경두개 자기 자극을 이용한 장기 증강 유사 피질 가소성의 표준화된 유도 및 평가

최근 몇 년 동안 경두개 자기 자극(TMS)은 인간 뇌의 신경 활동을 조사하고 조절하기 위한 비침습적이고 비용 효율적이며 효율적인 기술로 부상했습니다¹. 다양한 자극 패러다임 중에서 간헐적 세타 버스트 자극(iTBS)은 인간 운동 피질에서 장기 증강(LTP)과 유사한 가소성을 유도하는 능력으로 큰 주목을 받았습니다². 특히, iTBS는 시냅스 가소성과 관련된 내인성 세타-감마 결합 패턴을 모방하여 세타 간격으로 고주파 버스트를 제공합니다³. N-메틸-D-아스파르테이트 수용체(NMDAR)⁴를 활성화하여 LTP 유사 가소성을 유도하여 Mg²⁺ 블록을 완화하고 Ca²⁺가 시냅스 후^뉴런으로 들어갈 수 있도록 합니다5. 이 Ca²⁺ 유입은 인산화^{6 및 α}-아미노-3-하이드록시-5-메틸-4-이소옥사올프로피온산 수용체(AMPAR)의 삽입을 촉진하는 칼슘/칼모듈린 자극 단백질 키나아제 II(CaMKII)의 활성화를 포함하여 다운스트림 신호 전달 캐스케이드를 유발하여 시냅스 전달을 향상시킵니다⁷. 반복 경두개 자기 자극(rTMS) 또는 경두개 직류 자극(tDCS)과 같은 다른 비침습적 접근법과 비교할 때 iTBS는 더 짧은 자극 지속 시간과 더 낮은 강도로 LTP 유사 피질 가소성을 유도할 수 있으므로 피험자에서 더 나은 내약성 옵션이 됩니다 ^8,9,10. iTBS에 의해 유도된 신경가소성 효과를 평가하기 위해 연구자들은 일반적으로 향상된 피질 척수 흥분성을 반영하는 근전도 검사(EMG)를 통해 기록된 운동 유발 전위(MEP) 진폭의 변화를 측정합니다¹¹. 연구에 따르면 이러한 MEP 향상은 자극 후 최대 60분 동안 지속될 수 있으며, 이는 피질 흥분성의 일시적이지만 강력한 조절을 나타냅니다^10,12. 짧은 투여 시간과 잘 확립된 안전성 프로파일로 인해 iTBS는 실험 및 임상 맥락 모두에서 반복 적용에 특히 적합합니다¹⁰. 구체적으로, 표준 iTBS 프로토콜(600펄스, 192초) 및 기존의 10Hz rTMS 프로토콜(1,200-1,500펄스, 15-20분)은 유사한 LTP 유사 가소성 효과를 안정적으로 유도합니다 ^8,13. 따라서 건강한 개인과 환자 집단의 시냅스 가소성을 조사하는 데 점점 더 많이 사용되어 알츠하이머병(AD), 뇌졸중 및 우울증과 같은 신경 장애의 가소성 관련 결함에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 있습니다.

신경 가소성의 기본 메커니즘인 시냅스 가소성은 학습 및 기억과 같은 중요한 과정의 기초가 됩니다. 이는 경험이나 환경 자극에 반응하여 시냅스 연결의 강도와 효능을 수정하는 뇌의 능력을 반영합니다¹⁴. 다양한 형태의 시냅스 가소성 중에서 LTP는 시냅스 전달¹⁵의 향상을 통한 학습 및 기억을 위한 잘 확립된 모델입니다. 축적된 증거는 LTP 유사 가소성의 손상이 AD¹⁶과 같은 신경 장애의 인지 및 행동 결함과 밀접한 관련이 있음을 나타냅니다. 이러한 손상은 LTP¹⁷의 유도, 발현 또는 유지의 변화를 포함하여 시냅스 신호 전달 및 가소성 관련 분자 경로의 질병 특이적 중단을 반영할 수 있습니다. 따라서 시냅스 가소성을 이해하고 정량화하는 것은 인지 기능, 운동 제어, 감각 통합 및 감정 조절을 회복하고 효과적인 신경 재활을 촉진하기 위한 치료 전략을 발전시키는 데 필수적입니다.

