Стандартизированная индукция и оценка долговременной потенциоподобной пластичности коры головного мозга с использованием транскраниальной магнитной стимуляции

В последние годы транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) стала неинвазивным, экономически эффективным и эффективным методом исследования и модуляции нейронной активности в мозге человека^. Среди различных парадигм стимуляции прерывистая тета-взрывная стимуляция (iTBS) привлекла значительное внимание благодаря своей способности индуцировать долгосрочную потенцирование (LTP) пластичности в моторной коре головного мозга^{человека2.} В частности, iTBS подает высокочастотные всплески с тета-интервалами, имитируя эндогенные паттерны тета-гамма-связи, связанные с синаптической^{пластичностью.} Он индуцирует LTP-подобную пластичность, активируя N-метил-D-аспартатные рецепторы (NMDARs⁾⁴, что снимает блокаду Mg²⁺ и позволяет Ca²⁺ проникать в постсинаптический нейрон⁵. Этот приток Ca²⁺ запускает нисходящие сигнальные каскады, включая активацию кальций/кальмодулин-стимулированной протеинкиназы II (CaMKII), которая способствует фосфорилированию⁶ и вставке рецепторов α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPAR), тем самым усиливая синаптическую передачу⁷. По сравнению с другими неинвазивными подходами, такими как повторная транскраниальная магнитная стимуляция (рТМС) или транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS), iTBS может индуцировать LTP-подобную пластичность коры головного мозга с более короткой продолжительностью стимуляции и более низкой интенсивностью, что делает его более хорошо переносимым вариантом у пациентов ^8,9,10. Чтобы оценить нейропластические эффекты, вызванные iTBS, исследователи обычно измеряют изменения амплитуд мотор-вызванного потенциала (MEP), зарегистрированных с помощью электромиографии (ЭМГ), которые отражают повышенную кортикоспинальную возбудимость. Исследования показали, что эти улучшения MEP могут сохраняться в течение 60 минут после стимуляции, что указывает на преходящую, но устойчивую модуляцию возбудимости коры головного мозга^10,12. Благодаря короткому времени введения и хорошо установленному профилю безопасности, iTBS особенно подходит для повторного применения как в экспериментальном, так и в клиническом контексте^. В частности, стандартный протокол iTBS (600 импульсов, 192 с), а также обычные протоколы rTMS с частотой 10 Гц (1,200-1,500 импульсов, 15-20 мин) надежно индуцируют сопоставимые LTP-подобные эффекты пластичности ^8,13. Таким образом, он все чаще используется для исследования синаптической пластичности у здоровых людей и пациентов, предоставляя ценную информацию о дефиците, связанном с пластичностью, при неврологических расстройствах, таких как болезнь Альцгеймера (БА), инсульт и депрессия.

Синаптическая пластичность, фундаментальный механизм нейронной пластичности, лежит в основе таких важнейших процессов, как обучение и память. Он отражает способность мозга изменять силу и эффективность синаптических связей в ответ на опыт или^{стимулы окружающей} среды. Среди различных форм синаптической пластичности, LTP является хорошо зарекомендовавшей себя моделью обучения и памяти за счет улучшения синаптической^{передачи}. Накапливающиеся данные указывают на то, что нарушения LTP-подобной пластичности тесно связаны с когнитивными и поведенческими дефицитами при неврологических расстройствах, таких как^{AD 16}. Эти нарушения могут отражать специфические для заболевания нарушения синаптической сигнализации и молекулярных путей, связанных с пластичностью, включая изменения в индукции, экспрессии или поддержании LTP¹⁷. Следовательно, понимание и количественная оценка синаптической пластичности имеет важное значение для продвижения терапевтических стратегий по восстановлению когнитивных функций, моторного контроля, сенсорной интеграции и эмоциональной регуляции, а также для содействия эффективной нейрореабилитации.

