Beoordeling van de prikkelbaarheid van de primaire motorische cortex en modulatie van de prikkelbaarheid door transcraniële magnetische stimulatie te koppelen aan elektromyografie

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol waarin de methodologie wordt geschetst om de exciteerbaarheid van de primaire motorische cortex en prikkelbaarheidsmodulatie te beoordelen met behulp van transcraniële magnetische stimulatie (TMS) in combinatie met elektromyografie (EMG).

Samenvatting

We beschrijven een protocol om de prikkelbaarheid van de motorische cortex en de modulatie ervan te beoordelen, door middel van gepaard gebruik van elektromyografie (EMG) en repetitieve transcraniële magnetische stimulatie (TMS) van de primaire motorische cortex (M1). EMG-opnames maken gebruik van een op maat gemaakt systeem en oppervlakte-elektroden worden over de rechter eerste dorsale interossale (FDI) spier geplaatst, met een grondelektrode op de linkerelleboog. TMS wordt uitgevoerd met behulp van een magnetische stimulator met een achtvormige spoel, geleid door een neuronavigatiesysteem. De motorhotspot voor de FDI wordt geïdentificeerd door systematisch enkele TMS-pulsen toe te passen terwijl de plaatsing van de spoel wordt aangepast, en wordt gebruikt als het doel voor alle TMS-procedures. De rustmotorische drempel (rMT) wordt gedefinieerd als de minimale intensiteit die nodig is om motorische evoked potentials (MEP's) ≥ 50 μV op te wekken in de EMG-opname, in ten minste 5 van de 10 onderzoeken, terwijl de actieve motorische drempel (aMT) de minimale intensiteit is die nodig is om MEP's ≥ 200 μV op te roepen in ten minste 5 van de 10 pulsen, terwijl de deelnemer 10-20% van zijn maximale vrijwillige spieractivering behoudt. Baseline corticale exciteerbaarheid wordt gedefinieerd als de gemiddelde MEP-amplitude verkregen uit 40 enkele TMS-pulsen toegepast op 120% rMT, met pulsen die met willekeurige tussenpozen (6-10 s) worden afgegeven. Modulatie van de prikkelbaarheid van de motorische cortex wordt bereikt met behulp van een intermitterend theta-burst-stimulatieprotocol (iTBS) (50 Hz pulstriolen, 80% aMT, 5 Hz gedurende 2 s aan/8 s uit, 20 keer herhaald; 600 pulsen in totaal). De modulatie van de prikkelbaarheid wordt beoordeeld door herhaling van MEP-amplitudemetingen op vier tijdstippen na de stimulatie: onmiddellijk (T0), 10 minuten (T10), 20 minuten (T20) en 30 minuten (T30). Dit protocol zorgt voor een nauwkeurige en reproduceerbare beoordeling van de prikkelbaarheid van de motorische cortex en legt de piek van de modulerende effecten als gevolg van iTBS vast.

Inleiding

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve neurostimulatietechniek die een magnetisch veld induceert dat in staat is om de hoofdhuid en schedel binnen te dringen en neuronale activiteit op te wekken bij het bereiken van corticaal weefsel¹. TMS maakt in vivo beoordeling van de neurofysiologie van het centrale zenuwstelsel (CZS) bij mensen mogelijk ^2,3,4. Wanneer TMS wordt afgeleverd in herhaalde treinen (repetitieve TMS of rTMS) naar specifieke corticale gebieden, kan TMS veranderingen in de prikkelbaarheid van het corticale doelwit veroorzaken die langer duren dan de duur van de stimulatie, afhankelijk van de parameters van het protocol dat werd toegepast⁵. Single-pulse TMS wordt vaak gebruikt om corticale prikkelbaarheid te meten en, wanneer toegepast voor en na rTMS, maakt het mogelijk om de corticale exciteerbaarheidsmodulatie geïnduceerd door TMS ^2,3,4 te kwantificeren. De primaire motorische cortex (M1) is een van de belangrijkste doelen voor dergelijke protocollen, aangezien de functionele output ervan gemakkelijk kan worden gekwantificeerd door middel van elektromyografische (EMG) opnames ^6,7. Vergeleken met andere neurofysiologische en neuroimaging-technieken, zoals elektro-encefalografie (EEG) en functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI), biedt TMS-EMG meer voordelen voor klinische implementatie. EEG vereist een uitgebreide elektrode-installatie, zorgvuldig artefactbeheer en geavanceerde signaalverwerking⁸, terwijl fMRI hogere kosten met zich meebrengt, beperkte toegankelijkheid biedt en minder temporele resolutie biedt⁹. TMS-EMG vertrouwt op relatief eenvoudige EMG-opnames aan het oppervlak, waarbij de analyse is gericht op eenvoudige en objectieve statistieken zoals de amplitude en latentie van het door de motor opgewekte potentieel (MEP). Deze eenvoud in acquisitie en verwerking, gecombineerd met kortere insteltijden en lagere infrastructurele eisen, maakt TMS-EMG bijzonder geschikt voor vertaling naar de klinische praktijk, waar snelle, betrouwbare en reproduceerbare biomarkers nodig zijn¹⁰.