LTP 유사 가소성을 유도하기 위한 iTBS 및 피질 가소성을 평가하기 위한 단일 펄스 TMS와 같은 기술은 흥미로운 잠재력을 제공하지만, 이를 적용하려면 정확성과 재현성을 보장하기 위해 표준화된 프로토콜을 엄격하게 준수해야 합니다. 일관되지 않은 방법은 가변성을 초래할 수 있으며, 이는 결과의 신뢰성을 저해할 수 있습니다. 더욱이, 자극 강도, 코일 위치 및 결과 측정 시기의 차이를 포함하여 연구 전반에 걸친 방법론적 불일치는 TMS 유도 가소성 결과의 재현성을 제한합니다. 실제로 iTBS는 일반적으로 휴식 운동 역치(RMT)¹⁸의 80%에서 투여되며, LTP 유사 가소성의 신뢰할 수 있는 유도는 신경 항법 유도를 통해 가장 일반적으로 달성되는 정확한 코일 위치 지정에 따라 달라집니다¹⁹. 따라서 이 기사에서는 iTBS를 통해 LTP 유사 가소성을 유도하기 위한 표준화된 신경 탐색 유도 프로토콜을 시연한 후 단일 펄스 TMS를 사용하여 피질 가소성을 평가하는 것을 목표로 합니다. 이 기사에서는 피질 가소성의 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 달성하는 데 필요한 필수 기술 절차와 운영 고려 사항에 중점을 둘 것입니다.

난징 의과대학 제1부속병원 윤리위원회는 프로토콜(번호 2023-SR-789)을 승인했으며, 프로토콜은 중국 임상시험 등록부(번호 ChiCTR2400082549)에 등록되었습니다. 모든 절차는 헬싱키 선언에 따라 수행되었습니다. 연구에 등록하기 전에 서면 동의서를 얻었습니다.

1. 동의 절차

1. 평가 전에 평가 목적, 주요 실험 절차 및 연구와 관련된 잠재적 위험 요소를 설명하십시오. 질문이나 우려 사항에 답변하십시오. 동의 절차에 대한 확인 및 정보에 입각한 동의서에 서명을 요청합니다.
2. TMS 안전 기준을 충족하지 못하면 제외 사유가 됩니다. 답변을 문서화하여 다음 질문을 하십시오. 모든 기준에 대한 '예' 응답은 제외 사유가 됩니다.
   TMS와 호환되지 않는 금속 임플란트 또는 장치(예: 심박 조율기, 인공와우, 동맥류 클립)가 있습니까?
   간질이나 발작의 병력이 있거나 간질의 가족력이 있습니까?
   현재 발작을 유발할 수 있는 약물을 복용하고 있습니까?
   연구 참여를 방해하는 심각한 인지 또는 의사소통 장애가 있습니까?
   심각한 경추 장애(예: 경추 협착증 또는 척추 불안정성)가 있습니까?
   자극 부위에 직접적인 부상이나 두개골 결함이 있습니까?
   가임기 여성인 경우: 임신 중이거나 임신 가능성이 있습니까? 임신이 의심되는 경우 혈액 또는 소변 HCG 검사를 실시하고 양성 사례를 배제하십시오.

