경두개 자기 자극과 근전도 조영술을 결합하여 일차 운동 피질 흥분성 및 흥분성 조절 평가

Summary

여기에서는 근전도 검사(EMG)와 결합된 경두개 자기 자극(TMS)을 사용하여 일차 운동 피질 흥분성 및 흥분성 조절을 평가하는 방법론을 설명하는 프로토콜을 제시합니다.

Abstract

우리는 일차 운동 피질(M1)의 근전도 검사(EMG)와 반복적 경두개 자기 자극(TMS)을 병용하여 운동 피질 흥분성과 그 조절을 평가하는 프로토콜을 설명합니다. EMG 기록은 맞춤형 시스템을 사용하며 표면 전극은 오른쪽 첫 번째 등쪽 골간(FDI) 근육 위에 배치되고 왼쪽 팔꿈치에는 접지 전극이 있습니다. TMS는 신경 항법 시스템에 의해 안내되는 8자 코일이 있는 자기 자극기를 사용하여 수행됩니다. FDI의 모터 핫스팟은 코일 배치를 조정하는 동안 단일 TMS 펄스를 체계적으로 적용하여 식별되며 모든 TMS 절차의 대상으로 사용됩니다. 휴식 운동 역치(rMT)는 10회 시도 중 최소 5회에서 EMG 기록에서 50μV≥ 운동 유발 전위(MEP)를 유도하는 데 필요한 최소 강도로 정의되는 반면, 능동 운동 역치(aMT)는 참가자가 최대 자발적 근육 활성화의 10-20%를 유지하는 동안 10개 펄스 중 최소 5개 펄스에서 200μV≥ MEP를 유발하는 데 필요한 최소 강도입니다. 기준선 피질 흥분성은 무작위 간격(6-10초)으로 전달되는 펄스와 함께 120% rMT에 적용된 40개의 단일 TMS 펄스에서 얻은 평균 MEP 진폭으로 정의됩니다. 운동 피질 흥분성 조절은 간헐적 세타 버스트 자극(iTBS) 프로토콜(50Hz 펄스 삼중항, 80% aMT, 2초 켜기/8초 끄기 동안 5Hz, 20회 반복, 총 600펄스)을 사용하여 달성됩니다. 흥분성 조절은 자극 후 4개의 시점(즉시(T0), 10분(T10), 20분(T20) 및 30분(T30)에서 MEP 진폭 측정의 반복을 통해 평가됩니다. 이 프로토콜은 운동 피질 흥분성의 정확하고 재현 가능한 평가를 보장하고 iTBS로 인한 조절 효과의 피크를 포착합니다.

Introduction

경두개 자기 자극(TMS)은 두피와 두개골을 관통할 수 있는 자기장을 유도하여 피질 조직에 도달하면 신경 활동을 유도하는 비침습적 신경 자극 기술입니다¹. TMS는 인간의 중추신경계(CNS) 신경생리학의 생체 내 평가를 가능하게 합니다 ^2,3,4. 특정 피질 영역에 반복적인 훈련(반복 TMS 또는 rTMS)을 통해 전달될 때, TMS는 적용된 프로토콜의 매개변수에 따라 자극 기간을 넘어 확장되는 피질 표적의 흥분성 변화를 유도할 수 있습니다⁵. 단일 펄스 TMS는 일반적으로 피질 흥분성을 측정하는 데 사용되며, rTMS 전후에 적용될 때 TMS ^2,3,4에 의해 유도된 피질 흥분성 조절을 정량화할 수 있습니다. 일차 운동 피질(M1)은 기능적 출력이 근전도(EMG) 기록을 통해 쉽게 정량화될 수 있기 때문에 이러한 프로토콜의 주요 표적 중 하나였습니다 ^6,7. 뇌파 검사(EEG) 및 기능적 자기 공명 영상(fMRI)과 같은 다른 신경생리학적 및 신경 영상 기술과 비교할 때 TMS-EMG는 임상 구현에 더 많은 이점을 제공합니다. EEG는 광범위한 전극 설정, 신중한 아티팩트 관리 및 정교한^{신호 처리가} 필요한 반면 fMRI는 더 높은 비용, 제한된 접근성을 수반하며 더 낮은 시간 해상도를 제공합니다⁹. TMS-EMG는 비교적 간단한 표면 EMG 기록에 의존하며, 분석은 운동 유발 전위(MEP) 진폭 및 대기 시간과 같은 간단하고 객관적인 지표를 중심으로 합니다. 이러한 획득 및 처리의 단순성과 더 짧은 설정 시간 및 낮은 인프라 요구 사항이 결합되어 TMS-EMG는 빠르고 신뢰할 수 있으며 재현 가능한 바이오마커가 필요한 임상 실습으로 전환하는 데 특히 적합합니다¹⁰.