Metingen van corticale prikkelbaarheidsmodulatie worden beschouwd als indirecte indicatoren van neuroplasticiteit, gedefinieerd als het vermogen van de hersenen om functionele en structurele veranderingen te ondergaan als reactie op intrinsieke of extrinsieke stimuli^11,12. Veranderingen in neuroplasticiteit zijn betrokken bij verschillende neuropsychiatrische aandoeningen, zoals depressieve stoornis (MDD)13,14,15,16. Gezien het vermogen om neuroplastische mechanismen in vivo te onderzoeken en praktische toepasbaarheid in klinische contexten, is beoordeling van corticale prikkelbaarheidsmodulatie afgeleid van TMS-EMG bestudeerd als een potentiële biomarker voor neuropsychiatrische stoornissen 17,18,19. Deze maatregelen kunnen zowel als diagnostische biomarker¹⁸ als als voorspeller van behandelingsresultaten ^14,15 veelbelovend zijn. TMS met enkelvoudige of gepaarde puls wordt normaal gesproken toegediend met intensiteiten die worden uitgedrukt als een percentage van de motorische drempel in rust (rMT), d.w.z. de minimale intensiteit die nodig is om een motorische respons te genereren (rMT; gewoonlijk 110-130% rMT), waarbij protocollen vaak 20-40 pulsen gebruiken om de corticospinale prikkelbaarheid betrouwbaar te schatten en enkele honderden pulsen voor het beoordelen van modulatie voor en na de interventie, op verschillende tijdstippen²⁰. Interpulsintervallen (IPI) moeten over het algemeen >4 s zijn om overdrachtseffecten te minimaliseren en de onafhankelijkheid van opeenvolgende Europarlementariërs te waarborgen²¹. Wanneer protocollen worden gebruikt voor het moduleren van corticale prikkelbaarheid, vertrouwen ze meestal op laagfrequente rTMS (rTMS; ≈ 1 Hz, 600-1800 pulsen) of continue theta-burst-stimulatie (cTBS; 3 pulsen bij 50 Hz, herhaald elke 200 ms, continu gedurende 40 s) om remmende nawerkingen te induceren. Om de corticale prikkelbaarheid te vergemakkelijken, vertrouwen protocollen meestal op hoogfrequente rTMS (rTMS; ≥ 5 Hz, meestal 5-20 Hz, 600-2000 pulsen) of intermitterende theta-burst-stimulatie (iTBS)²². iTBS bestaat doorgaans uit 600 pulsen die worden afgegeven als uitbarstingen van 3 stimuli bij 50 Hz, herhaald bij 5 Hz gedurende 2 s, waarbij treinen met tussenpozen elke 10 s worden toegepast, met een intensiteit van ongeveer 80% van de actieve motorische drempel (aMT). Dit patroon is het meest toegepast voor zowel experimentele als klinische doeleinden, vanwege de efficiëntie, kortere duur en robuuste facilitering van corticale plasticiteit^23,24.

Het klinische nut blijft echter beperkt door onopgeloste methodologische uitdagingen. Pogingen om deze uitdagingen aan te pakken - voornamelijk door de betrouwbaarheid van metingen te onderzoeken en te verbeteren - hebben inconsistente bevindingen opgeleverd 25,26,27,28,29. Deze inconsistenties kunnen, althans gedeeltelijk, worden toegeschreven aan substantiële methodologische valkuilen en heterogeniteit tussen studies, waaronder variabiliteit in rTMS-parameters, waarbij bijvoorbeeld pulsgetallen variëren van 20 tot 1800 pulsen in laagfrequente paradigma's²² en van iTBS-treinen van 600 pulsen tot aangepaste versies van 1200 pulsen³⁰. Ook hebben studies zonder neuronavigatie variabiliteit in MEP-amplitude en lagere modulerende effecten van een rTMS-protocol aangetoond in vergelijking met protocollen met neuronavigatie³¹. De steekproefomvang in gepubliceerde studies was ook relatief bescheiden, vaak tussen de 10 en 25 deelnemers, waardoor de statistische power³² werd beperkt. Daarnaast zijn er beperkte statistische benaderingen geïmplementeerd om de betrouwbaarheid te evalueren, waarbij sommige onderzoeken zijn gebaseerd op andere maatregelen dan de intraclass-correlatiecoëfficiënt (ICC)^24,33, die algemeen wordt beschouwd als de meest geschikte index voor de betrouwbaarheid van test-hertests²⁶.

Protocollen voor het verwerven en analyseren van corticale prikkelbaarheid met TMS-EMG-paradigma's kunnen ook bijdragen aan extra variabiliteit. Specifieke methodologische factoren, zoals het aantal toegediende TMS-pulsen, kunnen een slechte betrouwbaarheid opleveren, met schattingen op basis van minder dan 20 MEP's, terwijl een gemiddelde van ≥30 MEP's een stabiele maatstaf voor corticospinale exciteerbaarheid biedt. Evenzo is aangetoond dat de IPI de prikkelbaarheid beïnvloedt met intervallen van 2 s of minder, waardoor veranderingen in corticale prikkelbaarheid worden geïnduceerd als gevolg van cumulatieve effecten van stimulatie, terwijl conservatievere intervallen van meer dan 4 s deze verstoringen verminderen²¹. EMG-acquisitietechnieken^34,35 kunnen ook de meetbetrouwbaarheid beïnvloeden, bijvoorbeeld doordat de bipolaire configuratie een verbeterde ruimtelijke selectiviteit biedt en minder contaminatie door activiteit van nabijgelegen spieren in vergelijking met een monopolaire configuratie^34,35. Standaardisatie van protocollen voor gegevensverzameling en -verwerking is daarom essentieel om de beoordeling van corticale exciteerbaarheidsmodulatie te verbeteren en om de stabiliteit ervan te bepalen - een cruciaal kenmerk van elke betrouwbare biomarker³⁶.

Om het gebruik van corticale prikkelbaarheidsmodulatiemaatregelen als kandidaat-markers voor neurobiologische beoordeling na te streven en om hun betrouwbaarheid voor klinische toepassing vast te stellen, presenteren we daarom een protocol dat het resultaat is van een systematische aanpak die is gebaseerd op het beste beschikbare bewijs in het veld om de potentiële impact van methodologische heterogeniteit te minimaliseren en om een nauwkeurige en reproduceerbare meting van de prikkelbaarheid van de motorische cortex en de modulatie ervan te garanderen^{37, 38}. okt. Dit omvatte de implementatie van passende EMG-acquisitieprotocollen³⁴, het gebruik van neuronavigatiesystemen³⁹, het verzamelen van een voldoende aantal EP-leden²⁰, het gebruik van geschikte IPI²¹ en uitgebreide rapportage van acquisitieprocedures en signaalverwerkingsmethoden³⁴. Onze resultaten toonden een verbeterde signaalstabiliteit aan in vergelijking met de bestaande best practices in de literatuur, wat bijdroeg aan de methodologische nauwkeurigheid die nodig is voor de ontwikkeling van een robuuste neurofysiologische biomarker.