2. 신경항법 시스템을 이용한 머리 모델 준비

1. 프로토콜 전반에 걸쳐 신경 내비게이션 시스템(버전 2.5.3.50294)을 사용하여 코일 위치 지정을 안내하고, 해부학적 랜드마크를 등록하고, 코일을 보정하고, RMT 결정 및 iTBS 자극 중에 일관된 코일 배치를 유지합니다.
2. 신경 항법 시스템 설정: 시스템을 사용하여 TMS 코일 위치 및 해부학적 랜드마크에 대한 정렬에 대한 실시간 시각적 피드백을 얻어 반대쪽 표적 근육에 해당하는 일차 운동 피질(M1)의 운동 핫스팟을 기능적으로 식별하는 동안 정확한 표적화를 보장합니다²⁰.
3. 3차원(3D) 머리 모델 구축: 신경 항법 소프트웨어 내에서 제공되는 표준 뇌 템플릿을 사용하거나 개별 자기공명영상(MRI) 스캔으로 구성된 3D 머리 모델을 생성합니다. 개별 MRI 또는 표준 템플릿 모드 중 하나를 선택하여 축, 시상 및 관상면에 걸쳐 해부학적 랜드마크를 등록합니다. 두피 표면 분할을 수행하여 3차원 머리 모델을 생성합니다.
4. 코일 교정
   1. 헤드 모델 등록이 완료된 후 코일 보정을 수행하여 신경 내비게이션 시스템 내에서 정확한 실시간 추적을 보장합니다. TMS 설정(TMS Settings)을 탐색하고 코일 선택(Coil Selection)> 공구면 보정(Calibrate Tool Faces)을 클릭합니다. 반사 마커가 장착된 TMS 코일을 지정된 교정 블록에 놓습니다. 소프트웨어 안내에 따라 물리적 코일의 기준점을 교정 블록의 해당 지점과 정렬합니다.
   2. 초기 교정 후 시스템 프롬프트에 따라 교정 블록 위에 코일을 배치하여 정확성을 확인합니다. 캘리브레이션 을 클릭하여 자동 캘리브레이션을 시작합니다. 공간 오차가 3mm^미만인 교정만 허용합니다. 그렇지 않으면 재보정을 수행합니다. 코일의 위치, 방향 및 기울기 각도가 전체 TMS 세션²²에서 안정적으로 추적될 수 있는지 확인합니다.

3. 모터 핫스팟 식별

1. 참가자 위치 지정: 머리와 몸의 움직임을 최소화하기 위해 등과 팔을 지지하는 편안한 의자에 참가자에게 앉도록 요청합니다. 시술 중에는 양손을 완전히 이완하고 가만히 유지하십시오. 측정을 혼란스럽게 할 수 있는 표적이 아닌 손의 움직임을 피하십시오.
2. 머리 추적 설정: 적외선 반사 마커를 이마에 부착하여 세션 중 머리 위치를 실시간으로 추적할 수 있습니다. 접착 패치로 마커를 고정하고 녹색 마커로 표시된 신경 탐색 시스템에서 인식되는지 확인합니다(인식할 수 없는 마커는 빨간색으로 표시됨).
3. 랜드마크 등록: 추적된 포인터를 사용하여 두피에 세 가지 해부학적 랜드마크(콧구멍, 왼쪽 흉상 노치 및 오른쪽 흉상 노치)를 순차적으로 표시합니다. 뉴로내비게이션 시스템이 실제 머리 위치를 3D 머리 모델⁽²³)에 공간적으로 등록할 수 있도록 한다.
4. 머리 모양 샘플링: 포인터를 사용하여 두피에 약 200-300개의 추가 포인트를 수집하여 등록 정확도를 높입니다²⁴. 소프트웨어가 MRI 이미지와 실제 좌표계 사이의 정렬을 최적화하기 위해 이러한 점을 기반으로 개별화된 머리 모양 모델을 자동으로 적합하도록 허용한다²⁵.
5. EMG 기록: 기록 전극을 대상 단무지외전근(APB) 근육의 배 위에 놓고 기준 전극을 엄지손가락의 지절간 관절 근처에 약 2cm 간격으로 놓습니다²⁶. 전극 임피던스는 5kΩ 미만으로 유지되는 동안 최소 분해능 <0.2μV, 주파수 응답 범위 1-25kHz로 100kHz의 샘플링 속도로 MEP를 기록합니다. 27을 진행하기 전에 기준선 EMG 신호가 최소한의 노이즈, 안정적인 파형, 명백한 드리프트 또는 전기적 간섭이 없는지 확인하십시오.
6. 모터 핫스팟 결정
   1. 최대 MEP 진폭을 유도하기 위해 대상 근육의 반대쪽에 대해 정점²⁸에 대해 약 5cm 측면 및 0-1cm 전방에 단일 펄스 TMS(8자 코일, 70mm)를 투여하여 M1 좌표를 결정하여 모터 핫스팟의 정확한 위치 파악을 촉진합니다. MEP 측정을 방해할 수 있는 자발적인 근육 수축을 피하기 위해 손을 완전히 이완시키십시오.
   2. 코일의 핸들을 정중선보다 45° 뒤쪽으로 향하게 하여 중앙 고랑²⁹에 수직으로 전자기 전류를 전달합니다. 표시된 M1 영역 주위를 1cm 간격으로 전방, 후방, 내측 및 측면³⁰을 포함한 모든 방향으로 5초 간격으로³¹을 체계적으로 이동합니다. 모터 핫스팟을 완화된 APB³²에서 가장 큰 MEP 진폭을 생성하는 사이트로 정의합니다.
7. 모터 핫스팟 표시: 기능적으로 정의된 모터 핫스팟이 식별되면 신경 내비게이션 시스템 내에서 즉시 표시합니다. 표시 시 시스템이 코일과 목표 지점 사이의 거리, 기울기 편차 및 회전 편차를 포함한 주요 공간 매개변수를 자동으로 기록하도록 합니다. 이러한 메트릭을 사용하여 자극 절차 전반에 걸쳐 정확하고 재현 가능한 코일 배치를 보장합니다³³.

