RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Niniejszy artykuł opisuje standaryzowaną indukcję długoterminowej plastyczności kory podobnej do potencjacji z wykorzystaniem protokołów stymulacji powtarzalnej, po której następuje zastosowanie pojedynczej impulsowej stymulacji magnetycznej przeczaszkowej prowadzonej przez system neuronawigacyjny w celu oceny plastyczności synaptycznej.
W ostatnich latach przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) stała się nieinwazyjną, niskokosztową i skuteczną metodą oceny zmian synaptycznych w mózgu. Plastyczność synapctyczna to podstawowy mechanizm plastyczności neuronalnej, który odzwierciedla zdolność mózgu do modyfikowania siły i skuteczności połączeń synaptycznych w odpowiedzi na doświadczenia lub bodźce środowiskowe. Długoterminowa potencjacja (LTP) stanowi dominujący model eksperymentalny do badania mechanizmów plastyczności synaptycznej, odgrywając kluczową rolę w zrozumieniu plastyczności synaptycznej i ogólnej funkcji mózgu. Specyficzne wzorce stymulacji, zwłaszcza powtarzalne lub wybuchowe wzorce impulsów, takie jak przerywana stymulacja theta burst (iTBS), mogą indukować plastyczność kory podobną do LTP, zapewniając wykonalne, nieinwazyjne podejście do oceny plastyczności synaptycznej. Jednak zastosowanie tych technik wymaga ścisłego przestrzegania standardowych protokołów, aby zapewnić dokładność i wiarygodność wyników. Dlatego niniejszy artykuł ma na celu pokazanie standaryzowanego podejścia do inwestowania plastyczności podobnej do LTP za pomocą iTBS, a następnie oceny plastyczności synaptycznej za pomocą TMS z pojedynczym impulsem, przy czym oba zabiegi są prowadzone przez system neuronawigacyjny. Głównym celem tego artykułu będą kluczowe procedury techniczne i czynniki operacyjne niezbędne do osiągnięcia precyzyjnych i wiarygodnych pomiarów plastyczności kory.
W ostatnich latach przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) stała się nieinwazyjną, opłacalną i efektywną techniką sondowania i modulowania aktywności nerwowej w ludzkim mózgu1. Wśród różnych paradygmatów stymulacji, przerywana stymulacja theta burst (iTBS) przyciągnęła znaczną uwagę ze względu na swoją zdolność do indukowania plastyczności podobnej do długotrwałej potencjacji (LTP) w korze ruchowej człowieka2. Konkretnie, iTBS dostarcza wybuchy o wysokiej częstotliwości w odstępach theta, naśladując endogenne wzorce sprzężenia theta-gamma związane z plastycznością synaptyczną3. Indukuje plastyczność podobną do LTP poprzez aktywację receptorów N-metylo-D-asparagianianu (NMDARs)4, co eliminuje blokadę Mg2+ i pozwala Ca2+ wejść do neuronu postsynaptycznego5. Ten napływ Ca2+ wywołuje kaskady sygnalizacyjne w kolejnych etapach, w tym aktywację kinazy białkowej II (CaMKII) stymulowanej wapniem i kalmoduliną, która wspiera fosforylację6 oraz wszczepienie receptorów kwasu α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolepropionowych (AMPAR), co zwiększa transmisję synaptyczną7. W porównaniu z innymi nieinwazyjnymi metodami, takimi jak powtarzana przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (rTMS) czy przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS), iTBS może indukować plastyczność kory podobną do LTP przy krótszym czasie stymulacji i niższej intensywności, co czyni ją lepiej tolerowaną opcją u osób 8,9,10. Aby ocenić efekty neuroplastyczne wywołane przez iTBS, naukowcy często mierzą zmiany amplitud potencjału motorycznego (MEP) rejestrowane za pomocą elektromiografii (EMG), które odzwierciedlają zwiększoną pobudliwość korowo-rdzeniową11. Badania wykazały, że te wzmocnienia MEP mogą utrzymywać się do 60 minut po stymulacji, co wskazuje na przejściową, ale solidną modulację pobudliwości korowej10,12. Dzięki krótkiemu czasie podawania i dobrze ugruntowanemu profilu bezpieczeństwa, iTBS jest szczególnie odpowiedni do powtarzających się zastosowań zarówno w kontekście eksperymentalnym, jak i klinicznym10. Konkretnie, standardowy protokół iTBS (600 impulsów, 192 s), a także konwencjonalne protokoły rTMS 10-Hz (1 200-1 500 impulsów, 15-20 min), niezawodnie indukują porównywalne efekty plastyczności podobne do LTP 8,13. W związku z tym coraz częściej wykorzystywany jest do badania plastyczności synaptycznej u zdrowych osób i populacji pacjentów, dostarczając cennych informacji na temat deficytów związanych z plastycznością w zaburzeniach neurologicznych, takich jak choroba Alzheimera (AD), udar i depresja.
Plastyczność synapcyczna, fundamentalny mechanizm plastyczności neuronalnej, leży u podstaw kluczowych procesów, takich jak uczenie się i pamięć. Odzwierciedla zdolność mózgu do modyfikowania siły i skuteczności połączeń synaptycznych w odpowiedzi na doświadczenia lub bodźce środowiskowe14. Spośród różnych form plastyczności synaptycznej, LTP jest dobrze ugruntowanym modelem uczenia się i pamięci dzięki wzmocnieniu transmisji synaptycznej15. Rosnące dowody wskazują, że zaburzenia plastyczności podobnej do LTP są ściśle powiązane z deficytami poznawczymi i behawioralnymi w zaburzeniach neurologicznych, takich jak AD16. Te zaburzenia mogą odzwierciedlać specyficzne dla choroby zaburzenia sygnalizacji synaptycznej i szlaków molekularnych związanych z plastycznością, w tym zmiany w indukcji, ekspresji lub utrzymaniu LTP17. Dlatego zrozumienie i ilościowe określenie plastyczności synaptycznej jest niezbędne dla rozwoju strategii terapeutycznych mających na celu przywrócenie funkcji poznawczych, kontroli ruchowej, integracji sensorycznej i regulacji emocji oraz ułatwienie skutecznej neurorehabilitacji.
Chociaż techniki takie jak iTBS indukujące plastyczność podobną do LTP oraz jednopulsowe TMS do oceny plastyczności korowej oferują ekscytujący potencjał, ich zastosowanie wymaga ścisłego przestrzegania ustandaryzowanych protokołów, aby zapewnić dokładność i powtarzalność. Niespójne metody mogą prowadzić do zmienności, co może utrudniać wiarygodność wyników. Ponadto niespójności metodologiczne w różnych badaniach, w tym różnice w intensywności stymulacji, pozycjonowaniu cewek oraz czasie pomiarów wyników, ograniczają powtarzalność wyników wywołanych przez TMS. W praktyce iTBS jest zazwyczaj podawane przy 80% spoczynkowego progu ruchowego (RMT)18, a niezawodna indukcja plastyczności podobnej do LTP zależy dodatkowo od precyzyjnego pozycjonowania cewek, najczęściej osiąganego za pomocą wskazówek neuronawigacyjnych19. W związku z tym artykuł ma na celu pokazanie ustandaryzowanego, neuronawigacyjnego protokołu indukującego plastyczność podobną do LTP za pomocą iTBS, a następnie ocenę plastyczności kory za pomocą pojedynczego impulsu TMS. Głównym celem tego artykułu będą kluczowe procedury techniczne i czynniki operacyjne niezbędne do osiągnięcia precyzyjnych i wiarygodnych pomiarów plastyczności kory.
Komisja Etyka Pierwszego Szpitala Afiliowanego z Uniwersytetem Medycznym w Nankinie zatwierdziła protokoły (numer 2023-SR-789), a protokół został zarejestrowany w Chińskim Rejestrze Badań Klinicznych (numer ChiCTR2400082549). Wszystkie procedury prowadzono zgodnie z Deklaracją Helsińską. Przed rozpoczęciem udziału w badaniu uzyskano pisemną świadomą zgodę.
1. Proces uzyskania zgody
2. Przygotowanie modelu głowy z wykorzystaniem systemu neuronawigacyjnego
3. Identyfikacja hotspotów silnikowych
4. Ustalenie RMT
5. Ocena plastyczności podobnej do LTP