Protocol

De hierin beschreven procedures zijn ontwikkeld om de gegevens te verzamelen die zijn gerapporteerd door Seybert et ^al.37 en Faro Viana et ^al.38 Alle deelnemers gaven voorafgaand aan deelname schriftelijke geïnformeerde toestemming, waarin het doel van het onderzoek, de procedures, de risico's en hun recht om zich op elk moment terug te trekken, werden uitgelegd. Het protocol werd goedgekeurd door de ethische commissies van het Champalimaud Centre for the Unknown en uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki. Gebruik van dit protocol in andere onderzoeken of locaties mag alleen plaatsvinden na goedkeuring van de relevante lokale ethische commissies en/of andere bevoegde autoriteiten. Voorafgaand aan TMS moet een gestandaardiseerde veiligheidschecklist worden toegepast om het risico op ongewenste bijwerkingen te minimaliseren, met behulp van internationale richtlijnen^40,41 als referentiekader dat kan worden aangepast aan specifieke onderzoeksomgevingen. Het protocol is ontworpen voor een duur van ~1 uur en 15 minuten (Figuur 1).

1. Installatievereisten en voorbereiding

1. Zorg ervoor dat er twee technici beschikbaar zijn om de sessie optimaal uit te voeren, waarbij de ene TMS-procedures toepast en de andere ondersteuning biedt in aanvullende stappen.
2. Zorg ervoor dat de volgende apparatuur beschikbaar is: een neuronavigatiesysteem; een comfortabele stoel; een EMG-apparaat met de respectievelijke contacten en elektroden; een TMS-stimulator met een 8-vormige spoel, die de invoer van iTBS, single-puls-protocollen en een verbinding met het neuronavigatie- en EMG-systeem mogelijk maakt. Zorg ervoor dat er een of twee computers beschikbaar zijn om gelijktijdige observatie van de EMG-software en de neuronavigatiesoftware mogelijk te maken. Zorg ervoor dat de computer een Bluetooth-signaalreceptor heeft om het EMG-signaal te ontvangen.
3. Zorg ervoor dat de volgende verbruiksartikelen beschikbaar zijn: alcohol en gaaskompressen; waterschuurpapier om de huid te reinigen waar de gelelektroden worden geplaatst; een badmuts voor de deelnemer; en oordoppen voor zowel de deelnemer als de technici.
4. Begin ongeveer 30 minuten voordat de deelnemer arriveert met de voorbereiding van de installatie, om het neuronavigatiesysteem, het EMG-bord en de TMS-machine goed in te stellen, evenals de software die nodig is voor de fysiologische gegevensverzameling.
5. Bereid het EMG-systeem voor.
   1. Zorg ervoor dat de EMG-kaart volledig is opgeladen - indien van toepassing - en bereid de respectievelijke contacten voor - één als referentie (unipolair - te plaatsen op de linkerelleboog) en de andere op de doelspier voor registratie (bipolair - te plaatsen op de rechter Eerste Dorsale Interossale). Er is een extra kabel nodig om de TMS-pulsuitgang te synchroniseren met het EMG-signaal en het TMS-apparaat op de EMG-kaart aan te sluiten.
   2. Sluit de zilver/zilverchloride (Ag/AgCl)-elektroden van medische kwaliteit aan op de contacten (er zijn 3 elektroden nodig). Sluit ook een kabel aan van de TMS-machine naar de EMG-kaart om het triggersignaal van elke TMS-puls uit te voeren.
   3. Voor het interne EMG-apparaat stript u het klittenband tot een stabiele ondergrond. Steek de contacten in het EMG-apparaat in de respectievelijke toegangspunten.
   4. Open op een van de monitoren/computers de BONSAI-software⁴² en het respectievelijke EMG-data-acquisitiescript. Druk alleen op de startknop als u klaar bent voor gegevensverzameling (zie Aanvullend bestand 1, stap 1 voor meer informatie).
6. Bereid het TMS-apparaat voor.
   1. Definieer het protocol voor de beoordeling van de prikkelbaarheid in het TMS-apparaat. Dit bestaat uit 40 enkelvoudige pulsen, bij 120% rMT, met een willekeurige IPI van ten minste 6 s om overdrachtseffecten van eerdere stimulus te voorkomen.
   2. Plaats een iTBS-protocol volgens de gegeven stimulatieparameters a priori in het apparaat: 50 Hz pulstriolen, 80% aMT, 5 Hz gedurende 2 s aan/8 s uit, 20 keer herhaald, 600 pulsen in totaal.
   3. Bevestig papierstroken in alle delen van het scherm van de TMS-machine waar de maximale stimulatie-output (MSO - %) zichtbaar is, zodat de technicus geblindeerd is tijdens de rMT- en aMT-beoordeling (zie aanvullend bestand 1, stap 2 voor meer informatie).
7. Bereid het ANT Neuro neuronavigatiesysteem voor op TMS.
   1. Monteer de benodigde hardwarecomponenten. Deze omvatten de infraroodvolgcamera, de hoofdband van de deelnemer met reflecterende markeringen, een aanwijzer, een kalibratiebord (voor de TMS-spoel) en een spoeltracker (een cirkelvormig apparaat dat aan de spoel wordt bevestigd voor real-time positionele tracking).
   2. Plaats de camera op het statief en plaats deze zo in een positie dat deze gedurende de hele sessie een duidelijke zichtlijn heeft naar alle andere neuronavigatiecomponenten.
   3. Plaats de spoelkalibratietracker en het bord op de TMS-spoel.
   4. Open de software van het neuronavigatiesysteem, voer de ID van de deelnemer in en kalibreer de neuronavigatiecomponenten (zie Aanvullend bestand 1, stap 3 voor meer informatie).