4. RMT 결정

1. 표면 EMG 데이터를 사용하여 피크 간 진폭을 측정하여 MEP를 얻고 3.5단계에서 설명한 것과 동일한 EMG 설정 및 매개변수를 적용합니다. RMT를 10번의 연속 단일 펄스 TMS 시험 중 최소 5번에서 50μV보다 큰 피크 투 피크 진폭을 갖는 MEP를 유도하는 최소 자극 강도로 정의합니다²⁸.

5. LTP 유사 가소성 평가

1. 기준선 평가: 모터 핫스팟에서 5초 간격으로 20개의 연속 TMS 유발 MEP를 기록합니다. MEP의 자극 강도를 120% RMT로 설정하면 약 1mV의 MEP가 발생합니다³⁴.
2. LTP 유사 가소성 유도: TMS 장치(8자 코일, 70mm)를 사용하여 자극을 전달합니다. LTP와 유사한 가소성을 유도하기 위해 80% RMT의 강도로 모터 핫스팟에 iTBS를 적용합니다. 50Hz에서 3개의 자극 버스트로 구성된 iTBS 프로토콜을 5Hz에서 반복합니다. 이 펄스 자극의 2초 트레인을 반복한 후 총 200초(600펄스) 동안 8초의 휴식을 반복합니다¹⁰.
3. 가소성 평가: 가소성을 평가하기 위해 동일한 자극 강도(120% RMT)를 사용하여 iTBS 개입 후 5분, 10분, 15분 및 30분에 20개의 MEP를 기록합니다³⁵.
4. LTP 유사 가소성 정량화: 피질 흥분성을 정량적으로 반영하기 위해 각 시점(기준선, iTBS 후 5분, 10분, 15분 및 30분)에 기록된 20개 MEP의 평균 피크 간 진폭을 계산합니다³⁶. 자극 후 MEP 진폭은 세션과 개인 전반에 걸쳐 흥분성 측정을 표준화하기 위해 기준선에 대한 정규화된 비율로 표현됩니다. 결과는 치료 효과³⁷을 나타내는 최종 iTBS 후 시점에서 원시 MEP 진폭 및 정규화된 MEP 진폭입니다.
5. 각 시점에서 정규화된 MEP 진폭을 다음과 같이 계산합니다.
   