В то время как такие методы, как iTBS для индукции LTP-подобной пластичности и одноимпульсная TMS для оценки пластичности коры головного мозга, предлагают захватывающий потенциал, их применение требует строгого соблюдения стандартизированных протоколов для обеспечения точности и воспроизводимости. Несогласованные методы могут привести к вариативности, что может снизить надежность результатов. Кроме того, методологические несоответствия между исследованиями, включая различия в интенсивности стимуляции, позиционировании катушки и времени измерения результатов, ограничивают воспроизводимость результатов ТМС-индуцированной пластичности. На практике iTBS обычно вводят при 80% от порогового значения мотора в состоянии покоя (RMT)¹⁸, и надежная индукция пластичности, подобной LTP, в дальнейшем зависит от точного позиционирования катушки, чаще всего достигаемого с помощью нейронавигационного^{руководства19}. Соответственно, данная статья направлена на демонстрацию стандартизированного, управляемого нейронавигацией протокола для индуцирования LTP-подобной пластичности с помощью iTBS с последующей оценкой пластичности коры головного мозга с помощью одноимпульсной ТМС. Основное внимание в этой статье будет уделено основным техническим процедурам и операционным соображениям, необходимым для достижения точных и надежных измерений пластичности коры головного мозга.

Комитет по этике Первой аффилированной больницы при Нанкинском медицинском университете утвердил протоколы (номер 2023-SR-789), и протокол был зарегистрирован в Китайском реестре клинических испытаний (номер ChiCTR2400082549). Все процедуры проводились в соответствии с Хельсинкской декларацией. Письменное информированное согласие было получено до включения в исследование.

1. Процесс получения согласия

1. Перед любой оценкой объясните цель (цели) оценки, основные экспериментальные процедуры и любые потенциальные факторы риска, связанные с исследованием. Ответьте на любые вопросы или проблемы. Запрос на подтверждение процесса получения согласия и подпись на форме информированного согласия.
2. Несоответствие критериям безопасности TMS является основанием для исключения. Задайте следующие вопросы с задокументированными ответами. Ответ «да» на любой критерий является основанием для исключения:
   Есть ли у вас металлические имплантаты или устройства, несовместимые с ТМС (например, кардиостимуляторы, кохлеарные имплантаты, клипсы для аневризмы)?
   Есть ли у вас в анамнезе эпилепсия или судороги или семейный анамнез эпилепсии?
   Принимаете ли вы в настоящее время какие-либо лекарства, которые могут вызвать судороги?
   Есть ли у вас серьезные когнитивные или коммуникативные нарушения, которые могут помешать участию в исследовании?
   Есть ли у вас серьезные заболевания шейного отдела позвоночника (например, стеноз шейного отдела позвоночника или нестабильность позвоночника)?
   Есть ли у вас прямые травмы или дефекты черепа в области стимуляции?
   Если Вы женщина детородного возраста: Вы беременны или, возможно, беременны? При подозрении на беременность следует провести анализ крови или мочи на ХГЧ и исключить положительные случаи.

2. Подготовка модели головы с помощью нейронавигационной системы

1. Используйте нейронавигационную систему (версия 2.5.3.50294) на протяжении всего протокола, чтобы управлять позиционированием катушки, регистрировать анатомические ориентиры, калибровать катушку и поддерживать постоянное расположение катушки во время определения RMT и стимуляции iTBS.
2. Настройка нейронавигационной системы: Используйте систему для получения визуальной обратной связи в режиме реального времени о положении катушки ТМС и ее выравнивании относительно анатомических ориентиров, обеспечивая точное нацеливание во время функциональной идентификации моторной горячей точки в первичной моторной коре (М1), соответствующей контралатеральной целевой мышце²⁰.
3. Создание трехмерной (3D) модели головы: Создайте 3D-модель головы либо с использованием стандартных шаблонов мозга, предоставленных в программном обеспечении для нейронавигации, либо на основе индивидуальных магнитно-резонансных томографий (МРТ). Выбрав один из вариантов, индивидуальный режим МРТ или стандартный шаблонный режим, зарегистрируйте анатомические ориентиры в осевой, сагиттальной и корональной плоскостях. Выполните сегментацию поверхности скальпа для создания трехмерной модели головы.
4. Калибровка катушки
   1. После завершения регистрации модели головки выполните калибровку катушки, чтобы обеспечить точное отслеживание в режиме реального времени в нейронавигационной системе. Перейдите по настройкам TMS, нажмите « Выбор катушки> «Калибровать грани инструмента». Поместите катушку TMS, оснащенную отражающими маркерами, на специальный калибровочный блок. Совмещение реперных точек на физической катушке с соответствующими точками на калибровочном блоке под руководством программного обеспечения.
   2. После первоначальной калибровки следуйте инструкциям системы, чтобы расположить катушку над калибровочным блоком для подтверждения точности. Нажмите кнопку Калибровка, чтобы запустить автоматическую калибровку. Принимайте только калибровки с пространственной погрешностью менее 3 мм²¹. В противном случае выполните повторную калибровку. Убедитесь, что положение, ориентация и угол наклона катушки могут быть надежно отслежены на протяжении всего сеанса TMS²².