2. Voorbereiding van de deelnemer

1. Zodra de deelnemer arriveert, beoordeelt u de veiligheid voor toepassing van TMS door middel van een vragenlijst en/of gestructureerd interview op basis van gepubliceerde richtlijnen^40,41. Neem items op met betrekking tot de voorgeschiedenis van psychiatrische en neurologische aandoeningen, bewustzijnsverlies, gehoorverlies, evenals de aanwezigheid van metalen of magnetische implantaten, lopende medicatie en zwangerschapsstatus. Ga alleen door met het protocol als er geen veiligheidsproblemen zijn.
2. Zet de deelnemer in een comfortabele stoel waar beide onderarmen in een rustpositie kunnen worden geplaatst. Zorg ervoor dat de deelnemer zich in een geschikte hoek bevindt zodat de spoel comfortabel op het hoofd kan worden geplaatst.
3. Laat de patiënt alle brillen, haarclips of spelden, evenals eventuele oorbellen of andere metalen en/of elektronische apparaten verwijderen. Zorg voor oordopjes en zorg ervoor dat ze goed en stabiel zitten. Instrueer de deelnemer om wakker, stil en ontspannen te blijven. Zorg ervoor dat de deelnemer te allen tijde wakker is om de fluctuaties in het fysiologische signaal zoveel mogelijk te verminderen.
4. Om de kwaliteit van de elektrode-huidinterface te verbeteren en de geleiding van het elektrische signaal te verbeteren, reinigt u de huid over de FDI door het gebied voorzichtig te schrobben met waterschuurpapier, gevolgd door een snelle spoeling met in alcohol ingebed gaas³⁵. Herhaal deze procedure over de contralaterale elleboog. Zodra de huid droog is, plaatst u de massa-elektrode over de elleboog om een nulspanningsreferentiepunt te verkrijgen en de registratie-elektrode op de contralaterale hand over de FDI, met het midden op ongeveer 2.5 cm in de richting van de spierpees (zie figuur 2).
5. Plaats een badmuts op het hoofd van de deelnemers om referenties te tekenen voor de locatie van de TMS-stimulatieplaats:
   1. Plaats een badmuts op het hoofd van de deelnemer met een anterieure-posterieure oriëntatie. Zorg ervoor dat de dop is uitgelijnd met de wenkbrauwlijn van de deelnemer aan de voorkant en met de wortel van de helix van de oren aan elke kant. Plaats het over de hoofdhuid en laat de oren vrij en onbedekt.
   2. Teken zowel de mediale sagittale lijn als de intertraguslijn op de dop om het interceptiepunt op het hoekpunt te verkrijgen (Figuur 3A, B).
   3. Meet vanaf het interceptiepunt 5 cm naar links op de intertraguslijn en naar voren op de sagittale lijn, om 2 extra punten te definiëren (Figuur 3C, D).
   4. Teken een diagonale lijn om het laterale punt te verbinden met het mediale voorste punt (Figuur 3E).
   5. Begin bij het laterale punt, meet 2,5 cm in de antero-mediale richting op de diagonale lijn om de eerste schatting van de motorische hotspot te markeren (Figuur 3F).
   6. Markeer 4 punten in een straal van 0,5 cm rond die eerste schatting, om extra testpunten voor de motorhotspot te bieden. Markeer het gebied dat in aanmerking komt voor de motorische hotspot (rode lijn) (Figuur 3E, F).
6. Stel het neuronavigatiesysteem in voor de deelnemer.
   1. Plaats de elastische hoofdband op het hoofd van de deelnemer en zorg ervoor dat de markeringsstrip naar de camera is gericht en comfortabel is, aangezien deze tijdens de sessie op zijn plaats moet blijven.
   2. Gebruik de aanwijzer om belangrijke anatomische oriëntatiepunten op het hoofd van de deelnemer te definiëren (nasion, linker en rechter tragus en hoofdvormpunten), waardoor het systeem stimulatiedoelen kan uitlijnen en volgen met betrekking tot de hoofdanatomie van de deelnemer (nasion, tragus, hoofdhuidoriëntatiepunten en hoofdvorm), als gebruik wordt gemaakt van een standaard MNI-ruimte en verdere aspecten van de anatomie, inclusief hersenanatomie, bij gebruik van geïndividualiseerde MRI-scans. Dit zorgt ervoor dat de positionering van de spoel nauwkeurig is met betrekking tot de individuele anatomie tijdens de TMS-procedure (voor meer details, zie aanvullend bestand 1, stap 3).