피질 흥분성 조절의 측정은 내재적 또는 외재적 자극에 반응하여 기능적 및 구조적 변화를 겪는 뇌의 능력으로 정의되는 신경가소성의 간접적인 지표로 간주됩니다^11,12. 신경가소성의 변화는 주요 우울 장애(MDD)13,14,15,16과 같은 다양한 신경정신과적 상태와 관련이 있습니다. 신경가소성 메커니즘, 생체 내 및 임상 맥락에서의 실제 적용 가능성을 조사할 수 있는 능력을 감안할 때 TMS-EMG에서 파생된 피질 흥분성 조절의 평가는 신경 정신 장애에 대한 잠재적인 바이오마커로 연구되었습니다 17,18,19. 이러한 측정은 진단 바이오마커¹⁸ 및 치료 결과의 예측 인자로서 유망할 수 있습니다^14,15. 단일 또는 쌍 펄스 TMS는 일반적으로 휴식 운동 역치(rMT)의 백분율로 표현되는 강도, 즉 운동 반응(rMT; 일반적으로 110-130% rMT)을 생성하는 데 필요한 최소 강도로 전달되며, 프로토콜은 종종 피질 척수 흥분성을 안정적으로 추정하기 위해 20-40 펄스를 사용하고 개입 전후의 변조를 평가하기 위한 수백 펄스를 서로 다른 시점에서^{사용합니다 20}. 펄스 간 간격(IPI)은 일반적으로 캐리오버 효과를 최소화하고 연속적인 MEP의 독립성을 보장하기 위해 >4초여야 합니다²¹. 피질 흥분성의 조절에 사용될 때 프로토콜은 저주파 rTMS(rTMS; ≈ 1Hz, 600-1800 펄스) 또는 연속 세타 버스트 자극(cTBS; 50Hz에서 3펄스, 200ms마다 반복, 40초 동안 연속) 억제 후유증을 유도합니다. 피질 흥분성을 촉진하기 위해 프로토콜은 대부분 고주파 rTMS(rTMS; ≥ 5Hz, 일반적으로 5-20Hz, 600-2000 펄스) 또는 간헐적 세타 버스트 자극(iTBS)²²에 의존합니다. iTBS는 일반적으로 50Hz에서 3개의 자극 버스트로 전달되는 600개의 펄스로 구성되며, 5Hz에서 2초 동안 반복되며, 능동 운동 역치(aMT)의 약 80%의 강도로 10초마다 간헐적으로 트레인이 적용됩니다. 이 패턴은 효율성, 짧은 지속 시간 및 피질 가소성의 강력한 촉진으로 인해 실험 및 임상 목적 모두에서 가장 널리 채택되었습니다^23,24.

그러나 임상적 유용성은 해결되지 않은 방법론적 문제로 인해 여전히 제한되어 있습니다. 이러한 문제를 해결하려는 노력(주로 측정의 신뢰성을 조사하고 개선함으로써)은 일관성 없는 결과를 낳았습니다 25,26,27,28,29. 이러한 불일치는 적어도 부분적으로는, rTMS 매개변수의 가변성을 포함하여 연구 전반에 걸친 실질적인 방법론적 함정 및 이질성에 기인할 수 있으며, 예를 들어, 펄스 수는 저주파 패러다임²²에서 20 내지 1800 펄스 범위이며, 600 펄스의 iTBS 트레인에서 1200 펄스의 수정된 버전까지(³⁰). 또한 신경항법이 없는 연구에서는 신경항법이 있는 프로토콜과 비교할 때 rTMS 프로토콜의 MEP 진폭의 가변성과 낮은 조절 효과를 보여주었습니다³¹. 발표된 연구의 표본 크기도 상대적으로 적었고 종종 10명에서 25명 사이의 참가자로 통계적 검정력이 제한되었습니다³². 또한, 신뢰성을 평가하기 위한 제한된 통계적 접근이 구현되었으며, 일부 연구는 일반적으로 테스트-재테스트 신뢰도에 가장 적합한 지표로 간주되는 클래스 내 상관 계수(ICC)^24,33 이외의 측정에 의존합니다 ²⁶.

TMS-EMG 패러다임을 사용한 피질 흥분성 획득 및 분석을 위한 프로토콜도 추가적인 가변성에 기여할 수 있습니다. 투여된 TMS 펄스 수와 같은 특정 방법론적 요인은 20개 미만의 MEP를 기반으로 한 추정치로 신뢰성이 낮을 수 있는 반면, 평균 ≥30개의 MEP는 피질 척수 흥분성의 안정적인 측정을 제공합니다. 유사하게, IPI는 2초 이하의 간격으로 흥분성에 영향을 미쳐 자극의 누적 효과로 인해 피질 흥분성의 변화를 유도하는 것으로 나타났으며, 4초 이상의 보다 보수적인 간격은 이러한 혼란을 감소시킵니다²¹. EMG 획득 기술^(34,35)은 또한 측정 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어, 양극 구성은 단극 구성^(34,35)에 비해 향상된 공간 선택성을 제공하고 주변 근육의 활동으로 인한 오염을 감소시킵니다. 따라서 데이터 수집 및 처리 프로토콜의 표준화는 피질 흥분성 조절의 평가를 개선하고 신뢰할 수 있는 바이오마커의 중요한 속성인 안정성을 결정하는 데 필수적입니다³⁶.

따라서 신경생물학적 평가를 위한 후보 마커로서 피질 흥분성 조절 측정의 사용을 추구하고 임상 적용을 위한 신뢰성을 확립하기 위해 우리는 방법론적 이질성의 잠재적 영향을 최소화하고 운동 피질 흥분성 및 그 조절의 정확하고 재현 가능한 측정을 보장하기 위해 현장에서 이용 가능한 최상의 증거에 기반한 체계적인 접근 방식의 결과인 프로토콜을 제시합니다^{37, 38}. 여기에는 적절한 EMG 획득 프로토콜(³⁴)의 구현, 신경 항법 시스템의 사용⁽³⁹), 충분한 수의 MEP 수집(²⁰), 적절한 IPI^{의 사용(21}), 획득 절차 및 신호 처리 방법에 대한 포괄적인 보고⁽³⁴)가 포함되었습니다. 우리의 결과는 문헌의 기존 모범 사례와 비교할 때 향상된 신호 안정성을 입증하여 강력한 신경생리학적 바이오마커 개발에 필요한 방법론적 엄격함에 기여했습니다.

