイルを校正ブロックの上に配置し、精度を確認します。[ キャリブレーション ]をクリックして、自動キャリブレーションを開始します。空間誤差が3mm未満のキャリブレーションのみを受け入れます²¹。それ以外の場合は、再キャリブレーションを実行します。コイルの位置、向き、および傾斜角度がTMSセッション²²全体を通じて確実に追跡できることを確認します。

3. モーターホットスポットの識別

1. 参加者のポジショニング: 頭と体の動きを最小限に抑えるために、背中と腕をサポートする快適な椅子に座ってもらいます。処置中は両手を完全にリラックスさせ、静止させてください。測定値を混乱させる可能性のある非ターゲット手の動きは避けてください。
2. ヘッドトラッキングのセットアップ: 赤外線反射マーカーを額に取り付けると、セッション中に頭の位置をリアルタイムで追跡できます。マーカーを粘着パッチで固定し、緑色のマーカーで示されるニューロナビゲーションシステムによって認識されていることを確認します(認識されないマーカーは赤で表示されます)。
3. ランドマーク登録: 追跡ポインターを使用して、頭皮上の 3 つの解剖学的ランドマーク (鼻、左上切痕、右上上切痕) を順番にマークします。ニューロナビゲーションシステムが、実際の頭部位置を3D頭部モデル²³に空間的に登録できるようにする。
4. 頭の形状サンプリング:ポインタを使用して頭皮に約200〜300の追加ポイントを収集し、レジストレーションの精度を高めます²⁴。ソフトウェアが、MRI画像と実際の座標系²⁵との間の位置合わせを最適化するために、これらの点に基づいて個別化された頭部形状モデルを自動的に適合させる。
5. EMG 記録: 記録電極を、標的の短母指外転筋 (APB) 筋の腹部と親指の指節間関節近くの参照電極の上に、約 2 cm 離して配置します²⁶。電極インピーダンスを5kΩ未満に維持しながら、最小分解能<0.2μV、周波数応答範囲1-25kHzで100kHzのサンプリングレートでMEPを記録します。続行する前に、ベースラインEMG信号が最小限のノイズ、安定した波形、および明らかなドリフトや電気的干渉がないことを確認してください²⁷。
6. モーターのホットスポットを特定する
   1. シングルパルスTMS(8の字コイル、70 mm)を頂点²⁸に対して約5 cm外側、0〜1 cm前方に投与してM1座標を決定し、ターゲット筋肉の反対側に最大MEP振幅を誘発し、モーターホットスポットの正確な位置特定を容易にします。MEP 測定を妨げる可能性のある随意的な筋肉の収縮を避けるために、手を完全にリラックスさせてください。
   2. コイルのハンドルを正中線に対して45°後方に向け、中央溝²⁹に垂直な電磁電流を伝達します。コイルを、マークされたM1領域の周りを1cmステップで、前部、後部、内側、および外側³⁰を含むすべての方向に、5秒間隔で体系的に動かします³¹。モーター ホットスポットを、緩和された APB³² で最大の MEP 振幅を生成するサイトとして定義します。
7. モーターホットスポットのマーキング:機能的に定義されたモーターホットスポットが特定されたら、ニューロナビゲーションシステム内ですぐにマークします。マーキング時に、コイルとターゲットポイントの間の距離、傾斜偏差、回転偏差などの主要な空間パラメータをシステムが自動的に記録できるようにします。これらの指標を使用して、刺激手順全体を通じて正確で再現性のあるコイルの配置を確保します³³.

