Indução e avaliação padronizadas da plasticidade cortical semelhante à potenciação de longo prazo usando estimulação magnética transcraniana

Nos últimos anos, a estimulação magnética transcraniana (EMT) emergiu como uma técnica não invasiva, econômica e eficiente para sondar e modular a atividade neural no cérebro humano¹. Entre vários paradigmas de estimulação, a estimulação intermitente theta burst (iTBS) atraiu atenção significativa por sua capacidade de induzir plasticidade semelhante à potenciação de longo prazo (LTP) no córtex motor humano². Especificamente, o iTBS fornece rajadas de alta frequência em intervalos, imitando os padrões de acoplamento-gama endógenos associados à plasticidade sináptica³. Ele induz plasticidade semelhante à LTP ativando os receptores N-metil-D-aspartato (NMDARs)⁴, que alivia o bloqueio Mg²⁺ e permite que o Ca²⁺ entre no neurônio pós-sináptico⁵. Esse influxo de Ca²⁺ desencadeia cascatas de sinalização a jusante, incluindo a ativação da proteína quinase II estimulada por cálcio/calmodulina (CaMKII), que promove a fosforilação⁶ e a inserção de receptores de ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropiônico (AMPARs), aumentando assim a transmissão sináptica⁷. Em comparação com outras abordagens não invasivas, como estimulação magnética transcraniana repetida (EMTr) ou estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC), a ETBi pode induzir plasticidade cortical semelhante à LTP com menor duração de estimulação e menor intensidade, tornando-se uma opção mais bem tolerada em indivíduos ^8,9,10. Para avaliar os efeitos neuroplásticos induzidos pela iTBS, os pesquisadores geralmente medem as alterações nas amplitudes do potencial evocado motor (MEP) registradas por meio de eletromiografia (EMG), que refletem o aumento da excitabilidade corticoespinhal¹¹. Estudos mostraram que esses aprimoramentos de MEP podem persistir por até 60 minutos pós-estimulação, indicando modulação transitória, mas robusta, da excitabilidade cortical^10,12. Devido ao seu breve tempo de administração e perfil de segurança bem estabelecido, o iTBS é particularmente adequado para aplicações repetidas em contextos experimentais e clínicos¹⁰. Especificamente, um protocolo iTBS padrão (600 pulsos, 192 s), bem como protocolos convencionais de rTMS de 10 Hz (1.200-1.500 pulsos, 15-20 min), induzem de forma confiável efeitos de plasticidade semelhantes aos LTP ^8,13. Como tal, tem sido cada vez mais usado para sondar a plasticidade sináptica em indivíduos saudáveis e populações de pacientes, fornecendo informações valiosas sobre déficits relacionados à plasticidade em distúrbios neurológicos, como doença de Alzheimer (DA), acidente vascular cerebral e depressão.

A plasticidade sináptica, um mecanismo fundamental da plasticidade neural, está subjacente a processos críticos, como aprendizado e memória. Reflete a capacidade do cérebro de modificar a força e a eficácia das conexões sinápticas em resposta à experiência ou a estímulos ambientais¹⁴. Entre as várias formas de plasticidade sináptica, a LTP é um modelo bem estabelecido para aprendizado e memória por meio do aprimoramento da transmissão sináptica¹⁵. Evidências acumuladas indicam que deficiências na plasticidade semelhante à LTP estão intimamente associadas a déficits cognitivos e comportamentais em distúrbios neurológicos, como AD¹⁶. Essas deficiências podem refletir interrupções específicas da doença na sinalização sináptica e nas vias moleculares relacionadas à plasticidade, incluindo alterações na indução, expressão ou manutenção da LTP¹⁷. Portanto, compreender e quantificar a plasticidade sináptica é essencial para o avanço de estratégias terapêuticas para restaurar a função cognitiva, o controle motor, a integração sensorial e a regulação emocional e facilitar a neurorreabilitação eficaz.