Protocol

여기에 설명된 절차는 Seybert et ^al.37 및 Faro Viana et ^al.38이 보고한 데이터를 수집하기 위해 개발되었습니다. 모든 참가자는 참여 전에 서면 동의서를 제공하여 연구 목적, 절차, 위험 및 언제든지 철회할 수 있는 권리를 설명했습니다. 이 프로토콜은 Champalimaud Center for the Unknown의 윤리 위원회의 승인을 받았으며 헬싱키 선언에 따라 수행되었습니다. 다른 연구 또는 장소에서 이 프로토콜을 사용하는 것은 관련 지역 윤리 위원회 및/또는 기타 관할 당국의 승인을 받은 후에만 이루어져야 합니다. 특정 연구 환경에 적용할 수 있는 참조 프레임워크로 국제 지침^40,41을 사용하여 원치 않는 부작용의 위험을 최소화하기 위해 TMS 전에 표준화된 안전성 체크리스트를 적용해야 합니다. 이 프로토콜은 ~1시간 15분 동안 설계되었습니다(그림 1).

1. 설정 요구 사항 및 준비

1. 두 명의 기술자가 세션을 최적으로 수행할 수 있도록 하며, 한 명은 TMS 절차를 적용하고 다른 한 명은 추가 단계에서 지원을 제공합니다.
2. 다음 장비를 사용할 수 있는지 확인하십시오: 신경 항법 시스템; 편안한 의자; 각각의 접점 및 전극을 갖는 EMG 장치; iTBS, 단일 펄스 프로토콜의 입력, 신경 항법 및 EMG 시스템과의 연결을 허용하는 8자형 코일이 있는 TMS 자극기. EMG 소프트웨어와 신경 항법 소프트웨어를 동시에 관찰할 수 있도록 하나 또는 두 대의 컴퓨터를 사용할 수 있는지 확인하십시오. 컴퓨터에 EMG 신호를 수신할 Bluetooth 신호 수용체가 있는지 확인하십시오.
3. 다음 소모품을 사용할 수 있는지 확인하십시오: 알코올 및 거즈 압축; 젤 전극이 배치될 피부를 청소하기 위한 물 사포; 참가자를 위한 수영모; 참가자와 기술자 모두를 위한 귀마개.
4. 참가자가 도착하기 약 30분 전에 설정 준비를 시작하여 신경 내비게이션 시스템, EMG 보드 및 TMS 기계와 생리학적 데이터 수집에 필요한 소프트웨어를 적절하게 설정합니다.
5. EMG 시스템을 준비합니다.
   1. EMG 보드가 완전히 충전되었는지 확인하고(해당되는 경우) 각 접점을 준비합니다 - 하나는 참조용으로(단극 - 왼쪽 팔꿈치에 배치), 다른 하나는 등록을 위해 대상 근육에 배치합니다(양극성 - 오른쪽 제1 등쪽 골간). TMS 펄스 출력을 EMG 신호에 동기화하여 TMS 장치를 EMG 보드에 연결하려면 추가 케이블이 필요합니다.
   2. 의료용 은/염화은(Ag/AgCl) 전극을 접점에 꽂습니다(전극 3개 필요). 또한 TMS 기계에서 EMG 보드에 케이블을 연결하여 각 TMS 펄스의 트리거 신호를 출력합니다.
   3. 사내 EMG 장치의 경우 벨크로를 안정된 표면으로 벗겨냅니다. 접점을 각 진입점의 EMG 장치에 연결합니다.
   4. 모니터/컴퓨터 중 하나에서 BONSAI 소프트웨어(⁴² )와 각각의 EMG 데이터 수집 스크립트를 엽니다. 데이터 수집 준비가 된 경우에만 시작 버튼을 누르십시오(자세한 내용은 보충 파일 1, 1단계 참조).
6. TMS 장치를 준비합니다.
   1. TMS 장치에서 흥분성 평가 프로토콜을 정의합니다. 이것은 이전 자극의 이월 효과를 피하기 위해 최소 6초의 무작위 IPI와 함께 120% rMT에서 40개의 단일 펄스로 구성됩니다.
   2. 장치에 주어진 자극 매개변수에 따라 선 험적으로 iTBS 프로토콜을 삽입합니다: 50Hz 펄스 트리플렛, 80% aMT, 2초 켜기/8초 끄기 동안 5Hz, 20회 반복, 총 600펄스.
   3. 최대 자극 출력(MSO - %)이 보이는 TMS 기계 화면의 모든 부분에 종이 스트립을 부착하여 rMT 및 aMT 평가 중에 기술자가 눈이 멀도록 합니다(자세한 내용은 보충 파일 1, 2단계 참조).
7. TMS용 ANT Neuro 신경 항법 시스템을 준비합니다.
   1. 필요한 하드웨어 구성 요소를 조립합니다. 여기에는 적외선 추적 카메라, 반사 마커가 있는 참가자의 헤드밴드, 포인터 도구, 보정 보드(TMS 코일용) 및 코일 추적기(실시간 위치 추적을 위해 코일에 부착되는 원형 장치)가 포함됩니다.
   2. 카메라를 삼각대에 놓고 전체 세션 동안 다른 모든 신경 항법 구성 요소에 대한 시야가 명확한 위치에 배치됩니다.
   3. 코일 교정 추적기와 보드를 TMS 코일에 놓습니다.
   4. 신경 내비게이션 시스템 소프트웨어를 열고 참가자의 ID를 삽입한 다음 신경 내비게이션 구성 요소를 보정합니다(자세한 내용은 보충 파일 1, 3단계 참조).