3. TMS-EMG fysiologische beoordeling

1. Begin met het uitvoeren van het BONSAI-script⁴² voor EMG-gegevensverzameling. Controleer de deelnemer tijdens de opname op tekenen van samentrekking van het gezicht, beweging van de ledematen, onbedoelde herpositionering van de dop of ander gedrag dat van invloed kan zijn op de fysiologie en fysiologische gegevensverzameling van de deelnemer.
2. Meet de motor hotspot.
   1. Plaats de TMS-spoel tangentieel ten opzichte van de hoofdhuid van de deelnemer met het handvat naar achteren gericht in een hoek van 45° ten opzichte van de midsagittale lijn en het midden over de gemarkeerde locatie in stap 2.5 - deze positie zal worden gebruikt voor alle TMS-procedures.
   2. Pas pulsen toe op 30% van de MSO ten opzichte van de initiële schatting van de motorhotspot.
   3. Verhoog de stimulatie-intensiteit in stappen van 5-10% van MSO totdat een consistente motorische respons wordt waargenomen.
   4. Pas afzonderlijke pulsen toe bij de eerste schatting en op verschillende locaties eromheen om de locatie te bepalen die het meest consistent resulteert in MEP's met een hogere amplitude en, indien mogelijk, waar de zichtbare contractie beperkt bleef tot de FDI - dit is de motorische hotspot voor de FDI (MH).
   5. Selecteer in de software van het neuronavigatiesysteem de puls die de MH heeft bepaald om verdere stimulatie te begeleiden.
3. Stel de rMT vast.
   1. Gebruik het neuronavigatiesysteem om de spoel naar de MH te leiden die is gevonden in stap 3.2 - de rMT is het minimale % MSO dat nodig is om MEP's van ten minste 50 μV op te wekken in de contralaterale FDI in ten minste 5 van de 10 TMS-enkelvoudige pulsen die hier worden toegediend, ongeveer gescheiden door een interstimulusinterval van 5 s.
   2. Beginnend bij het % MSO dat wordt gebruikt om de MH te definiëren, verlaagt u de intensiteit in stappen van 2% totdat minder dan 5 van de 10 TMS enkelvoudige pulsen een respons van ten minste 50 μV uitlokken in de contralaterale FDI.
   3. Verhoog MSO in stappen van 1% totdat ten minste 5 van de 10 TMS enkelvoudige pulsen een respons van ten minste 50 μV uitlokken in de contralaterale FDI.
   4. Registreer het % MSO voor de rMT.
4. Bepaal de maximale vrijwillige spieractivering.
   1. Instrueer de patiënt om maximale vrijwillige spieractivatie van de eerste dorsale interossale (FDI) spier te produceren door de vorm van een cirkel te produceren door de wijsvingernagel met maximale kracht tegen de buik van de duim te duwen.
   2. Ongeveer 2 s nadat de deelnemer de spiercontractie heeft geïnitieerd, registreert u het overeenkomstige tijdstip door op de spatiebalk op de computer te drukken waarop het BONSAI-script wordt uitgevoerd, waarbij u de eerste opstart van activiteit en pieken als gevolg van elektrodebeweging overslaat.
   3. Herhaal het proces drie keer, waarbij elke samentrekking wordt gescheiden door een rustperiode van 1 minuut om vermoeidheid te voorkomen en herstel te garanderen.
5. Stel de aMT vast.
   1. Gebruik het neuronavigatiesysteem om de spoel naar de MH te leiden die is gevonden in stap 3.2 - de aMT is het minimale % MSO dat MEP's produceert van ten minste 200 μV piek-tot-piekamplitude in ten minste 5 van de 10 TMS enkelvoudige pulsen die hier worden toegediend, tijdens lichte vrijwillige contractie.
   2. Vraag de deelnemer om een submaximale contractie aan te houden, tussen 10% en 20% van MViC, met behulp van de EMG om de voortdurende contractie te monitoren en real-time feedback te geven (voor meer details, zie Aanvullend Dossier 1, stap 1).
   3. Begin bij het % MSO voor de rMT en verlaag de intensiteit in stappen van 2% totdat MEP's van ten minste 200 μV worden geproduceerd in minder dan 5 van de 10 TMS enkelvoudige pulsen.
   4. Verhoog MSO in stappen van 1% totdat MEP's van ten minste 200 μV zijn geproduceerd in ten minste 5 van de 10 TMS enkelvoudige pulsen.
   5. Registreer het % MSO voor de aMT.
6. Definieer de basislijn van corticale prikkelbaarheid.
   OPMERKING: Deze fase is bedoeld om de amplitude van de basislijn van de MEP van de deelnemer vast te stellen, die als referentie dient voor latere vergelijkingen.
   1. Gebruik het neuronavigatiesysteem om de spoel nauwkeurig over de motorhotspot te positioneren, zoals gedefinieerd in stap 3.2.
   2. Controleer of de EMG-elektroden aan het oppervlak correct over de doelspier zijn geplaatst (bijv. eerste dorsale interossale) en controleer de signaalkwaliteit (minimale ruis en heldere MEP's)
   3. Laad het stimulatieprotocol met één puls op het TMS-apparaat.
   4. Plaats de eerder gedefinieerde rMT in en start het protocol (stimulatieparameters beschreven in stap 1.6.1).
   5. Beoordeel de corticale exciteerbaarheid bij aanvang door het gemiddelde te nemen van de piek-tot-piekamplitudes van 40 Europarlementariërs.
      OPMERKING: De piek-tot-piekamplitude wordt gedefinieerd als het verschil in spanning tussen de minimum- en maximumpunten van elke individuele MEP-golfvorm. Voor verdere analyses kunnen MEP-amplitudes worden genormaliseerd naar basiswaarden om te controleren op interindividuele variabiliteit, volgens procedures beschreven in eerdere literatuur³².
7. Pas het protocol voor corticale exciteerbaarheidsmodulatie toe.
   OPMERKING: Deze stap omvat het leveren van een iTBS-protocol om de corticale prikkelbaarheid te moduleren.
   1. Laad het iTBS-protocol op het TMS-apparaat.
   2. Plaats de eerder gedefinieerde aMT en start het protocol (stimulatieparameters beschreven in stap 1.6.2).
   3. Start onmiddellijk na het einde van het iTBS-protocol een stopwatch om de intervallen na stimulatie te controleren.
8. Beoordeel de modulatie van de corticale prikkelbaarheid.
   1. T0, d.w.z. onmiddellijk na het einde van het corticale exciteerbaarheidsmodulatieprotocol, past u het stimulatieprotocol met één puls opnieuw toe met 120% rMT, zoals beschreven in stap 3.6.
   2. Valideer de nauwkeurigheid van de neuronavigatie door de aanwijzer op de nasion te plaatsen en de uitlijning te verifiëren in de software van het neuronavigatiesysteem. Zorg ervoor dat de ruimtelijke afwijking < 5 mm is. Noteer de waarde.
   3. T10, T20 en T30, d.w.z. 10, 20 en 30 minuten na het corticale prikkelbaarheidsmodulatieprotocol - herhaal het stimulatieprotocol met één puls zoals in stap 3.8.1. Valideer de nauwkeurigheid van de neuronavigatie opnieuw zoals in stap 3.8.2.
   4. Na voltooiing van het laatste stimulatieblok, stopt u met het BONSAI-script. Rond de neuronavigatiesessie af in de software. Een "bin." bestand wordt gegenereerd op basis van de bonsai-gegevensverzameling.
   5. Beoordeel de corticale prikkelbaarheid op de tijdstippen na de modulatie (T0, T10, T20 en T30) met behulp van dezelfde procedure als de uitgangswaarde, d.w.z. door het gemiddelde te nemen van de piek-tot-piekamplitudes van 40 MEP's die op elk tijdstip zijn geregistreerd. Dit maakt het mogelijk om veranderingen in prikkelbaarheid te vergelijken ten opzichte van de basislijn volgens het modulatieprotocol.
   6. Berekening van corticale prikkelbaarheidsmodulatie: Kwantificeer de modulatie van corticale prikkelbaarheid geïnduceerd door het stimulatieprotocol door de delta MEP (ΔMEP) te berekenen, gedefinieerd als het verschil tussen de gemiddelde amplitude van MEP's geregistreerd op elk tijdstip na de interventie (T0, T10, T20, T30) en de gemiddelde amplitude van MEP's geregistreerd bij baseline, genormaliseerd door de gemiddelde amplitude van MEP's geregistreerd bij baseline. Deze maatregel maakt het mogelijk om de omvang en duur van veranderingen in de corticale prikkelbaarheid die door het iTBS-protocol worden veroorzaakt, te beoordelen.
       