Embora técnicas como iTBS para induzir plasticidade semelhante a LTP e TMS de pulso único para avaliar a plasticidade cortical ofereçam um potencial empolgante, sua aplicação requer adesão estrita a protocolos padronizados para garantir precisão e reprodutibilidade. Métodos inconsistentes podem levar à variabilidade, o que pode prejudicar a confiabilidade dos achados. Além disso, inconsistências metodológicas entre os estudos, incluindo diferenças na intensidade da estimulação, posicionamento da bobina e tempo das medições dos resultados, limitam a reprodutibilidade dos achados de plasticidade induzida por TMS. Na prática, a iTBS é tipicamente administrada a 80% do limiar motor em repouso (TMR)¹⁸, e a indução confiável de plasticidade semelhante à LTP depende ainda mais do posicionamento preciso da bobina, mais comumente alcançado por meio de orientação de neuronavegação19. Assim, este artigo tem como objetivo demonstrar um protocolo padronizado guiado por neuronavegação para induzir plasticidade semelhante à LTP por meio de iTBS, seguido pela avaliação da plasticidade cortical usando TMS de pulso único. O foco deste artigo será nos procedimentos técnicos essenciais e considerações operacionais necessárias para obter medições precisas e confiáveis da plasticidade cortical.

O Comitê de Ética do Primeiro Hospital Afiliado da Universidade Médica de Nanjing aprovou os protocolos (número 2023-SR-789), e o protocolo foi registrado no Registro Chinês de Ensaios Clínicos (número ChiCTR2400082549). Todos os procedimentos foram conduzidos de acordo com a Declaração de Helsinque. O consentimento informado por escrito foi obtido antes da inclusão no estudo.

1. Processo de consentimento

1. Antes de qualquer avaliação, explique o(s) objetivo(s) da avaliação, os principais procedimentos experimentais e quaisquer fatores de risco potenciais associados ao estudo. Responda a quaisquer perguntas ou preocupações. Solicite a confirmação do processo de consentimento e a assinatura no formulário de consentimento informado.
2. O não cumprimento dos critérios de segurança do TMS constitui motivo de exclusão. Faça as seguintes perguntas com respostas documentadas. Uma resposta afirmativa a qualquer critério constitui motivo de exclusão:
   Você tem algum implante ou dispositivo metálico incompatível com TMS (por exemplo, marca-passos, implantes cocleares, clipes de aneurisma)?
   Você tem histórico de epilepsia ou convulsões, ou histórico familiar de epilepsia?
   Você está tomando algum medicamento que possa induzir convulsões?
   Você tem déficits cognitivos ou de comunicação graves que impediriam a participação no estudo?
   Você tem distúrbios graves da coluna cervical (por exemplo, estenose cervical ou instabilidade da coluna vertebral)?
   Você tem alguma lesão direta ou defeito craniano na área de estimulação?
   Se você é uma mulher com potencial para engravidar: Você está grávida ou possivelmente grávida? Se houver suspeita de gravidez, faça um teste de sangue ou urina e exclua casos positivos.

2. Preparação do modelo de cabeça usando um sistema de neuronavegação

1. Use o sistema de neuronavegação (versão 2.5.3.50294) em todo o protocolo para orientar o posicionamento da bobina, registrar pontos de referência anatômicos, calibrar a bobina e manter o posicionamento consistente da bobina durante a determinação do RMT e a estimulação iTBS.
2. Configuração do sistema de neuronavegação: Use o sistema para obter feedback visual em tempo real sobre a posição da bobina TMS e seu alinhamento em relação aos pontos anatômicos, garantindo um direcionamento preciso durante a identificação funcional do hotspot motor no córtex motor primário (M1) correspondente ao músculo-alvo contralateral²⁰.
3. Estabelecimento do modelo de cabeça tridimensional (3D): Gere o modelo de cabeça 3D usando os modelos cerebrais padrão fornecidos no software de neuronavegação ou construído a partir de exames individuais de ressonância magnética (MRI). Ao selecionar a ressonância magnética individual ou o modo de modelo padrão, registre pontos de referência anatômicos nos planos axial, sagital e coronal. Execute a segmentação da superfície do couro cabeludo para gerar um modelo de cabeça tridimensional.
4. Calibração da bobina
   1. Após a conclusão do registro do modelo do cabeçote, execute a calibração da bobina para garantir o rastreamento preciso em tempo real no sistema de neuronavegação. Navegue pelas configurações do TMS, clique em Seleção de bobina> Calibrar faces da ferramenta. Coloque a bobina TMS, equipada com marcadores reflexivos, em um bloco de calibração designado. Alinhe os pontos fiduciais na bobina física com os pontos correspondentes no bloco de calibração sob orientação do software.
   2. Após a calibração inicial, siga o prompt do sistema para posicionar a bobina sobre o bloco de calibração para confirmar a precisão. Clique em Calibrar para iniciar a calibração automática. Aceitar apenas calibrações com erro espacial inferior a 3 mm²¹. Caso contrário, execute a recalibração. Certifique-se de que a posição, orientação e ângulo de inclinação da bobina possam ser rastreados de forma confiável durante toda a sessão de TMS²².