3. Идентификация точки доступа двигателя

1. Положение участника: Попросите участника сесть в удобное кресло с поддержкой спинки и рук, чтобы свести к минимуму движения головы и тела. Держите обе руки полностью расслабленными и неподвижными во время процедуры. Избегайте движений нецелевой руки, которые могут исказить измерения.
2. Настройка отслеживания головы: Прикрепите инфракрасные отражающие маркеры ко лбу, чтобы обеспечить отслеживание положения головы в режиме реального времени во время сеанса. Закрепите маркеры клейкими пластырями и убедитесь, что они распознаны нейронавигационной системой, обозначенной зелеными маркерами (нераспознанные маркеры отображаются красными).
3. Регистрация ориентира: С помощью отслеживаемого указателя последовательно отметьте три анатомических ориентира на коже головы: назион, левую надтрагическую выемку и правую надтрагическую выемку. Включите нейронавигационную систему для пространственной регистрации фактического положения головы с помощью 3D-модели головы²³.
4. Отбор проб формы головы: С помощью указателя соберите примерно от 200 до 300 дополнительных точек на коже головы для повышения точности регистрации²⁴. Позволить программному обеспечению автоматически подгонять индивидуализированную модель формы головы на основе этих точек для оптимизации выравнивания между изображениями МРТ и фактической системой координат²⁵.
5. Запись ЭМГ: Поместите записывающий электрод над животом целевой мышцы abductor pollicis brevis (APB), а электрод сравнения рядом с межфаланговым суставом большого пальца, примерно на расстоянии²⁶ см друг от друга. Записывайте MEP с частотой дискретизации 100 кГц с минимальным разрешением <0,2 μВ и диапазоном частотных характеристик 1-25 кГц, при этом импедансы электродов поддерживались ниже 5 кОм. Перед продолжением работы²⁷ убедитесь, что базовый сигнал ЭМГ показывает минимальный шум, стабильную форму сигнала и отсутствие явного дрейфа или электрических помех.
6. Определение точки перегрева двигателя
   1. Определите координаты M1 путем введения одноимпульсной TMS (катушка в форме восьмерки, 70 мм) примерно на 5 см латеральнее и на 0-1 см вперед относительно вершины²⁸, контралатерально к целевой мышце, чтобы получить максимальную амплитуду MEP, что способствует точной локализации моторной горячей точки. Держите руку полностью расслабленной, чтобы избежать произвольного сокращения мышц, которое может помешать измерениям MEP.
   2. Ориентируйте рукоятку катушки под углом 45° назад к средней линии, чтобы передать электромагнитный ток перпендикулярно центральной борозде²⁹. Систематически перемещайте катушку с шагом 1 см вокруг отмеченной области М1 во всех направлениях, включая переднюю, заднюю, медиальную и латеральную³⁰, с интервалом 5 с³¹. Определите точку перегрева двигателя как площадку, производящую наибольшую амплитуду MEP в расслабленном APB³².
7. Маркировка моторных горячих точек: Как только функционально определенная моторная горячая точка определена, немедленно отметьте ее в нейронавигационной системе. После маркировки система автоматически записывает ключевые пространственные параметры, включая расстояние между катушкой и целевой точкой, отклонение наклона и отклонение вращения. Используйте эти показатели для обеспечения точной и воспроизводимой установки катушки на протяжении всей процедуры стимуляции³³.

4. Определение RMT

1. Измерьте амплитуду от размаха до пика с использованием данных поверхностной ЭМГ для получения MEP, применяя ту же настройку и параметры ЭМГ, что описаны в шаге 3.5. Определите RMT как минимальную интенсивность стимула, которая вызывает MEP с амплитудами от размаха до пика более 50 μВ по крайней мере в пяти из десяти последовательных одноимпульсных испытаний TMS²⁸.