   각 iTBS 조건³⁸에 따라 대평균 정규화된 MEP 값>1.1은 촉진, <0.9는 억제, 0.9에서 1.1 사이는 변경되지 않은 개인을 분류합니다.

시연 중에 신경 항법 시스템을 사용하여 모터 핫스팟 위에 TMS 코일의 정확한 위치를 안내하여 실시간 공간 피드백을 제공하고 코일 배치 변동성을 최소화했습니다. TMS 장치(8자 코일, 70mm)는 세션 내내 자극을 전달했습니다. 절차를 설명하기 위해 한 참가자의 대표적인 결과를 아래에 제시합니다. 기록된 MEP 진폭은 단일 펄스 시험에서 안정적이고 일관된 반응을 보였으며, 이는 신경 항법에 의해 안내되는 코일 배치가 제공하는 안정성을 반영합니다. iTBS 후 MEP 진폭의 시간 의존적 증가는 LTP 유사 가소성을 나타냅니다. 데이터는 기준선 및 자극 후 원시 MEP 진폭과 정규화된 MEP 진폭을 비교하고 개별 반응을 촉진, 억제 또는 변경되지 않은 것으로 분류하여 분석할 수 있습니다. 전반적으로, 이러한 대표적인 결과는 설명된 프로토콜이 정확한 모터 핫스팟 국소화, 재현 가능한 자극 및 자극 유도 LTP 유사 소성 변화의 정량적 평가를 가능하게 함을 보여줍니다.

신경 항법 시스템 설정 및 현지화

신경 항법 시스템 설정 및 위치 파악 절차는 비강, 좌측 흉상 노치 및 우측 흉상 노치를 포함하여 축, 시상 및 관상면에 걸쳐 개별 해부학적 랜드마크를 식별하고 등록하기 위해 수행되었습니다. 이러한 랜드마크는 개별화된 3D 머리 모델의 후속 생성을 위한 기준 참조 역할을 하여 해부학적 구조와 자극 대상 간의 정확한 공동 등록을 보장합니다(그림 1). 공간 등록은 두피에서 동일한 세 개의 해부학적 랜드마크를 식별하여 초기화되었습니다. 이 시스템은 코일 위치와 대상 근육 반대쪽 M1 내의 사전 정의된 자극 부위에 대한 정렬에 대한 실시간 시각적 피드백을 제공하여 자극이 대상 피질 영역에 정확하게 전달되도록 했습니다.

그림 1: 랜드마크 등록. 정확한 공간 등록을 가능하게 하기 위해 신경 항법 시스템을 사용하여 참가자의 두개골에 있는 해부학적 랜드마크를 식별합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3D 머리 모델 구축

참가자 두피의 개별화된 3D 머리 모델은 신경 항법 등록 및 두피 표면 샘플링을 기반으로 생성되었습니다. 해부학적 랜드마크와 머리 모양을 정렬하는 동안 평균 등록 오차는 1.5mm 미만이어서 자극 세션 전반에 걸쳐 정확한 코일 배치가 가능했습니다(그림 2).

그림 2: 3D 헤드 모델 구성. 신경 항법 등록 및 두피 표면 샘플링을 기반으로 재구성된 3D 머리 모델을 시각화하여 자극 중 정확한 코일 추적 및 피질 매핑을 가능하게 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

모터 핫스팟 식별

운동 핫스팟은 TMS로 뇌를 자극하고 MEP를 기록함으로써 TMS 유발 MEP를 기반으로 기능적으로 식별되었습니다. 가장 강한 반응을 생성하는 부위는 모터 핫스팟으로 정의되었습니다(그림 3).