Podczas demonstracji użyto systemu neuronawigacyjnego do precyzyjnego pozycjonowania cewki TMS nad hotspotem silnika, zapewniając sprzężenie zwrotne w czasie rzeczywistym i minimalizując zmienność rozmieszczenia cewek. Urządzenie TMS (cewka w kształcie ósemki, 70 mm) zapewniało stymulację przez całą sesję. Aby zilustrować procedurę, poniżej przedstawiono reprezentatywne wyniki jednego uczestnika. Zarejestrowane amplitudy MEP wykazały stabilne i spójne odpowiedzi w badaniach z pojedynczym impulsem, co odzwierciedla stabilność zapewnianą przez umieszczenie cewek kierowane neuronawigacją. Zależne od czasu wzrosty amplitudy MEP po iTBS wskazują na plastyczność podobną do LTP. Dane można analizować poprzez porównanie podstawowych i postymulacyjnych amplitud surowych MEP oraz znormalizowanych amplitud MEP, a także klasyfikując indywidualne odpowiedzi jako facilitacyjne, hamujące lub bez zmian. Ogólnie rzecz biorąc, te reprezentatywne wyniki pokazują, że opisany protokół umożliwia dokładną lokalizację hotspotów motorycznych, powtarzalną stymulację oraz ilościową ocenę zmian plastycznych podobnych do LTP wywołanych stymulacją.
Konfiguracja i lokalizacja systemu neuronawigacyjnego
Procedura konfiguracji i lokalizacji systemu neuronawigacyjnego została przeprowadzona, aby zidentyfikować i zarejestrować pojedyncze anatomiczne punkty orientacyjne na płaszczyznach osiowych, strzałkowych i koronalnych, w tym nos, lewy nacięcie nadnatragiczne oraz prawy napratragiczny. Te punkty orientacyjne służyły jako odniesienia powiernicze do późniejszego stworzenia indywidualnego modelu głowy 3D, zapewniając dokładną współrejestrację między strukturami anatomicznymi a celami stymulacji (Rysunek 1). Rejestracja przestrzenna została zainicjowana przez identyfikację tych samych trzech anatomicznych punktów orientacyjnych na skórze głowy. System zapewniał w czasie rzeczywistym wizualne sprzężenie zwrotne dotyczące położenia zwoja i jego ustawienia względem wcześniej określonych miejsc stymulacji w obrębie M1 przeciwległego do docelowego mięśnia, zapewniając dokładne przekazanie stymulacji do docelowych obszarów korowych.

