我们演示了在儿童中对运动皮层进行调控（经颅直流电刺激、高分辨率经颅直流电刺激）和定位（机器人经颅磁刺激）的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
使用经颅磁刺激（TMS）对运动皮层进行定位，有望用于研究运动皮层的生理功能和可塑性，但在儿童中应用时面临独特的挑战。类似地，经颅直流电刺激（tDCS）可改善成人的运动学习能力，但直到最近才开始应用于儿童。tDCS及其新兴技术如高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）在发育中的大脑中应用时，需要特别的方法学考量。机器人辅助的TMS运动定位技术可能在定位过程中提供独特优势，尤其是在发育中的大脑中。本文旨在提供一种实用且标准化的操作流程，整合两种方法，以同时探索儿童运动皮层的调节效应和运动图谱。首先，我们描述了一种机器人辅助TMS运动定位的实验方案。基于个体化磁共振成像（MRI）导航的12×12网格，以运动皮层为中心，引导机器人进行单脉冲TMS刺激。每个网格点的平均运动诱发电位（MEP）幅值用于生成个体手部肌肉的三维运动图谱，输出指标包括图谱面积、体积和重心位置。同时提供了评估两种方法安全性和耐受性的工具。其次，我们描述了tDCS和HD-tDCS在调节运动皮层及运动学习中的应用。文中还介绍了一种实验性训练范式及示例结果。这些方法将推动非侵入性脑刺激技术在儿童中的应用。
引言
非侵入性脑刺激既可用于测量，也可用于调节人类大脑功能1,2。最常见的靶区是运动皮层，部分原因在于其具有即时且可测量的生物学输出（运动诱发电位），同时也因为导致运动系统功能障碍和残疾的神经系统疾病十分常见。这一巨大的全球疾病负担中，有相当高比例的疾病影响儿童，例如脑性瘫痪，这是全球约1700万人终身残疾的首要原因3。尽管该领域具有重要的临床意义，且神经刺激技术的能力日益多样化并持续提升，但在发育中的大脑中的应用仍处于初步探索阶段4。为了推动非侵入性脑刺激在发育中大脑中的应用，亟需加强对现有及新兴方法在儿童群体中的特征化研究。
经颅磁刺激（TMS）是一种成熟的神经生理学工具，因其在成人中具有无创、无痛、耐受性好和安全性高的特点而被日益广泛应用。TMS在儿童中的应用经验相对有限，但正在稳步增加。TMS通过传递磁场诱导大脑皮层神经元群体的局部激活，其净输出表现为靶肌肉的运动诱发电位（MEP）。系统性地应用单脉冲TMS可在活体中绘制出运动皮层的功能图谱。早期的动物研究5以及新兴的人类TMS研究6表明，运动图谱有助于揭示皮层神经可塑性的机制。导航式运动图谱是一种TMS技术，用于绘制人....
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方案
本方案中描述的所有方法均已获得卡尔加里大学联合健康研究伦理委员会（Conjoint Health Research Ethics Board, University of Calgary，批准编号：REB16-2474）的批准。该方案详见图1。
1. 无创脑刺激的禁忌证
- 在招募前，对所有参与者进行经颅磁刺激（TMS）15 和经颅直流电刺激（tDCS）1 的禁忌证筛查。
2. 经颅磁刺激运动定位映射
- 为导航经颅磁刺激（TMS）准备 MRI
- 获取每位参与者的结构 MRI（T1）。若无法获取 MRI，可使用蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute）的模板 MRI。
- 将 MRI 文件以 DICOM 或 NIFTI 格式导入神经导航软件（参见材料表）。
- TMS 目标轨迹设定
- 使用标签页在神经导航软件中重建皮肤和全脑曲面。
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结果
采用本文所述方法，我们完成了一项随机、假刺激对照的干预试验8。招募了24名右利手、年龄在12至18岁之间、且对两种类型的非侵入性脑刺激均无禁忌症的儿童。本研究特别排除了正在使用神经精神类药物或此前接触过经颅直流电刺激（tDCS）的受试者。试验中无脱落病例。
通过机器人控制的经颅磁刺激（TMS）运动图谱获取基线运动图谱，并作为监测运动学习联合无创脑刺激后神经可塑性及皮层兴奋性变化的潜在机制。根据上述方法，所有受试者共接受三次机器人控制的TMS运动图谱检测：1）无创脑刺激（假刺激、经颅直流电刺激[tDCS]或高分辨率经颅直流电刺激[HD-tDCS]）前的基线期；2）第5天（干预后）；3）6周随访期（保持期）。所有受试者均接受双侧半球运动图谱检测（由于时间限制，3名受试者仅接受右侧半球运动图谱检测）。单侧运动图谱平均完成时间为18分钟，双侧半球图谱平均为36分钟。计算并比较个体及组水平的运动图谱面积、体积、热点.......
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讨论
经颅磁刺激（TMS）也已在临床儿科人群中开展研究，包括围产期卒中22和脑性瘫痪患者。在脑性瘫痪儿童中已成功构建TMS运动图谱，以探索干预性可塑性的机制。采用既定方案8，已在正常发育儿童中成功采集TMS运动图谱，目前正在进行的一项多中心临床试验（NCT03216837）也正在针对围产期卒中和偏瘫型脑性瘫痪儿童采集此类数据。描述TMS运动图谱绘制方法将有助于在健康儿童及运动障碍儿童中重复应用并进一步推广相关方案。
与手动技术相比，机器人运动映射可提高经颅磁刺激（TMS）线圈定位的准确性，并减少人为误差23,24。对于头部运动较多且对长时间刺激耐受性较低的儿童人群而言，该技术更具优势12。尽管已有在成人中使用TMS机器人进行运动映射的报道，但本课题组是首个将该技术应用于儿童人群的研究团队。若将基于统计加权和插值的新运动映射方法
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致谢
本研究由加拿大卫生研究院资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1x1 SMARTscan 刺激器 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/tdcs/device | |
| 4x1 HD-tDCS 适配器 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4x1 | |
| Brainsight 神经导航系统 | Roge Resolution | https://www.rogue-resolutions.com/catalogue/neuro-navigation/brainsight-tms-navigation/ | |
| 碳橡胶电极 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/carbon-ruber-electrode | |
| EASYpad 电极 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easypad | |
| EASYstraps 固定带 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easystrap | |
| EMG 放大器 | Bortec Biomedical | http://www.bortec.ca/pages/amt_16.htm | |
| HD1 电极支架 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd1-holder | 用于高分辨率经颅电刺激（HD-tES）的标准底座 HD 电极支架 |
| HD 电极 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-electrode | 烧结环形 HD 电极 |
| HD 凝胶 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-gel | 用于高分辨率经颅电刺激（HD-tES）的 HD 凝胶 |
| Micro 1401 数据采集系统 | Cambridge Electronics http://ced.co.uk/products/mic3in | ||
| 普渡 pegboard 测试装置 | Lafayette Instrument Company | ||
| 生理盐水溶液 | Baxter | http://www.baxter.ca/en/products-expertise/iv-solutions-premixed-drugs/products/iv-solutions.page | |
| Soterix Medical HD 帽式电极系统 | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-cap | |
| TMS 机器人 | Axilium Robotics | http://www.axilumrobotics.com/en/ | |
| TMS 刺激器与线圈 | Magstim Inc | https://www.magstim.com/neuromodulation/ |
参考文献
- Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1031-1048 (2016).
- Nitsche, M. A., et al.
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