9. Ondervraag de deelnemer over eventuele ongemakken en zorg voor contactmogelijkheden als er na de sessie behoeften of vragen kunnen ontstaan.

Resultaten

Dit protocol is ontworpen om een betrouwbare en reproduceerbare beoordeling van de corticospinale exciteerbaarheid te bieden, terwijl het generaliseerbaar blijft over verschillende EMG-systemen en TMS-opstellingen. We hebben gekozen voor de conventionele procedure voor het opsporen van drempels omdat deze breed gevalideerd, reproduceerbaar en vergelijkbaar is in alle studies, terwijl we erkennen dat alternatieve methoden ook goed ingeburgerd zijn (bijv. methoden voor het opsporen van drempels op basis van parameterschatting door sequentiële tests)^43,44. Het verzamelen van in totaal 40 TMS-stimuli met één puls zorgt ervoor dat er voldoende MEP's worden geregistreerd voor een betrouwbare schatting van de MEP-amplitude, zelfs wanneer sommige pulsen geen respons uitlokken²⁰. Intervallen tussen pulsen worden gerandomiseerd met een minimum van 6 s om carry-over-effecten van eerdere stimuli²¹ te voorkomen en om de pulssequentie onvoorspelbaar te maken, waardoor de anticiperende spierpre-activering wordt verminderd. Het gebruik van een TMS-intensiteit met één puls van 120% rMT is een gevestigde standaard die meetbare MEP's opwekt en tegelijkertijd plasticiteitsveranderingen registreert die door iTBS worden geïnduceerd, consistent bij alle deelnemers. Offline EMG-verwerking, inclusief filteren, artefactverwijdering en monitoring van achtergrondspieractiviteit, zorgt ervoor dat gemeten MEP's de werkelijke corticospinale prikkelbaarheid weerspiegelen in plaats van ruis en niet worden beïnvloed door spierpre-activering (zie aanvullend bestand 1, stap 4 voor details). Hoewel het mogelijk is om met dit protocol meer dan 30 minuten Post-iTBS MEP's te verwerven, hebben we ervoor gekozen om de data-acquisitie te beëindigen bij T30 post-iTBS, wat consistent is met bewijs dat LTP-achtige plasticiteit als gevolg van dit protocol voornamelijk voorkomt binnen dit venster³². Over het algemeen legt het protocol de nadruk op reproduceerbaarheid, betrouwbaarheid en conceptuele generaliseerbaarheid, onafhankelijk van specifieke apparaten of software.

Al het personeel dat betrokken is bij TMS-sessies moet worden getraind in institutionele veiligheidsprotocollen om het welzijn van de deelnemers te waarborgen. Als een deelnemer tijdens de sessie milde symptomen meldt, zoals een licht gevoel in het hoofd, moet de sessie worden gepauzeerd, de deelnemer moet indien nodig water krijgen en/of met opgeheven benen worden neergelegd. Neem zo nodig contact op met een verpleegkundige of arts. Hoofdpijn kan optreden tijdens of kort na de sessie. Deelnemers moeten worden geïnformeerd dat dit te verwachten is en kunnen indien nodig eenvoudige vrij verkrijgbare pijnstillers nemen. Als de hoofdpijn aanhoudt, moet contact worden opgenomen met het onderzoeksteam. In het zeldzame geval van een aanval moet de sessie onmiddellijk worden stopgezet en moeten noodprocedures worden gestart volgens institutionele protocollen.

Gegevens van 47 gezonde vrijwilligers werden verzameld met behulp van het gestructureerde en gestandaardiseerde protocol dat hier wordt beschreven. Deze methodologie, ontworpen om de betrouwbaarheid van corticale prikkelbaarheidsbeoordelingen te verbeteren, leverde inderdaad consistente resultaten op in twee beoordelingen die 6 weken na elkaar werden uitgevoerd³⁷. Een significante modulatie van de exciteerbaarheid van de linker motorische cortex, zoals beoordeeld door de post-iTBS-verandering van de amplitude van MEP's (ΔMEP), werd waargenomen op T0, T10 en T20 bij de eerste beoordeling, terwijl het effect op T30 geen significantie bereikte (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), en op elk tijdstip 6 weken later (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), wat wijst op robuuste exciteerbaarheidsmodulatie in de tijd (Figuur 4A). De stabiliteit van de exciteerbaarheidsmodulatie op T0 werd verder ondersteund door een ICC van 0,67 (95% BI = 0,31-0,85; p < 0,01), wat een matige tot goede test-hertestbetrouwbaarheid aantoonde op de eerdere momenten na iTBS (Figuur 4B). Desalniettemin werd de temporele betrouwbaarheid van corticale exciteerbaarheid op T10, T20 en T30 niet waargenomen, wat wijst op beperkingen van het toepassen van dit protocol om plasticiteitsachtige verschijnselen op latere tijdstippen te beoordelen. Bovendien bleven de belangrijkste neurofysiologische parameters, waaronder aMT, rMT en baseline MEP-amplitude, stabiel gedurende de onderzoeksperiode, wat de interne consistentie en procedurele betrouwbaarheid van het protocol verder onderstreept. Ten slotte werd de invloed van mogelijke verstorende factoren, waaronder handigheid, angst, verwachting met betrekking tot TMS-effecten, geslacht en leeftijd, systematisch geëvalueerd. Er werden geen significante associaties gevonden tussen deze variabelen en corticale prikkelbaarheidsmodulatie, wat de robuustheid van de waargenomen effecten en van het protocol over individuele kenmerken ondersteunt, zoals gerapporteerd in Seybert et ^al.37.