3. Identificação do hotspot motor

1. Posicionamento do participante: Peça ao participante para se sentar em uma cadeira confortável com apoio para as costas e os braços para minimizar o movimento da cabeça e do corpo. Mantenha as duas mãos completamente relaxadas e imóveis durante o procedimento. Evite movimentos da mão não direcionada que possam confundir as medições.
2. Configuração de rastreamento da cabeça: Anexe os marcadores reflexivos infravermelhos à testa para permitir o rastreamento em tempo real da posição da cabeça durante a sessão. Prenda os marcadores com adesivos e certifique-se de que sejam reconhecidos pelo sistema de neuronavegação, indicado por marcadores verdes (marcadores não reconhecidos aparecem em vermelho).
3. Registro de ponto de referência: Use um ponteiro rastreado para marcar sequencialmente três pontos de referência anatômicos no couro cabeludo: o násio, o entalhe supratrágico esquerdo e o entalhe supratrágico direito. Habilite o sistema de neuronavegação para registrar espacialmente a posição real da cabeça com o modelo de cabeça 3D²³.
4. Amostragem do formato da cabeça: Use o ponteiro para coletar aproximadamente 200 a 300 pontos adicionais no couro cabeludo para aumentar a precisão do registro²⁴. Permita que o software ajuste automaticamente um modelo individualizado de formato de cabeça com base nesses pontos para otimizar o alinhamento entre as imagens de ressonância magnética e o sistema de coordenadas real²⁵.
5. Registro EMG: Colocar o eletrodo de registro sobre a barriga do músculo abdutor curto do polegar (APB) alvo e o eletrodo de referência próximo à articulação interfalangeana do polegar, a aproximadamente 2 cm de distância²⁶. Grave MEPs a uma taxa de amostragem de 100 kHz com resolução mínima de <0,2 μV e faixa de resposta de frequência de 1 a 25 kHz, enquanto as impedâncias dos eletrodos foram mantidas abaixo de 5 kΩ. Certifique-se de que o sinal EMG de linha de base mostre ruído mínimo, uma forma de onda estável e nenhum desvio óbvio ou interferência elétrica antes de prosseguir²⁷.
6. Determine o ponto de acesso do motor
   1. Determine as coordenadas M1 administrando TMS de pulso único (bobina em forma de oito, 70 mm) aproximadamente 5 cm lateral e 0-1 cm anterior em relação ao vértice²⁸, contralateral ao músculo alvo para obter amplitude máxima de MEP, facilitando a localização precisa do hotspot motor. Mantenha a mão completamente relaxada para evitar contração muscular voluntária que possa interferir nas medições da PEmáx.
   2. Oriente a alça da bobina 45° posterior à linha média para transmitir a corrente eletromagnética perpendicular ao sulco central²⁹. Mova a bobina sistematicamente em passos de 1 cm ao redor da região M1 marcada em todas as direções, incluindo anterior, posterior, medial e lateral³⁰, em intervalos de 5 s³¹. Defina o hotspot motor como o local que produz a maior amplitude MEP no APB³² relaxado.
7. Marcação do hotspot motor: Uma vez identificado o hotspot motor funcionalmente definido, marque-o imediatamente no sistema de neuronavegação. Após a marcação, permita que o sistema registre automaticamente os principais parâmetros espaciais, incluindo a distância entre a bobina e o ponto alvo, o desvio de inclinação e o desvio de rotação. Use essas métricas para garantir o posicionamento preciso e reprodutível da bobina durante todo o procedimento de estimulação³³.

4. Determinação do TMR

1. Meça a amplitude pico a pico usando dados EMG de superfície para obter o MEP, aplicando a mesma configuração e parâmetros EMG descritos na etapa 3.5. Defina o TMR como a intensidade mínima do estímulo que provoca um MEP com amplitudes pico a pico superiores a 50 μV em pelo menos cinco de dez tentativas consecutivas de TMS de pulso único²⁸.