2. 참가자 준비

1. 참가자가 도착하면 발표된 지침^40,41에 따라 설문지 및/또는 구조화된 인터뷰를 사용하여 TMS 적용에 대한 안전성을 평가합니다. 정신 및 신경 장애의 병력, 의식 상실, 청각 장애, 금속 또는 자기 임플란트의 존재, 진행 중인 약물 치료 및 임신 상태에 관한 항목을 포함합니다. 안전 문제가 제기되지 않은 경우에만 프로토콜을 진행합니다.
2. 참가자를 양쪽 팔뚝이 휴식 자세로 놓을 수 있는 편안한 의자에 앉히십시오. 참가자가 코일이 머리에 편안하게 위치할 수 있도록 적절한 각도에 있는지 확인하십시오.
3. 환자에게 안경, 머리핀 또는 핀, 귀걸이 또는 기타 금속 및/또는 전자 장치를 제거하도록 합니다. 귀마개를 제공하고 적절하고 안정적으로 배치되었는지 확인하십시오. 참가자에게 깨어 있고, 조용하고, 긴장을 풀도록 지시한다. 생리적 신호의 변동을 최대한 줄이기 위해 참가자가 항상 깨어 있는지 확인하십시오.
4. 전극-피부 인터페이스의 품질을 개선하고 전기 신호의 전도도를 개선하려면 물 사포로 해당 부위를 부드럽게 문지른 후 알코올이 함장된 거즈⁽³⁵)로 빠르게 헹구어 FDI 위의 피부를 청소합니다. 반대쪽 팔꿈치에 대해 이 절차를 반복합니다. 피부가 건조해지면 접지 전극을 팔꿈치 위에 놓아 제로 전압 기준점을 제공하고 FDI 위의 반대쪽 손에 기록 전극을 놓고 중심이 근육 힘줄 방향으로 약 2.5cm에 있도록 합니다( 그림 2 참조).
5. 참가자의 머리에 수영모를 씌워 TMS 자극 부위의 위치에 대한 참조를 그립니다.
   1. 참가자의 머리에 수영모를 전후 방향으로 씌웁니다. 캡이 앞쪽의 참가자의 눈썹 라인과 양쪽의 귀 나선 뿌리에 정렬되어 있는지 확인하십시오. 두피 위에 놓고 귀를 자유롭게 덮지 않도록 합니다.
   2. 캡에 내측 시상선과 이중선을 그려 꼭짓점의 차단 지점을 얻습니다(그림 3A, B).
   3. 차단 지점에서 이심 간선에서 왼쪽으로 5cm, 시상선에서 앞쪽으로 5cm를 측정하여 2개의 추가 지점을 정의합니다(그림 3C, D).
   4. 대각선을 그려 측면 지점을 내측 전방 지점에 연결합니다(그림 3E).
   5. 측면 지점에서 시작하여 대각선의 전내측 방향으로 2.5cm를 측정하여 모터 핫스팟의 초기 추정치를 표시합니다(그림 3F).
   6. 모터 핫스팟에 대한 추가 테스트 지점을 제공하기 위해 초기 추정치 주위 반경 0.5cm에 4점을 표시합니다. 모터 핫스팟에 대해 고려되는 영역(빨간색 선)을 표시합니다(그림 3E, F).
6. 참가자를 위한 신경 탐색 시스템을 설정합니다.
   1. 신축성 있는 헤드밴드를 참가자의 머리에 올려 놓고 마커 스트립이 카메라를 향하고 세션 내내 제자리에 유지되어야 하므로 편안하도록 합니다.
   2. 포인터를 사용하여 참가자의 머리에 있는 주요 해부학적 랜드마크(비, 왼쪽 및 오른쪽 이주 및 머리 모양 지점)를 정의하면 시스템이 참가자의 머리 해부학(비, 이주, 두피 랜드마크 및 머리 모양)과 관련하여 자극 대상을 정렬하고 추적할 수 있습니다. 개별화된 MRI 스캔을 사용하는 경우 뇌 해부학을 포함합니다. 이를 통해 TMS 절차 중 개별 해부학적 구조와 관련하여 코일 위치 지정이 정확합니다(자세한 내용은 보충 파일 1, 3단계 참조).