그림 3: 모터 핫스팟 위치 파악. 대상 APB의 모터 핫스팟에 해당하는 대상 근육의 반대쪽 M1 위의 자극 부위를 실시간으로 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

RMT 판별

RMT는 단일 펄스 TMS를 사용하여 결정되었습니다. RMT는 표준 RMT 정의28에 따라 10번의 연속 시험 중 최소 5번에서 피크 투 피크 진폭>50μV의 MEP가 관찰된 가장 낮은 자극 강도로, TMS 자극이 효과적인 운동 활성화를 위한 임계값을 초과했음을 확인했습니다(그림 4).

그림 4: RMT 결정. RMT 평가 중 대상 APB에서 기록된 대표적인 MEP 파형입니다. 숫자 1-10은 10개의 연속 단일 펄스 TMS 시험을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

기준선 측정

iTBS 이전에는 식별된 운동 핫스팟에 대해 5초 간격으로 120% RMT에서 20개의 단일 펄스 TMS 자극을 전달하여 피질 척수 흥분성을 평가했습니다(그림 5).

그림 5: 기준 MEP. 표적 APB에서 20개의 대표적인 MEP는 완화된 조건에서 120% RMT에서 단일 펄스 TMS에 의해 유도되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

LTP 유사 가소성 유도

iTBS 프로토콜은 5Hz에서 반복되는 50Hz에서 3개의 펄스 버스트를 사용하여 개별 RMT의 80%에서 전달되었습니다(200초에 걸쳐 600펄스). 자극기 모드 로그는 모든 세션이 중단 없이 계획된 펄스 수를 전달했으며 출력 강도가 전체적으로 안정적으로 유지되었음을 확인했습니다.

LTP 유사 가소성 정량화

iTBS 프로토콜을 적용한 후, 시간 경과에 따른 피질 흥분성의 변화를 관찰하기 위해 여러 시점(예: 5분, 10분, 15분 및 30분)에서 MEP 진폭을 기록했습니다(그림 6).

그림 6: iTBS 이후 MEP. 한 참가자의 대표 MEP는 iTBS 후 (A) 5분, (B) 10분, (C) 15분 및 (D) 30분에 120% RMT에서 대상 APB에서 기록되었습니다. 각 패널은 진폭의 시간 의존적 변조를 보여주는 20개의 파형을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

원시 MEP

흥분성 변화를 정량화하기 위해 기준선과 각 자극 후 시점에서 평균 피크 간 MEP 진폭을 계산했습니다(그림 7).

그림 7: 평균 MEP 진폭. 평균 MEP 진폭은 기준선과 대표 참가자의 iTBS 후 5분, 10분, 15분 및 30분에 기록됩니다. 각 데이터 포인트는 20개의 단일 펄스 TMS 자극의 평균을 나타내며 오차 막대는 표준 편차(SD)를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

정규화된 MEP

각 자극 후 시점의 MEP 진폭은 기준선으로 정규화되었습니다. MEP 진폭의 시간 의존적 증가 및 그에 따른 감소는 LTP 유사 가소성의 특징적인 프로파일을 반영합니다(그림 8).

그림 8: 정규화된 평균 MEP 진폭. MEP 진폭은 대표 참가자의 iTBS 후 5분, 10분, 15분 및 30분에 기준선 값(사후/기준선 비율)으로 정규화되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

자극 후 처음 몇 분 이내에 MEP 진폭의 눈에 띄는 증가가 관찰되었으며, 이는 피질 척수 흥분성의 일시적인 향상을 반영합니다. 이 향상은 시간이 지남에 따라 점차 감소합니다. 사전 정의된 분류 기준38 (정규화된 MEP 값 >촉진된 경우 1.1, 억제된 경우 <0.9, 변경되지 않은 경우 0.9 내지 1.1) 에 따라 대표 참가자는 촉진된 것으로 분류되었으며, 모든 자극 후 시점(5분, 10분, 15분 및 30분)에서 평균 정규화된 MEP 값이 1.1을 초과했습니다. 이러한 시간 의존적 변조는 일반적으로 LTP와 유사한 가소성의 징후로 해석됩니다.

저자는 이 저작물에 따라 경쟁하는 재정적 이해관계나 기타 이해 상충이 없습니다.