5. Avaliação da plasticidade semelhante à LTP

1. Avaliações de linha de base: Registre 20 MEPs evocados por TMS consecutivos em intervalos de 5 s no hotspot motor. Defina a intensidade do estímulo dos PEmáx para 120% TMR, o que evoca PEmáx de aproximadamente 1 mV³⁴.
2. Indução de plasticidade semelhante à LTP: Forneça estimulação usando um dispositivo TMS (bobina em forma de oito, 70 mm). Aplique iTBS sobre o hotspot motor a uma intensidade de 80% RMT para induzir plasticidade semelhante à LTP. Use o protocolo iTBS que consiste em rajadas de três estímulos a 50 Hz repetidos a 5 Hz. Repita um trem de 2 s desse estímulo de pulso seguido de 8 s de repouso por um total de 200 s (600 pulsos)¹⁰.
3. Avaliação da plasticidade: Registre 20 MEPs em 5 min, 10 min, 15 min e 30 min após a intervenção iTBS usando a mesma intensidade de estimulação (120% RMT) para avaliar a plasticidade³⁵.
4. Quantificação de plasticidade semelhante à LTP: Calcule a amplitude média pico a pico dos 20 MEPs registrados em cada ponto de tempo (linha de base, 5 min, 10 min, 15 min e 30 min pós-iTBS) para refletir quantitativamente a excitabilidade cortical³⁶. As amplitudes de MEP pós-estimulação são expressas como uma razão normalizada em relação à linha de base para padronizar as medidas de excitabilidade entre sessões e indivíduos. O resultado é a amplitude bruta de MEP e a amplitude normalizada de MEP no ponto final pós-iTBS, representando o efeito do tratamento³⁷.
5. Calcule a amplitude MEP normalizada em cada ponto de tempo como:
   
   Classifique os indivíduos com um valor de MEP normalizado médio geral >1,1 como facilitado, <0,9 como inibido e entre 0,9 e 1,1 como inalterado após cada condição iTBS³⁸.

Durante a demonstração, um sistema de neuronavegação foi usado para orientar o posicionamento preciso da bobina TMS sobre o ponto quente do motor, fornecendo feedback espacial em tempo real e minimizando a variabilidade do posicionamento da bobina. Um dispositivo TMS (bobina em forma de oito, 70 mm) forneceu estimulação durante toda a sessão. Para ilustrar o procedimento, os resultados representativos de um participante são apresentados abaixo. As amplitudes MEP registradas exibiram respostas estáveis e consistentes em testes de pulso único, refletindo a estabilidade fornecida pela colocação da bobina guiada pela neuronavegação. Aumentos dependentes do tempo na amplitude do MEP após iTBS indicam plasticidade semelhante à LTP. Os dados podem ser analisados comparando as amplitudes brutas de MEP basais e pós-estimulação e as amplitudes de MEP normalizadas, bem como classificando as respostas individuais como facilitação, inibição ou inalteradas. No geral, esses resultados representativos demonstram que o protocolo descrito permite a localização precisa do hotspot motor, estimulação reprodutível e avaliação quantitativa de alterações plásticas semelhantes à LTP induzidas por estimulação.

Configuração e localização do sistema de neuronavegação

A configuração do sistema de neuronavegação e o procedimento de localização foram realizados para identificar e registrar pontos anatômicos individuais nos planos axial, sagital e coronal, incluindo o násio, o entalhe supratrágico esquerdo e o entalhe supratrágico direito. Esses pontos de referência serviram como referências fiduciais para a criação subsequente do modelo de cabeça 3D individualizado, garantindo o corregistro preciso entre estruturas anatômicas e alvos de estimulação (Figura 1). O registro espacial foi inicializado pela identificação dos mesmos três marcos anatômicos no couro cabeludo. O sistema forneceu feedback visual em tempo real sobre a posição da bobina e seu alinhamento em relação aos locais de estimulação predefinidos dentro do M1 contralateral ao músculo alvo, garantindo que a estimulação fosse entregue com precisão às áreas corticais alvo.

Figura 1: Registro de ponto de referência. Identificação de marcos anatômicos no crânio do participante usando o sistema de neuronavegação para permitir o registro espacial preciso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Estabelecimento do modelo de cabeça 3D

Um modelo de cabeça 3D individualizado do couro cabeludo do participante foi gerado com base no registro de neuronavegação e amostragem da superfície do couro cabeludo. O erro médio de registro durante o alinhamento dos pontos anatômicos e do formato da cabeça foi inferior a 1,5 mm, permitindo o posicionamento preciso da bobina durante toda a sessão de estimulação (Figura 2).