5. Оценка LTP-подобной пластичности

1. Исходные оценки: Записать 20 последовательных вызванных TMS MEP с интервалом 5 с в горячей точке двигателя. Установите интенсивность стимула MEP на 120% RMT, что вызывает MEP с напряжением примерно 1^мВ34.
2. Индукция пластичности, подобной LTP: Проводите стимуляцию с помощью устройства TMS (катушка в форме восьмерки, 70 мм). Нанесите iTBS на горячую точку двигателя с интенсивностью 80% RMT, чтобы вызвать пластичность, подобную LTP. Используйте протокол iTBS, состоящий из пакетов из трех стимулов с частотой 50 Гц, повторяющихся с частотой 5 Гц. Повторите последовательность этого импульсного стимула продолжительностью 2 с с последующим отдыхом в течение 8 секунд в общей сложности 200 с (600 импульсов)¹⁰.
3. Оценка пластичности: Запишите 20 MEP через 5 мин, 10 мин, 15 мин и 30 мин после вмешательства iTBS с использованием той же интенсивности стимуляции (120% RMT) для оценки пластичности³⁵.
4. Количественная оценка пластичности, подобная LTP: Рассчитайте среднюю амплитуду от пика до пика 20 MEP, зарегистрированных в каждой временной точке (исходный уровень, 5 мин, 10 мин, 15 мин и 30 мин после iTBS) для количественного отражения возбудимости коры головного мозга³⁶. Амплитуды MEP после стимуляции выражаются в виде нормализованного отношения относительно исходного уровня для стандартизации показателей возбудимости между сеансами и индивидуумами. Результатом являются исходная амплитуда MEP и нормализованная амплитуда MEP в конечной временной точке после iTBS, представляющие эффект лечения³⁷.
5. Рассчитайте нормированную амплитуду MEP в каждый момент времени следующим образом:
   
   Классификация лиц с большим средним нормализованным значением MEP >1,1 как облегченный, <0,9 как ингибированный и от 0,9 до 1,1 как неизменный после каждого условия iTBS³⁸.

Во время демонстрации использовалась нейронавигационная система для точного позиционирования катушки TMS над горячей точкой двигателя, обеспечивая пространственную обратную связь в режиме реального времени и сводя к минимуму вариативность размещения катушки. Аппарат ТМС (катушка в форме восьмерки, 70 мм) обеспечивал стимуляцию на протяжении всего сеанса. Чтобы проиллюстрировать эту процедуру, ниже представлены репрезентативные результаты одного участника. Зарегистрированные амплитуды MEP продемонстрировали стабильные и последовательные ответы в одиночных импульсных испытаниях, что отражает стабильность, обеспечиваемую размещением катушки под контролем нейронавигации. Зависящее от времени увеличение амплитуды MEP после iTBS указывает на пластичность, подобную LTP. Данные могут быть проанализированы путем сравнения исходных и постстимулирующих первичных амплитуд MEP и нормализованных амплитуд MEP, а также путем классификации отдельных реакций как облегчающие, ингибирующие или неизменные. В целом, эти репрезентативные результаты демонстрируют, что описанный протокол позволяет точно локализовать горячие точки двигателя, воспроизводимую стимуляцию и количественную оценку индуцированных стимуляцией пластических изменений, подобных LTP.

Настройка и локализация нейронавигационной системы

Процедура настройки и локализации нейронавигационной системы была выполнена для идентификации и регистрации отдельных анатомических ориентиров в осевой, сагиттальной и корональной плоскостях, включая назион, левую надтрагическую выемку и правую надтрагическую выемку. Эти ориентиры послужили реперными точками для последующего создания индивидуализированной 3D-модели головы, обеспечивая точную корегистрацию между анатомическими структурами и мишенями стимуляции (рис. 1). Пространственная регистрация инициализировалась идентификацией одних и тех же трех анатомических ориентиров на волосистой части головы. Система обеспечивала визуальную обратную связь в режиме реального времени о положении катушки и ее выравнивании относительно заранее определенных участков стимуляции в M1, контралатеральных к целевой мышце, гарантируя, что стимуляция точно доставляется в целевые области коры головного мозга.

Рисунок 1: Регистрация ориентира. Идентификация анатомических ориентиров на черепе участника с помощью нейронавигационной системы для обеспечения точной пространственной регистрации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Создание 3D модели головы

Индивидуализированная 3D-модель головы головы участника была создана на основе нейронавигационной регистрации и отбора проб поверхности скальпа. Средняя ошибка регистрации при выравнивании анатомических ориентиров и формы головы была ниже 1,5 мм, что позволяло точно разместить катушку на протяжении всего сеанса стимуляции (рис. 2).

Рисунок 2: Построение 3D модели головы. Визуализация реконструированной 3D-модели головы на основе нейронавигационной регистрации и отбора проб поверхности кожи головы, что позволяет точно отслеживать катушку и картировать кору головного мозга во время стимуляции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Идентификация точки перегрева двигателя

Моторная горячая точка была функционально идентифицирована на основе ТМС-вызванных МЭП путем стимуляции мозга с помощью ТМС и регистрации МЭП. Участок, вызывающий самую сильную реакцию, был определен как горячая точка двигателя (рис. 3).