Figuur 1: Linker M1 exciteerbaarheid en de modulatiebeoordeling - experimenteel protocoloverzicht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Elektrodepositionering voor EMG-registratie over de eerste dorsale interossale (FDI) spier. (a) wijsvinger; (b) peesgebied; (c) FDI spier buik; (d) duim. De actieve elektrode wordt op de buik van de FDI geplaatst en de tweede elektrode wordt ongeveer 2,5 cm distaal in de richting van de pees geplaatst. De referentie-elektrode moet zich op de tegenoverliggende elleboog bevinden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Procedure voor het markeren van doppen. (een, b) Identificatie van anatomische referentielijnen: de mediale sagittale lijn en de intertraguslijn en bepalen het hoekpunt; (C,D) Vanaf het hoekpunt worden twee referentiepunten gemarkeerd door cm lateraal te meten langs de intertraguslijn (links) en 5 cm anterieur langs de sagittale lijn; (E) Constructie van een diagonale lijn die het laterale punt met het voorste punt verbindt. Langs de diagonaal is een punt gemarkeerd op 2,5 cm in de antero-mediale richting vanaf het laterale punt, wat de eerste schatting van de motorische hotspot vertegenwoordigt. Verfijning van de hotspot-schatting door vier extra punten te markeren binnen een straal van 0,5 cm van de initiële schatting, waardoor een cluster van stimulatieplaatsen ontstaat voor het bepalen van de motorische drempel; (F) Instelling van de motorhotspot en de respectieve markering op de dop (rode lijn). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Representatieve resultaten van het onderzoek. (A) Modulatie van de prikkelbaarheid van de linker motorische cortex na iTBS, weerspiegeld door veranderingen in MEP-amplitude (ΔMEP) op T0, T10 en T20 tijdens de basis- en vervolgsessie; (B) Betrouwbaarheid van de test-hertest op T0 aangegeven door een intraclass correlatiecoëfficiënt (ICC) van 0,67 (95% BI: 0,31-0,85; p < 0,01), ter ondersteuning van matige tot goede consistentie in prikkelbaarheidsmodulatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullend dossier 1: Aanvullende details van het protocol. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussie

Hier presenteren we een uitgebreid en rigoureus gestructureerd protocol dat een methodologie beschrijft om corticale exciteerbaarheid en exciteerbaarheidsmodulatie van de M1 te beoordelen met behulp van TMS in combinatie met EMG. Het beschrijft in detail alle noodzakelijke stappen voor de optimale uitvoering van de experimentele sessie, inclusief de voorbereiding van de experimentele opstelling en kalibratie van het neuronavigatiesysteem, configuratie van de TMS- en EMG-apparatuur en gestandaardiseerde procedures om de MH, rMT en aMT te identificeren. Deze voorbereidende stappen van het protocol zijn nodig voor de laatste reeks stappen, waaronder een nulmeting van de corticale prikkelbaarheid, neuromodulatie door toepassing van iTBS en herbeoordeling van de corticale prikkelbaarheid om de resulterende modulatie te kwantificeren.

Een belangrijk sterk punt van deze methodologie is de hoge mate van standaardisatie en nauwkeurigheid, die veel van de beperkingen aanpakt die in eerdere studies zijn gevonden. Eerder werk in het veld heeft vaak te lijden gehad van methodologische inconsistentie, beperkte beschrijving van methoden en hoge variabiliteit binnen en tussen proefpersonen³⁵. Methodologische variabiliteit omvat het aantal verzamelde Europarlementariërs²⁰, IPI²¹ en EMG-filtermethoden die de reproduceerbaarheid van de bevindingen³⁴ in gevaar kunnen hebben gebracht. Het hier beschreven protocol vermijdt methodologische valkuilen door neuronavigatie op te nemen om een nauwkeurige plaatsing van de spoel te garanderen³⁹, met behulp van gevalideerde EMG-procedures³⁴ en door gevestigde best practices voor stimulatie en signaalacquisitie toe te passen⁴⁵. Hoewel de specifieke bijdrage van elk van deze procedures niet werd gekwantificeerd, resulteerde de collectieve toepassing van deze elementen in een verbeterde stabiliteit en betrouwbaarheid van de waargenomen effecten in vergelijking met eerdere studies 25,26,27,28,29,30.

Hoewel methodologische nauwkeurigheid en standaardisatie de basis vormen voor betrouwbare metingen, zijn praktische aspecten van de voorbereiding van deelnemers en sessiebeheer enkele van de belangrijkste protocolstappen die de kwaliteit van de verkregen gegevens beïnvloeden. Een goede huidreiniging voor de plaatsing van de elektroden, ervoor zorgen dat de elektroden naast elkaar en stevig worden geplaatst, en bevestigen dat de neuronavigatiehoofdband comfortabel maar stevig past, zijn van cruciaal belang om de variabiliteit tussen sessies tot een minimum te beperken. Gedurende de hele sessie is continue monitoring van de toestand van de deelnemer - inclusief alertheid, handbewegingen en elektrodestabiliteit - noodzakelijk om artefacten te voorkomen en opnames van hoge kwaliteit te behouden. Wanneer er problemen zijn met het verkrijgen van TMS-EMG-gegevens, is het belangrijk om snel aanpassingen aan de positionering van de spoel of stimulatieparameters door te voeren. Regelmatige verificatie van de EMG-signaalkwaliteit is essentieel voor het aanpakken van veelvoorkomende technische problemen, zoals signaaluitval, elektrodeloslating of kleine navigatiedrift. Subtiele herpositionering van de spoel, zorgen voor een stabiel elektrodecontact of het opnieuw kalibreren van het neuronavigatiesysteem kan vaak de signaalkwaliteit herstellen en de consistentie behouden. Het is ook belangrijk om te erkennen dat sommige fluctuaties in signaal- of deelnemersgerelateerde variabiliteit onvermijdelijk kunnen zijn, ondanks alle inspanningen. In dergelijke gevallen kan het, in plaats van de gegevensintegriteit in gevaar te brengen, de voorkeur geven aan het pauzeren van de sessie, het herhalen van kritische metingen of zelfs het opnieuw plannen om ervoor te zorgen dat betrouwbare en interpreteerbare resultaten worden verkregen.