Figura 2: Construção do modelo de cabeça 3D. Visualização do modelo de cabeça 3D reconstruído com base no registro de neuronavegação e amostragem da superfície do couro cabeludo, permitindo o rastreamento preciso da bobina e o mapeamento cortical durante a estimulação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Identificando o hotspot motor

O hotspot motor foi funcionalmente identificado com base em MEPs evocados por TMS, estimulando o cérebro com TMS e registrando MEPs. O local que produziu a resposta mais forte foi definido como o hotspot motor (Figura 3).

Figura 3: Localização do hotspot motor. Exibição em tempo real do local de estimulação sobre o M1 contralateral ao músculo alvo correspondente ao hotspot motor para o APB alvo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Determinando o RMT

O TMR foi determinado usando TMS de pulso único. O TMR foi a menor intensidade de estimulação na qual foram observados PEMs com amplitudes pico a pico >50 μV em pelo menos 5 de 10 tentativas consecutivas, de acordo com a definição padrão do TMT28, garantindo que a estimulação TMS estivesse acima do limiar para ativação motora efetiva (Figura 4).

Figura 4: Determinação do TMR. Forma de onda MEP representativa registrada do APB alvo durante a avaliação RMT. Os números de 1 a 10 indicam 10 tentativas consecutivas de EMT de pulso único. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Medições de linha de base

Antes da eTBS, a excitabilidade corticoespinhal foi avaliada pela entrega de 20 estímulos TMS de pulso único a 120% RMT com intervalos de 5 s sobre o hotspot motor identificado (Figura 5).

Figura 5: MEPs de linha de base. Vinte MEPs representativos do APB alvo foram eliciados por TMS de pulso único a 120% RMT em condições relaxadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Indução de plasticidade semelhante à LTP

O protocolo iTBS foi entregue a 80% do TMR individual, usando rajadas de três pulsos a 50 Hz repetidos a 5 Hz (600 pulsos em 200 s). Os registros do modo estimulador confirmaram que todas as sessões forneceram a contagem de pulso planejada sem interrupção e a intensidade de saída permaneceu estável durante todo o tempo.

Quantificação de plasticidade semelhante a LTP

Após a aplicação do protocolo iTBS, as amplitudes de MEP foram registradas em vários pontos de tempo (por exemplo, 5 min, 10 min, 15 min e 30 min) para observar mudanças na excitabilidade cortical ao longo do tempo (Figura 6).

Figura 6: Deputados ao Parlamento Europeu pós-iTBS. Os MEPs representativos de um participante foram registrados a partir do APB alvo a 120% RMT em (A) 5 min, (B) 10 min, (C) 15 min e (D) 30 min após iTBS. Cada painel mostra 20 formas de onda, ilustrando a modulação dependente do tempo em amplitude. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Eurodeputados em bruto

Para quantificar as mudanças de excitabilidade, as amplitudes médias de MEP pico a pico foram calculadas no início e em cada ponto de tempo pós-estimulação (Figura 7).

Figura 7: Amplitudes médias do MEP. As amplitudes médias de MEP são registradas no início e em 5 min, 10 min, 15 min e 30 min após iTBS em um participante representativo. Cada ponto de dados representa a média de 20 estímulos TMS de pulso único, com barras de erro indicando o desvio padrão (DP). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

MEPs normalizados

As amplitudes de MEP em cada ponto de tempo pós-estimulação foram normalizadas para a linha de base. O aumento dependente do tempo e o subsequente declínio na amplitude do MEP refletem o perfil característico da plasticidade semelhante à LTP (Figura 8).

Figura 8: Amplitudes médias normalizadas do MEP. As amplitudes da PEmáx foram normalizadas para valores basais (relação pós/linha de base) em 5 min, 10 min, 15 min e 30 min após iTBS em um participante representativo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Um aumento notável na amplitude da PEmáx foi observado nos primeiros minutos após a estimulação, refletindo um aumento transitório na excitabilidade corticoespinhal. Esse aprimoramento diminui gradualmente ao longo do tempo. De acordo com os critérios de classificação predefinidos38 (valor de MEP normalizado >1,1 como facilitado, <0,9 como inibido e entre 0,9 e 1,1 como inalterado), o participante representativo foi classificado como facilitado, com o valor médio de MEP normalizado em todos os pontos de tempo pós-estimulação (5 min, 10 min, 15 min e 30 min) excedendo 1,1. Essa modulação dependente do tempo é comumente interpretada como uma manifestação da plasticidade semelhante à LTP.

Os autores não têm interesses financeiros concorrentes ou outros conflitos de interesse de acordo com este trabalho.