3. TMS-EMG 생리학 평가

1. EMG 데이터 수집을 위해 BONSAI 스크립트⁴² 실행을 시작합니다. 녹음하는 동안 참가자의 안면 수축, 사지 움직임, 부주의한 캡 위치 변경 또는 참가자의 생리학 및 생리학적 데이터 수집에 영향을 미칠 수 있는 기타 행동의 징후를 모니터링합니다.
2. 모터 핫스팟을 측정합니다.
   1. TMS 코일을 참가자의 두피에 접선 방향으로 배치하고 핸들이 2.5단계에서 표시된 위치 위에 중앙 시상선을 기준으로 45° 각도로 뒤쪽을 향하도록 합니다.
   2. 초기 모터 핫스팟 추정치에 대해 MSO의 30%에서 펄스를 적용합니다.
   3. 일관된 운동 반응이 관찰될 때까지 MSO의 5-10% 단계로 자극 강도를 증가시킵니다.
   4. 초기 추정치와 그 주변의 여러 위치에 단일 펄스를 적용하여 가장 일관되게 더 높은 진폭 MEP를 생성하는 위치를 결정하고, 가능한 경우 가시적인 수축이 FDI로 제한되는 위치를 결정합니다.
   5. 신경 탐색 시스템 소프트웨어에서 MH를 결정한 펄스를 선택하여 추가 자극을 안내합니다.
3. rMT를 설정합니다.
   1. 신경 항법 시스템을 사용하여 3.2단계에서 발견된 MH로 코일을 안내합니다 - rMT는 여기에 전달되는 10개의 TMS 단일 펄스 중 최소 5개에서 반대쪽 FDI에서 최소 50μV의 MEP를 유도하는 데 필요한 최소 % MSO이며, 대략 5초 자극 간 간격으로 분리됩니다.
   2. MH를 정의하는 데 사용되는 % MSO에서 시작하여 10개의 TMS 단일 펄스 중 5개 미만이 반대쪽 FDI에서 최소 50μV의 반응을 이끌어낼 때까지 2% 단계로 강도를 줄입니다.
   3. 10개의 TMS 단일 펄스 중 최소 5개가 반대쪽 FDI에서 최소 50μV의 반응을 이끌어낼 때까지 MSO를 1% 단계로 증가시킵니다.
   4. rMT에 대한 % MSO를 등록합니다.
4. 최대 자발적 근육 활성화를 결정합니다.
   1. 검지손톱을 엄지손가락 배에 최대 힘으로 밀어 원 모양을 만들어 첫 번째 등쪽 골간(FDI) 근육의 최대 자발적 근육 활성화를 생성하도록 환자에게 지시합니다.
   2. 참가자가 근육 수축을 시작한 후 약 2초 후에 BONSAI 스크립트를 실행하는 컴퓨터에서 스페이스 바를 눌러 해당 시점을 기록하고 전극 움직임으로 인한 활동의 초기 증가 및 스파이크를 건너뜁니다.
   3. 피로를 예방하고 회복을 보장하기 위해 각 수축을 1분의 휴식 시간으로 분리하여 이 과정을 세 번 반복합니다.
5. aMT를 설정합니다.
   1. 신경 항법 시스템을 사용하여 코일을 3.2단계에서 발견한 MH로 안내합니다 - aMT는 약간의 자발적 수축 동안 여기에 전달되는 10개의 TMS 단일 펄스 중 최소 5개에서 최소 200μV 피크 투 피크 진폭의 MEP를 생성하는 최소 % MSO입니다.
   2. 참가자에게 EMG를 사용하여 진행 중인 수축을 모니터링하고 실시간 피드백을 제공하여 MViC의 10%에서 20% 사이의 최대 이하 수축을 유지하도록 요청합니다(자세한 내용은 보충 파일 1, 1단계 참조).
   3. rMT에 대한 MSO %에서 시작하여 TMS 단일 펄스 10개 중 5개 미만에서 최소 200μV의 MEP가 생성될 때까지 강도를 2% 단위로 줄입니다.
   4. 10개의 TMS 단일 펄스 중 최소 5개에서 최소 200μV의 MEP가 생성될 때까지 MSO를 1% 단위로 증가시킵니다.
   5. aMT에 대한 % MSO를 등록합니다.
6. 기본 피질 흥분성을 정의합니다.
   참고: 이 단계는 참가자의 기본 MEP 진폭을 설정하여 후속 비교를 위한 참조 역할을 하는 것을 목표로 합니다.
   1. 신경 내비게이션 시스템을 사용하여 3.2단계에 정의된 대로 모터 핫스팟 위에 코일을 정확하게 배치합니다.
   2. 표면 EMG 전극이 대상 근육 위에 올바르게 배치되었는지 확인하고(예: 첫 번째 등쪽 골간) 신호 품질을 확인합니다(최소 노이즈 및 명확한 MEP).
   3. TMS 장치에 단일 펄스 자극 프로토콜을 로드합니다.
   4. 이전에 정의된 rMT를 삽입하고 프로토콜을 시작합니다(1.6.1단계에 설명된 자극 매개변수).
   5. 40개 MEP의 피크 투 피크 진폭을 평균화하여 기준선 피질 흥분성을 평가합니다.
      참고: 피크 간 진폭은 각 개별 MEP 파형의 최소 지점과 최대 지점 사이의 전압 차이로 정의됩니다. 추가 분석을 위해 MEP 진폭은 이전 문헌³²에 설명된 절차에 따라 개인 간 변동성을 제어하기 위해 기준선 값으로 정규화될 수 있습니다.
7. 피질 흥분성 조절 프로토콜을 적용합니다.
   참고: 이 단계에는 피질 흥분성을 조절하기 위한 iTBS 프로토콜을 전달하는 것이 포함됩니다.
   1. TMS 디바이스에서 iTBS 프로토콜을 로드합니다.
   2. 이전에 정의된 aMT를 삽입하고 프로토콜을 시작합니다(1.6.2단계에 설명된 자극 매개변수).
   3. iTBS 프로토콜이 끝난 직후 스톱워치를 시작하여 자극 후 간격을 모니터링합니다.
8. 피질 흥분성 조절을 평가합니다.
   1. T0, 즉 피질 흥분성 조절 프로토콜이 끝난 직후 단계 3.6에 설명된 대로 120% rMT를 사용하여 단일 펄스 자극 프로토콜을 다시 적용합니다.
   2. 포인터를 내션에 놓고 신경 항법 시스템 소프트웨어에서 정렬을 확인하여 신경 항법 정확도를 검증합니다. 공간 편차가 5mm <인지 확인합니다. 값을 기록합니다.
   3. T10, T20 및 T30, 즉 피질 흥분성 조절 프로토콜 후 10, 20 및 30분 - 3.8.1단계에서와 같이 단일 펄스 자극 프로토콜을 반복합니다. 3.8.2단계와 같이 신경 탐색 정확도를 다시 검증합니다.
   4. 최종 자극 블록이 완료되면 BONSAI 스크립트를 중지합니다. 소프트웨어에서 신경 탐색 세션을 완료합니다. "bin." 파일은 분재 데이터 수집에서 생성됩니다.
   5. 기준선과 동일한 절차, 즉 각 시점에서 기록된 40개 MEP의 피크 간 진폭을 평균화하여 변조 후 시점(T0, T10, T20 및 T30)에서 피질 흥분성을 평가합니다. 이를 통해 변조 프로토콜에 따른 기준선에 대한 흥분성 변화를 비교할 수 있습니다.
   6. 피질 흥분성 조절의 계산: 각 개입 후 시점(T0, T10, T20, T30)에서 기록된 MEP의 평균 진폭 간의 차이로 정의되는 델타 MEP(ΔMEP)를 계산하여 자극 프로토콜에 의해 유도된 피질 흥분성의 조절을 정량화합니다. 이 측정을 통해 iTBS 프로토콜에 의해 유도된 피질 흥분성 변화의 크기와 기간을 평가할 수 있습니다.
       