De resultaten die met dit protocol werden verkregen, toonden aan dat de corticale prikkelbaarheid in de linker M1 significant werd gemoduleerd nadat iTBS was toegepast. Deze modulatie was 6 weken later op dezelfde manier duidelijk, waarbij de mate van exciteerbaarheidsmodulatie alleen binnen-individuele stabiliteit onthulde wanneer deze onmiddellijk na iTBS werd beoordeeld, wat wijst op een temporeel specifiek stabiliteitsvenster. Met name werden prikkelbaarheidseffecten niet consequent gehandhaafd op latere tijdstippen, een beperking die mogelijk werd veroorzaakt door een grotere variabiliteit in de loop van de tijd^25,27. Deze observatie versterkt het idee dat de timing van corticale prikkelbaarheidsmetingen van cruciaal belang is, vooral wanneer wordt gekeken naar de mogelijke rol ervan als biomarker voor diagnostische of voorspellende doeleinden. Ondanks de al lang bestaande interesse in het gebruik van motorische cortexexciteerbaarheid en cortexexcitabiliteitsmodulatie (ΔMEP) als klinische marker, is de toepassing ervan beperkt door slechte betrouwbaarheid en hoge variabiliteit. Hoewel sommige onderzoeken een matige reproduceerbaarheid hebben gerapporteerd, hebben vele andere aangetoond dat ΔMEP niet de stabiliteit heeft die nodig is voor klinisch gebruik^18,19. Het huidige protocol pakt dit probleem rechtstreeks aan door een repliceerbaar kader te bieden om prikkelbaarheid consistent te meten. Een robuuste TMS-EMG-methodologie biedt ook waardevolle inzichten in de onderliggende neurobiologische mechanismen in zowel gezondheid als ziekte, waardoor een betrouwbare beoordeling van neuroplasticiteitsachtige verschijnselen in de menselijke motorische cortex mogelijk wordt. In het bijzonder wordt aangenomen dat iTBS zich bezighoudt met langdurige potentiëring-achtige processen, waarbij NMDA-receptorafhankelijke verhogingen van de synaptische werkzaamheid worden geïnduceerd, remmende interneuronen worden gemoduleerd en corticale ontremming wordt bevorderd, die gezamenlijk de MEP-amplitudes na stimulatie verbeteren²⁴. Deze interpretatie komt overeen met bewijs uit diermodellen. Bij knaagdieren en niet-menselijke primaten is aangetoond dat TBS langdurige potentiëring van corticospinale prikkelbaarheid en synaptische sterkte induceert, wat homologe plasticiteitsachtige mechanismen aantoont bij soort¹². De veranderingen die worden waargenomen bij MEP's na iTBS bij mensen weerspiegelen dus waarschijnlijk plasticiteitsgerelateerde neurale processen met sterke translationele aarding.

Naast het evalueren van neuromodulerende protocollen zoals iTBS, is de gestandaardiseerde TMS-EMG-methodologie die hier wordt beschreven veelbelovend voor diverse toepassingen. In motorische leerparadigma's kunnen veranderingen in corticospinale prikkelbaarheid dienen als biomarkers voor het verwerven van vaardigheden en neuroplasticiteit. Studies hebben bijvoorbeeld aangetoond dat visuomotorisch leren de corticospinale prikkelbaarheid verbetert, als gevolg van onderliggende neurale aanpassingen⁴⁶. Bij revalidatie na een beroerte kan beoordeling van corticospinale prikkelbaarheid therapeutische strategieën informeren, waarbij TMS-neurofeedback wordt gebruikt om de prikkelbaarheid in de aangetaste motorische cortex op te heffen, wat mogelijk helpt bij het herstel⁴⁷. Farmacologisch gezien kunnen TMS-EMG-beoordelingen door stoffen geïnduceerde veranderingen van corticale prikkelbaarheid detecteren, wat inzicht geeft in hun CZS-effecten⁴⁸. Bovendien zijn leeftijdsgerelateerde verschillen in corticospinale prikkelbaarheid gedocumenteerd, waarbij oudere volwassenen vaak een verminderde prikkelbaarheid vertonen, wat de motorische prestaties en het leren kan beïnvloeden⁴⁹. Door de toepassing van dit gestandaardiseerde protocol uit te breiden naar deze gebieden, kunnen onderzoekers een beter begrip krijgen van de corticospinale dynamiek in verschillende contexten en populaties.

Daarom stellen we voor dat dit protocol een waardevolle basis biedt voor toekomstig onderzoek dat gericht is op het vaststellen van betrouwbare biomarkers van corticale plasticiteit. Studies moeten met name proberen deze effecten te repliceren in grotere en meer diverse populaties, inclusief klinische groepen. Toekomstig onderzoek moet beoordelen of corticale prikkelbaarheid die onmiddellijk na iTBS wordt gemeten, consequent onderscheid kan maken tussen gezonde en klinische profielen, om diagnostische gevoeligheid te begrijpen, evenals prognostische eigenschappen, bijvoorbeeld bij de voorspelling van de respons op de behandeling. Concluderend kan worden gesteld dat de hier beschreven methodologie een aanzienlijke vooruitgang betekent in de standaardisatie van de beoordeling van de corticale prikkelbaarheid. Door gemeenschappelijke bronnen van variabiliteit te beperken en de nadruk te leggen op precisie in experimenteel ontwerp, biedt dit protocol een robuuste en reproduceerbare benadering voor het bestuderen van corticale plasticiteitsachtige verschijnselen en de mogelijke klinische toepassingen ervan.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
BONSAI software voor fysiologische dataverwerving ("MT_ACQ.bonsai" script)	Bonsai	https://bonsai-rx.org/
Elektromyografie (EMG) ontwikkeld door het Scientific Hardware Development Platform bij Champalimaud Foundation	Champalimaud Research	https://www.cf-hw.org/home	Website van het Scientific Hardware and Software Development Platform: https://www.cf-hw.org/home
MagPro X100 stimulator met een Cool-B65 figuur-acht spiraal	Magventure	Stimulator: 9016E0731;  spiraal:9016E0491
Visor2 neuronavigatiesysteem	ANT Neuro		Software en Hardware van dezelfde bedrijf