Rysunek 1: Rejestracja zabytku. Identyfikacja anatomicznych punktów orientacyjnych na czaszce uczestnika za pomocą systemu neuronawigacyjnego, aby umożliwić dokładną rejestrację przestrzenną. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Ustanowienie modelu głowy 3D
Stworzono indywidualny trójwymiarowy model głowy osoby uczestniczki, oparty na rejestracji neuronawigacyjnych i pobieraniu próbek powierzchni skóry. Średni błąd rejestracji podczas wyrównania anatomicznych punktów orientacyjnych i kształtu głowy był poniżej 1,5 mm, co umożliwiło precyzyjne ustawienie cewek przez całą sesję stymulacji (Rysunek 2).

Rysunek 2: Konstrukcja modelu głowy 3D. Wizualizacja zrekonstruowanego modelu głowy 3D opartego na rejestracji neuronawigacyjnej i pobieraniu próbek powierzchni skóry głowy, umożliwiającym precyzyjne śledzenie cewek i mapowanie kory podczas stymulacji. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Identyfikacja hotspotu silnikowego
Hotspot motoryczny został funkcjonalnie zidentyfikowany na podstawie MEP wywołanych TMS poprzez stymulację mózgu TMS i rejestrację MEP. Miejsce wywołujące najsilniejszą reakcję zostało zdefiniowane jako hotspot silnika (Rysunek 3).

Rysunek 3: Lokalizacja hotspotów silnikowych. Wyświetlanie w czasie rzeczywistym miejsca stymulacji na przeciwległej stronie M1 względem mięśnia docelowego odpowiadającego hotspotowi motorycznemu dla docelowego APB. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Określanie RMT
RMT został określony za pomocą pojedynczego impulsu TMS. RMT był najniższą intensywnością stymulacji, przy jakiej MEP o amplitudzie szczyt-szczyt >50 μV zaobserwowano w co najmniej 5 z 10 kolejnych badań, zgodnie ze standardową definicją RMT28, co zapewniało, że stymulacja TMS przekraczała próg efektywnej aktywacji motorycznej (Rysunek 4).

Rysunek 4: Oznaczenie RMT. Reprezentatywny przebieg MEP zarejestrowany z docelowego APB podczas oceny RMT. Liczby 1-10 wskazują na 10 kolejnych badań TMS z pojedynczym impulsem. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Pomiary bazowe
Przed iTBS pobudliwość korowo-rdzeniowa oceniano poprzez podanie 20 pojedynczych impulsów TMS przy 120% RMT z odstępami 5 sekund względem zidentyfikowanego hotspotu motorycznego (Rysunek 5).