4. RMTの決定

1. 表面EMGデータを使用してピークツーピーク振幅を測定し、ステップ3.5で説明したのと同じEMGセットアップとパラメーターを適用してMEPを取得します。RMT を、10 回の連続したシングルパルス TMS 試験のうち少なくとも 5 回で、ピークツーピーク振幅が 50 μV を超える MEP を誘発する最小刺激強度として定義します²⁸。

5. LTP様可塑性の評価

1. ベースライン評価: モーター ホットスポットで 5 秒間隔で 20 回連続した TMS 誘発 MEP を記録します。MEPの刺激強度を120%RMTに設定すると、約1 mVのMEPが呼び起こされます³⁴。
2. LTP様可塑性の誘導:TMS装置(8の字コイル、70mm)を用いて刺激を送ります。モーターホットスポットに 80% RMT の強度で iTBS を塗布して、LTP のような可塑性を誘導します。50 Hz で 3 つの刺激のバーストと 5 Hz で繰り返される iTBS プロトコルを使用します。このパルス刺激の 2 秒の列を繰り返し、その後 8 秒の休憩を合計 200 秒 (600 パルス) ^{繰り返します10}。
3. 可塑性評価: iTBS 介入後 5 分、10 分、15 分、および 30 分で、同じ刺激強度 (120% RMT) を使用して 20 個の MEP を記録し、可塑性を評価します³⁵。
4. LTP様可塑性の定量化:各時点(ベースライン、iTBS後5分、10分、15分、および30分)で記録された20のMEPの平均ピークツーピーク振幅を計算して、皮質の興奮性を定量的に反映します³⁶。刺激後の MEP 振幅は、セッションと個人全体の興奮性測定を標準化するために、ベースラインに対する正規化された比率として表されます。結果は、iTBS後の最終時点における生のMEP振幅および正規化されたMEP振幅であり、治療効果を表します³⁷。
5. 各時点での正規化された MEP 振幅を次のように計算します。
   
   各 iTBS 条件³⁸ の後、大平均正規化 MEP 値 >1.1 が促進、< 0.9 が阻害、0.9 から 1.1 が変化しない個人を分類します。

デモンストレーション中、ニューロナビゲーション システムを使用してモーター ホットスポット上で TMS コイルの正確な位置決めをガイドし、リアルタイムの空間フィードバックを提供し、コイルの配置のばらつきを最小限に抑えました。TMS デバイス (8 の字コイル、70 mm) は、セッション全体を通して刺激を供給しました。手順を説明するために、1 人の参加者からの代表的な結果を以下に示します。記録されたMEP振幅は、ニューロナビゲーションによって導かれるコイル配置によってもたらされる安定性を反映して、シングルパルス試験全体で安定した一貫した応答を示しました。iTBS後のMEP振幅の時間依存的な増加は、LTPのような可塑性を示しています。データは、ベースラインと刺激後の生の MEP 振幅と正規化された MEP 振幅を比較し、個々の応答を促進、阻害、または未変化として分類することによって分析できます。全体として、これらの代表的な結果は、記載されているプロトコルが正確なモーターホットスポットの位置特定、再現性のある刺激、および刺激誘発性LTP様可塑性変化の定量的評価を可能にすることを示しています。

ニューロナビゲーションシステムのセットアップとローカリゼーション

ニューロナビゲーションシステムのセットアップと位置特定手順を実行して、鼻、左上切痕、および右上切痕を含む、軸面、矢状面、および冠状面にわたる個々の解剖学的ランドマークを特定して登録しました。これらのランドマークは、その後の個別化された3D頭部モデルの作成の基準基準として機能し、解剖学的構造と刺激ターゲット間の正確な共登録を保証しました(図1)。空間登録は、頭皮上の同じ 3 つの解剖学的ランドマークを特定することによって初期化されました。このシステムは、コイルの位置と、標的筋肉の反対側の M1 内の事前定義された刺激部位に対するその位置合わせに関するリアルタイムの視覚的フィードバックを提供し、刺激が標的皮質領域に正確に届けられることを保証しました。

図1:ランドマーク登録。 ニューロナビゲーション システムを使用して参加者の頭蓋骨上の解剖学的ランドマークを特定し、正確な空間登録を可能にします。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3Dヘッドモデルの確立

参加者の頭皮の個別化された 3D 頭部モデルは、ニューロナビゲーション登録と頭皮表面サンプリングに基づいて生成されました。解剖学的ランドマークと頭の形状の位置合わせ中の平均レジストレーション誤差は1.5mm未満であり、刺激セッション全体を通して正確なコイル配置が可能になりました(図2)。