9. 참가자에게 불편함에 대해 질문하고 세션 후 필요나 질문이 발생할 수 있는 경우 연락 수단을 제공하십시오.

Results

이 프로토콜은 다양한 EMG 시스템 및 TMS 설정에서 일반화 가능한 상태를 유지하면서 피질 척수 흥분성에 대한 신뢰할 수 있고 재현 가능한 평가를 제공하도록 설계되었습니다. 우리는 대체 방법(예: 순차적 테스트에 의한 매개변수 추정을 기반으로 한 임계값 헌팅 방법)도 잘 확립되어 있음을 인정하면서 연구 전반에 걸쳐 광범위하게 검증되고 재현 가능하며 비교 가능한 기존의 임계값 헌팅 절차를 선택했습니다^43,44. 총 40개의 단일 펄스 TMS 자극을 수집하면 일부 펄스가 응답을 이끌어내지 못하는 경우에도 MEP 진폭을 안정적으로 추정할 수 있도록 충분한 MEP가 기록됩니다²⁰. 펄스 사이의 간격은 이전 자극²¹의 이월 효과를 방지하고 펄스 시퀀스를 예측할 수 없게 만들어 예상 근육 사전 활성화를 감소시키기 위해 최소 6초로 무작위화됩니다. 120% rMT의 단일 펄스 TMS 강도를 사용하는 것은 참가자 전반에 걸쳐 iTBS에 의해 유도된 가소성 변화를 일관되게 포착하면서 측정 가능한 MEP를 이끌어내는 잘 확립된 표준입니다. 필터링, 아티팩트 제거 및 배경 근육 활동 모니터링을 포함한 오프라인 EMG 처리는 측정된 MEP가 노이즈가 아닌 진정한 피질 척수 흥분성을 반영하고 근육 사전 활성화의 영향을 받지 않도록 합니다(자세한 내용은 보충 파일 1, 4단계 참조). 이 프로토콜을 사용하여 30분 이상 iTBS 후 MEP를 획득할 수 있지만, iTBS 후 T30에서 데이터 수집을 종료하기로 선택했으며, 이는 이 프로토콜로 인한 LTP 유사 가소성이 주로 이 창 내에서 발생한다는 증거와 일치합니다³². 전반적으로 이 프로토콜은 특정 장치나 소프트웨어와 관계없이 재현성, 신뢰성 및 개념적 일반화성을 강조합니다.

TMS 세션에 참여하는 모든 직원은 참가자의 복지를 보장하기 위해 기관 안전 프로토콜에 대한 교육을 받아야 합니다. 세션 중에 참가자가 현기증과 같은 경미한 증상을 보고하면 세션을 일시 중지하고 참가자에게 물을 제공하거나 필요한 경우 다리를 높게 눕혀야 합니다. 간호사나 의사에게 적절하게 연락해야 합니다. 두통은 세션 중 또는 직후에 발생할 수 있습니다. 참가자는 이것이 예상되는 일이며 필요한 경우 간단한 일반의약품 진통제를 복용할 수 있음을 알려야 합니다. 두통이 지속되면 연구팀에 연락해야 합니다. 드물게 발작이 발생한 경우 세션을 즉시 중단해야 하며 제도적 프로토콜에 따라 응급 절차를 시작해야 합니다.

47명의 건강한 지원자의 데이터는 여기에 설명된 구조화되고 표준화된 프로토콜을 사용하여 수집되었습니다. 피질 흥분성 평가의 신뢰성을 향상시키기 위해 고안된 이 방법론은 실제로 6주 간격으로 수행된 두 가지 평가에서 일관된 결과를 산출했습니다³⁷. 첫 번째 평가에서 T0, T10 및 T20에서 MEP 진폭(ΔMEP)의 iTBS 후 변화로 평가한 좌측 운동 피질 흥분성의 유의미한 조절이 관찰된 반면, T30에서의 효과는 유의성에 도달하지 않았습니다(T0: W = 259, p < 0.01, r = 0.42; T10: W = 320, p < 0.01, r = 0.51; T20: W = 291, p < 0.01, r = 0.46; T30: W = 190, p = 0.06, r = 0.32) 및 6주 후의 모든 시점(T0: W = 293, p < 0.01, r = 0.48; T10: W = 278, p < 0.01, r = 0.46; T20: W = 315, p < 0.01, r = 0.52; T30: W = 275, p < 0.01, r = 0.45), 시간에 따른 강력한 흥분성 변조를 나타냅니다(그림 4A). T0에서 흥분성 조절의 안정성은 0.67(95% CI = 0.31-0.85; p < 0.01)의 ICC에 의해 추가로 뒷받침되었으며, iTBS 후 초기 순간에 중간에서 양호한 테스트-재테스트 신뢰도를 입증했습니다(그림 4B). 그럼에도 불구하고 T10, T20 및 T30에서 피질 흥분성의 시간적 신뢰성은 관찰되지 않았으며, 이는 이후 시점에서 가소성 유사 현상을 평가하기 위해 이 프로토콜을 적용하는 것의 한계를 시사합니다. 또한, aMT, rMT 및 기준선 MEP 진폭을 포함한 주요 신경생리학적 매개변수는 연구 기간 내내 안정적으로 유지되어 프로토콜의 내부 일관성과 절차적 신뢰성을 더욱 강조했습니다. 마지막으로, 손잡이, 상태 불안, TMS 효과에 대한 기대, 성별 및 연령을 포함한 잠재적인 교란 요인의 영향을 체계적으로 평가했습니다. Seybert et ^al.37에 보고된 바와 같이 이러한 변수와 피질 흥분성 조절 사이에 유의미한 연관성이 발견되지 않았으며, 이는 관찰된 효과와 개별 특성에 걸쳐 프로토콜의 견고성을 뒷받침합니다.