Rysunek 5: Bazowi posłowie do Parlamentu Europejskiego. Dwudziestu reprezentatywnych europosłów z docelowego APB zostało wywołanych przez TMS pojedynczego impulsu przy 120% RMT w warunkach łagodnych. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Indukcja plastyczności podobnej do LTP
Protokół iTBS był dostarczany z częstotliwością 80% pojedynczego RMT, wykorzystując impulsy po trzy impulsy przy częstotliwości 50 Hz powtarzane przy 5 Hz (600 impulsów przez 200 s). Rejestry trybów stymulatora potwierdziły, że wszystkie sesje dostarczały planowaną liczbę impulsów bez przerwy, a intensywność wyjściowa pozostawała stabilna przez cały czas.
Ilościowa plastyczność podobna do LTP
Po zastosowaniu protokołu iTBS amplitudy MEP były rejestrowane w wielu punktach czasowych (np. 5 min, 10 min, 15 min i 30 min), aby obserwować zmiany pobudliwości korowej w czasie (rysunek 6).

Rysunek 6: Posłowie do Parlamentu po iTBS. Reprezentatywni posłowie do Parlamentu Europejskiego jednego uczestnika byli rejestrowani z docelowego APB przy 120% RMT w (A) 5 min, (B) 10 min, (C) 15 min, oraz (D) 30 minut po iTBS. Każdy panel pokazuje 20 przebiegów, ilustrujących modulację amplitudy zależną od czasu. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Surowi europosełowie
Aby ilościowo określić zmiany pobudliwości, średnie amplitudy MEP od szczytu do szczytu zostały obliczone na poziomie wyjściowym oraz w każdym punkcie po stymulacji (Rysunek 7).

Rysunek 7: Średnie amplitudy MEP. Średnie amplitudy MEP są rejestrowane na początku oraz w 5 min, 10 min, 15 i 30 min po iTBS u reprezentatywnego uczestnika. Każdy punkt danych reprezentuje średnią 20 pojedynczych impulsów TMS, z paskami błędu wskazującymi odchylenie standardowe (SD). Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Znormalizowani posłowie do Parlamentu Europejskiego
Amplitudy MEP w każdym punkcie po stymulacji zostały znormalizowane do poziomu wyjściowego. Zależny od czasu wzrost i późniejszy spadek amplitudy MEP odzwierciedlają charakterystyczny profil plastyczności podobnej do LTP (Rysunek 8).

Rysunek 8: Znormalizowane średnie amplitudy MEP. Amplitudy MEP zostały znormalizowane do wartości wyjściowych (stosunek post/punkt wyjściowy) w ciągu 5 min, 10 min, 15 minut i 30 minut po iTBS u reprezentatywnego uczestnika. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Zauważalny wzrost amplitudy MEP zaobserwowano już w ciągu pierwszych kilku minut po stymulacji, co odzwierciedla przejściowe zwiększenie pobudliwości korowo-rdzeniowej. To wzmocnienie stopniowo maleje z czasem. Zgodnie z wcześniej zdefiniowanymi kryteriami klasyfikacji38 (znormalizowana wartość MEP >1,1 jako ułatwiona, <0,9 jako zahamowana oraz między 0,9 a 1,1 jako niezmieniona), reprezentatywny uczestnik został sklasyfikowany jako ułatwiony, a średnia znormalizowana wartość MEP we wszystkich punktach po stymulacji (5 min, 10 min, 15 min i 30 min) przekraczała 1,1. Ta modulacja zależna od czasu jest powszechnie interpretowana jako przejaw plastyczności podobnej do LTP.
Autorzy nie mają konkurujących interesów finansowych ani innych konfliktów interesów wynikających z tej pracy.
Niniejszy artykuł opisuje standaryzowaną indukcję długoterminowej plastyczności kory podobnej do potencjacji z wykorzystaniem protokołów stymulacji powtarzalnej, po której następuje zastosowanie pojedynczej impulsowej stymulacji magnetycznej przeczaszkowej prowadzonej przez system neuronawigacyjny w celu oceny plastyczności synaptycznej.
Badanie to zostało wsparte przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (nr 82372582, 82503067), Konkurencyjny Projekt Kluczowego Programu Badań i Rozwoju prowincji Jiangsu (nr BE2023034).
| 70 mm cewka TMS | Yiruide Co., Wuhan, Chiny | ||
| Elektrody powierzchniowe elektromiografii | Cathay, Szanghaj, Chiny | CM25R | |
| System elektromiografii | Yiruide Co., Wuhan, Chiny | ||
| Wskaźnik neuronawigacji | ANT Neuro, Niemcy | ||
| Markery refleksyjne neuronawigacji | ANT Neuro, Niemcy | ||
| System neuronawigacji | ANT Neuro, Niemcy | Visor2, wersja 2.5.3.50294 | |
| Stymulator TMS | Yiruide Co., Wuhan, Chiny | NS5000 |