図2:3Dヘッドモデルの構築。 ニューロナビゲーション登録と頭皮表面サンプリングに基づいて再構成された3D頭部モデルを視覚化し、刺激中の正確なコイル追跡と皮質マッピングを可能にします。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

モーターホットスポットの特定

運動ホットスポットは、TMS で脳を刺激し、MEP を記録することにより、TMS 誘発 MEP に基づいて機能的に特定されました。最も強い応答を生成する部位は、モーターホットスポットとして定義されました(図3)。

図3:モーターホットスポットの位置特定。 ターゲット APB の運動ホットスポットに対応するターゲット筋肉の反対側の M1 上の刺激部位をリアルタイムで表示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

RMT の決定

RMT は、シングルパルス TMS を使用して決定されました。RMTは、標準的なRMT定義28に従って、10回の連続した試験のうち少なくとも5回でピークツーピーク振幅>50μVのMEPが観察された最低の刺激強度であり、TMS刺激が効果的な運動活性化の閾値を上回っていることを保証しました(図4)。

図4:RMTの決定。 RMT評価中にターゲットAPBから記録された代表的なMEP波形。数字 1 から 10 は、10 回の連続したシングルパルス TMS 試験を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ベースライン測定

iTBS の前は、皮質脊髄の興奮性は、特定された運動ホットスポット上で 120% RMT で 5 秒間隔で 20 のシングルパルス TMS 刺激を送達することによって評価されました (図 5)。

図5:ベースラインMEP。 標的APBからの20の代表的なMEPは、緩和された条件下で120%RMTのシングルパルスTMSによって誘発されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

LTP様可塑性の誘導

iTBSプロトコルは、50 Hzで3つのパルスのバーストを5 Hzで繰り返す(200秒間で600パルス)を使用して、個々のRMTの80%で配信されました。刺激装置モードのログでは、すべてのセッションが計画されたパルス数を中断することなく提供し、出力強度が全体を通して安定していることが確認されました。

LTP様可塑性の定量化

iTBSプロトコルの適用後、MEP振幅を複数の時点で記録し、時間の経過に伴う皮質興奮性の変化を観察しました(図6)。

図6:iTBS後のMEP。 1 人の参加者からの代表的な MEP は、iTBS の (A) 5 分、(B) 10 分、(C) 15 分、および (D) 30 分後に 120% RMT でターゲット APB から記録されました。各パネルには20の波形が表示され、振幅の時間依存変調を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

生の MEP

興奮性の変化を定量化するために、ベースラインおよび刺激後の各時点で平均ピークツーピークMEP振幅を計算しました(図7)。

図7:平均MEP振幅。 平均 MEP 振幅は、ベースライン時と、代表的な参加者の iTBS 後の 5 分、10 分、15 分、および 30 分で記録されます。各データポイントは、20のシングルパルスTMS刺激の平均を表し、エラーバーは標準偏差(SD)を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

正規化された MEP

刺激後の各時点での MEP 振幅は、ベースラインに正規化されました。MEP振幅の時間依存の増加とそれに続く減少は、LTPのような可塑性の特徴的なプロファイルを反映しています(図8)。

図8:正規化された平均MEP振幅。 MEP 振幅は、代表的な参加者の iTBS の 5 分、10 分、15 分、および 30 分後にベースライン値 (ポスト/ベースライン比) に正規化されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

刺激後最初の数分以内にMEP振幅の顕著な増加が観察され、皮質脊髄興奮性の一時的な増強を反映しています。この強化は、時間の経過とともに徐々に低下します。事前定義された分類基準38 (正規化された MEP 値 >促進として 1.1、< 0.9 が阻害、0.9 から 1.1 が変化なし) に従って、代表的な参加者は促進されたと分類され、刺激後のすべての時点 (5 分、10 分、15 分、および 30 分) にわたる平均正規化 MEP 値が 1.1 を超えました。この時間依存変調は、一般にLTP様可塑性の現れとして解釈されます。

著者には、この研究に従って競合する金銭的利益やその他の利益相反はありません。