그림 1: 왼쪽 M1 흥분성 및 변조 평가 - 실험 프로토콜 개요. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 제1 등쪽 골간(FDI) 근육에 대한 EMG 기록을 위한 전극 위치. (a) 검지; (b) 힘줄 부위; (c) FDI 근육 배; (d) 엄지손가락. 활성 전극은 FDI의 배에 배치되고 두 번째 전극은 힘줄을 향해 말단으로 약 2.5cm 떨어진 곳에 위치합니다. 기준 전극은 반대쪽 팔꿈치에 위치해야 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 캡 마킹 절차. (A,B) 해부학적 기준선 식별: 내측 시상선과 이주간 선 및 정점 결정; (C,D) 꼭짓점에서 두 개의 기준점은 이주간선(왼쪽)을 따라 측면으로 cm, 시상선을 따라 전방으로 5cm를 측정하여 표시됩니다. (E) 측면 지점과 전방 지점을 연결하는 대각선의 구성. 대각선을 따라 측면 지점에서 전내측 방향으로 2.5cm 지점이 표시되어 모터 핫스팟의 초기 추정치를 나타냅니다. 초기 추정치의 0.5cm 반경 내에 4개의 추가 지점을 표시하여 핫스팟 추정을 개선하여 운동 역치 결정을 위한 자극 부위 클러스터를 생성합니다. (F) 모터 핫스팟 설정 및 캡(빨간색 선)의 각 표시. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 대표적인 연구 결과. (A) 기준선 및 후속 세션 동안 T0, T10 및 T20에서 MEP 진폭(ΔMEP)의 변화에 의해 반영되는 iTBS 후 좌 운동 피질 흥분성의 조절; (B) 0.67의 클래스 내 상관 계수(ICC)로 표시되는 T0에서의 테스트-재테스트 신뢰도(95% CI: 0.31-0.85; p < 0.01), 흥분성 조절에서 중간에서 양호한 일관성을 지원합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: 프로토콜에 대한 추가 세부 정보. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

여기에서는 EMG와 결합된 TMS를 사용하여 M1의 피질 흥분성 및 흥분성 조절을 평가하는 방법론을 설명하는 포괄적이고 엄격하게 구조화된 프로토콜을 제시합니다. 실험 설정 준비 및 신경 항법 시스템의 보정, TMS 및 EMG 장비 구성, MH, rMT 및 aMT를 식별하기 위한 표준화된 절차를 포함하여 실험 세션의 최적 수행에 필요한 모든 단계를 자세히 설명합니다. 프로토콜의 이러한 준비 단계는 피질 흥분성의 기본 평가, iTBS 적용을 통한 신경 조절 및 결과 조절을 정량화하기 위한 피질 흥분성의 재평가를 포함하는 최종 단계 시퀀스에 필요합니다.

이 방법론의 주요 강점은 과거 연구에서 발견된 많은 한계를 해결하는 높은 수준의 표준화와 엄격함입니다. 이 분야의 과거 작업은 종종 방법론적 불일치, 방법에 대한 제한된 설명, 높은 피험자 내 및 피험자 간 가변성으로 어려움을 겪었습니다³⁵. 방법론적 가변성에는 수집된 MEP의 수(²⁰), IPI⁽²¹⁾ 및 결과의 재현성을 손상시킬 수 있는 EMG 필터링 방법이 포함됩니다(³⁴). 여기에 설명된 프로토콜은 정확한 코일 배치를 보장하기 위해 신경 탐색(³⁹)을 통합하고, 검증된 EMG 절차⁽³⁴)를 사용하고, 자극 및 신호 획득(⁴⁵)을 위해 확립된 모범 사례를 채택함으로써 방법론적 함정을 피합니다. 이러한 각 절차의 구체적인 기여도는 정량화되지 않았지만 이러한 요소의 집합적 적용은 이전 연구 25,26,27,28,29,30과 비교할 때 관찰된 효과의 안정성과 신뢰성을 향상시켰습니다.

방법론적 엄격함과 표준화는 신뢰할 수 있는 측정의 기초이지만, 참가자 준비 및 세션 관리의 실질적인 측면은 획득한 데이터의 품질에 영향을 미치는 가장 중요한 프로토콜 단계 중 일부입니다. 전극 배치를 위한 적절한 피부 세척, 전극이 인접하고 안전하게 배치되었는지 확인, 신경 항법 헤드밴드가 편안하면서도 단단히 맞는지 확인하는 것은 세션 간 변동성을 최소화하는 데 중요합니다. 세션 전반에 걸쳐 아티팩트를 방지하고 고품질 기록을 유지하려면 주의력, 손 움직임 및 전극 안정성을 포함한 참가자 상태를 지속적으로 모니터링하는 것이 필요합니다. TMS-EMG 데이터 수집에 문제가 있는 경우 코일 위치 또는 자극 매개변수를 신속하게 조정하는 것이 중요합니다. EMG 신호 품질의 정기적인 검증은 신호 드롭아웃, 전극 분리 또는 사소한 탐색 드리프트와 같은 일반적인 기술 문제를 해결하는 데 필수적입니다. 코일을 미묘하게 재배치하거나, 안정적인 전극 접촉을 보장하거나, 신경 항법 시스템을 재보정하면 신호 품질을 복원하고 일관성을 유지할 수 있는 경우가 많습니다. 최선의 노력에도 불구하고 신호 또는 참가자 관련 변동성의 일부 변동이 피할 수 없다는 점을 인정하는 것도 중요합니다. 이러한 경우 데이터 무결성을 손상시키는 것보다 세션을 일시 중지하거나, 중요한 측정을 반복하거나, 일정을 변경하여 신뢰할 수 있고 해석 가능한 결과를 얻는 것이 더 나을 수 있습니다.