Рисунок 3: Локализация горячей точки двигателя. Отображение в режиме реального времени места стимуляции над M1, контралатеральным к целевой мышце, соответствующей двигательной горячей точке для целевой APB. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Определение RMT

RMT определяли с помощью одноимпульсной TMS. RMT была самой низкой интенсивностью стимуляции, при которой MEP с амплит>удами от пика до пика наблюдались по крайней мере в 5 из 10 последовательных испытаний в соответствии со стандартным определением RMT28, гарантируя, что стимуляция TMS была выше порога для эффективной моторной активации (рис. 4).

Рисунок 4: Определение RMT. Репрезентативная форма сигнала MEP, записанная с целевого APB во время оценки RMT. Цифры от 1 до 10 обозначают 10 последовательных одноимпульсных исследований ТМС. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Базовые измерения

До iTBS кортикоспинальную возбудимость оценивали путем подачи 20 одноимпульсных стимулов ТМС при 120% RMT с интервалом 5 с над идентифицированной моторной горячей точкой (рис. 5).

Рисунок 5: Базовые показатели MEP. Двадцать репрезентативных МЭП из целевого APB были получены с помощью одноимпульсной ТМС при 120% RMT в ослабленных условиях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Индукция пластичности, подобной LTP

Протокол iTBS был реализован на 80% от индивидуального RMT с использованием пакетов из трех импульсов с частотой 50 Гц, повторяющихся с частотой 5 Гц (600 импульсов за 200 с). Журналы режимов стимулятора подтвердили, что все сеансы обеспечили запланированное количество импульсов без прерывания, а интенсивность выходного сигнала оставалась стабильной на протяжении всего сеанса.

LTP-подобное количественное определение пластичности

После применения протокола iTBS амплитуды MEP регистрировались в нескольких временных точках (например, 5 мин, 10 мин, 15 мин и 30 мин) для наблюдения за изменениями возбудимости коры головного мозга с течением времени (рис. 6).

Рисунок 6: Депутаты Европарламента после iTBS. Репрезентативные MEP от одного участника были зарегистрированы от целевого APB при 120% RMT в (A) 5 мин, (B) 10 мин, (C) 15 мин и (D) 30 мин после iTBS. На каждой панели отображаются 20 осциллограмм, иллюстрирующих амплитудно-зависимую от времени модуляцию. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Необработанные MEP

Для количественной оценки изменений возбудимости были рассчитаны средние амплитуды MEP от пика до пика на исходном уровне и в каждой временной точке после стимуляции (рис. 7).

Рисунок 7: Средние амплитуды MEP. Средние амплитуды MEP регистрируются на исходном уровне и через 5 мин, 10 мин, 15 мин и 30 мин после iTBS у репрезентативного участника. Каждая точка данных представляет собой среднее значение 20 одноимпульсных стимулов ТМС, где полосы погрешности указывают на стандартное отклонение (SD). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Нормализованные депутаты Европарламента

Амплитуды MEP в каждой временной точке после стимуляции были нормализованы к исходному уровню. Зависящее от времени увеличение и последующее снижение амплитуды MEP отражают характерный профиль LTP-подобной пластичности (рис. 8).

Рисунок 8: Нормализованные средние амплитуды MEP. Амплитуды MEP были нормализованы к исходным значениям (отношение пост/исходный уровень) через 5 мин, 10 мин, 15 мин и 30 мин после iTBS у репрезентативного участника. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Заметное увеличение амплитуды MEP наблюдалось в течение первых нескольких минут после стимуляции, что отражает преходящее повышение кортикоспинальной возбудимости. Это усиление постепенно уменьшается с течением времени. В соответствии с заранее определенным классификационным критерием38 (нормализованное значение MEP >1,1 как облегченное, <0,9 как ингибированное и от 0,9 до 1,1 как неизменное) репрезентативный участник был классифицирован как облегченный, при этом среднее нормализованное значение MEP во всех временных точках после стимуляции (5 мин, 10 мин, 15 мин и 30 мин) превышало 1,1. Эта нестационарная модуляция обычно интерпретируется как проявление пластичности, подобной LTP.

Авторы не имеют конкурирующих финансовых интересов или других конфликтов интересов в связи с этой работой.