이 프로토콜을 사용하여 얻은 결과는 iTBS를 적용한 후 왼쪽 M1의 피질 흥분성이 유의하게 조절되었음을 보여주었습니다. 이 변조는 6주 후에도 유사하게 분명했으며, 흥분성 조절 측정은 iTBS 직후에 평가되었을 때만 개인 내 안정성을 드러냈으며, 이는 시간적으로 특정한 안정성 창을 시사합니다. 특히, 흥분성 효과는 이후 시점에서 일관되게 유지되지 않았으며, 이는 시간이 지남에 따라 변동성이 증가했기 때문에 발생할 수 있습니다^25,27. 이 관찰은 특히 진단 또는 예측 목적을 위한 바이오마커로서의 잠재적 역할을 고려할 때 피질 흥분성 측정의 시기가 중요하다는 생각을 강화합니다. 실제로, 운동 피질 흥분성 및 피질 흥분성 조절(ΔMEP)을 임상 마커로 사용하는 데 대한 오랜 관심에도 불구하고 신뢰성이 낮고 변동성이 높기 때문에 적용이 제한되었습니다. 일부 연구에서는 중간 정도의 재현성을 보고했지만, 다른 많은 연구에서는 ΔMEP이 임상 사용에 필요한 안정성이 부족하다는 것을 발견했습니다^18,19. 현재 프로토콜은 일관성 있게 흥분성을 측정할 수 있는 복제 가능한 프레임워크를 제공함으로써 이 문제에 직접적으로 직면합니다. 강력한 TMS-EMG 방법론은 또한 건강과 질병 모두의 근본적인 신경생물학적 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공하여 인간 운동 피질의 신경가소성 유사 현상에 대한 신뢰할 수 있는 평가를 촉진합니다. 구체적으로, iTBS는 장기 증강 유사 과정에 관여하여 시냅스 효능의 NMDA 수용체 의존성 증가를 유도하고, 억제성 중간 뉴런을 조절하고, 자극 후 MEP 진폭을 집합적으로 향상시키는 피질 탈억제를 촉진하는 것으로 생각됩니다²⁴. 이 해석은 동물 모델의 증거와 일치합니다. 설치류와 비인간 영장류에서 TBS는 피질 척수 흥분성과 시냅스 강도의 오래 지속되는 강화를 유도하는 것으로 나타났으며, 이는 종 전반에 걸쳐 상동 가소성 유사 메커니즘을 입증합니다¹². 따라서 인간의 iTBS 후 MEP에서 관찰된 변화는 강력한 병진 기반을 가진 가소성 관련 신경 과정을 반영할 가능성이 높습니다.

iTBS와 같은 신경 조절 프로토콜을 평가하는 것 외에도 여기에 자세히 설명된 표준화된 TMS-EMG 방법론은 다양한 응용 분야에 대한 가능성을 가지고 있습니다. 운동 학습 패러다임에서 피질 척수 흥분성의 변화는 기술 습득 및 신경가소성에 대한 바이오마커 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 연구에 따르면 시각 운동 학습은 근본적인 신경 적응을 반영하여 피질 척수 흥분성을 향상시키는 것으로 나타났습니다⁴⁶. 뇌졸중 재활에서 피질 척수 흥분성의 평가는 영향을 받은 운동 피질의 흥분성을 상향 조절하는 데 사용되는 TMS 뉴로피드백을 사용하여 치료 전략을 알릴 수 있으며 잠재적으로 회복을 돕습니다⁴⁷. 약리학적으로 TMS-EMG 평가는 물질로 인한 피질 흥분성 변화를 감지하여 CNS 효과에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다⁴⁸. 또한 피질 척수 흥분성의 연령 관련 차이가 문서화되었으며, 노인은 종종 흥분성 감소를 나타내며 이는 운동 능력과 학습에 영향을 미칠 수 있습니다⁴⁹. 이 표준화된 프로토콜의 적용을 이러한 영역으로 확장함으로써 연구자들은 다양한 상황과 인구에 걸쳐 피질 척수 역학에 대한 보다 포괄적인 이해를 얻을 수 있습니다.

따라서 우리는 이 프로토콜이 피질 가소성의 신뢰할 수 있는 바이오마커를 확립하는 것을 목표로 하는 향후 연구를 위한 귀중한 기반을 제공할 것을 제안합니다. 특히, 연구는 임상 그룹을 포함하여 더 크고 다양한 인구에서 이러한 효과를 복제하려고 노력해야 합니다. 향후 연구에서는 iTBS 직후에 측정된 피질 흥분성이 건강한 프로필과 임상 프로필을 일관되게 구별할 수 있는지 여부를 평가하여 진단 민감도와 예후 특성(예: 치료 반응 예측)을 이해해야 합니다. 결론적으로, 여기에 설명된 방법론은 피질 흥분성 평가의 표준화에 있어 상당한 발전을 나타냅니다. 가변성의 일반적인 원인을 완화하고 실험 설계의 정확성을 강조함으로써 이 프로토콜은 피질 가소성 유사 현상과 잠재적인 임상 적용을 연구하기 위한 강력하고 재현 가능한 접근 방식을 제공합니다.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
생리학적 데이터 수집을 위한 BONSAI 소프트웨어 ("MT_ACQ.bonsai" scipt)	분재	https://bonsai-rx.org/
샹팔리모 재단의 과학 하드웨어 개발 플랫폼에서 개발한 근전도(EMG);	샹팔리모 연구	https://www.cf-hw.org/home	과학 하드웨어 및 소프트웨어 개발 플랫폼 웹사이트: https://www.cf-hw.org/home
Cool-B65 피겨 에이트 코일이 장착된 MagPro X100 자극기	매그벤처	자극기: 9016E0731; 그리고 nbsp; 코일: 9016E0491
바이저2 신경내비게이션 시스템	ANT 뉴로		소프트웨어와 하드웨어는 같은 회사의 제품입니다