Name: Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-01T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 26 s
Description: Erfahren Sie die robotergestützte TMS-Kartierung des motorischen Kortex bei Kindern mit MRT-Neuronavigation. Diese Methode ermöglicht präzise Hirnfunktionsanalysen nach frühen Hirnverletzungen und verbessert Sicherheit sowie Toleranz bei jungen Patienten.

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Diese Studie wurde von den Canadian Institutes of Health Research unterstützt.

Alle in diesem Protokoll beschriebenen Methoden wurden von der Conjoint Health Research Ethics Board, University of Calgary (REB16-2474) zugelassen. Das Protokoll wird in Abbildung 1beschrieben.
1. Nichtinvasive Hirnstimulationskontraindikationen
<ol><li>Prüfen Sie alle Teilnehmer vor der Einstellung auf Kontraindikationen für TMS15 und tDCS 1.</li>
</ol>2. Transkranielle magnetische Stimulation Motor Mapping
<ol><li>Vorbereiten der MRT für navigiertes TMS
	<ol>
<li>Erhalten Sie die strukturelle MRT (T1) jedes Teilnehmers. Wenn eine MRT nicht erhältlich ist, verwenden Sie eine Schablone MRT von Montreal Neurological Institute.</li>
		<li>Importieren Sie die MRT-Datei im DICOM- oder NIFTI-Format in die Neuronavigationssoftware (siehe Materialtabelle).</li>
	</ol></li>
	<li>TMS-Zielbahnen
	<ol>
<li>Verwenden Sie die Neuronavigations-Software, um Skin und Full Brain Curvilinear mithilfe der Registerkarten zu rekonstruieren.</li>
		<li>Wählen Sie Neue, Skinund Compute Skin. Stellen Sie sicher, dass die Nase und die Oberseite des Kopfes enthalten sind.</li>
		<li>Wählen Sie Neuund Vollhirncurvilinear. Schließen Sie die grüne Auswahlbox außerhalb des Gehirns, aber innerhalb des Schädels ein. Wählen Sie Curvilinear berechnenaus. Stellen Sie die Schalentiefe auf 4,0-6,0 mm ein.</li>
		<li>Wählen Sie Wahrzeichen konfigurierenaus. Platzieren Sie vier Sehenswürdigkeiten an der Nasenspitze, Nasion und die Kerben beider Ohren der rekonstruierten Haut. Benennen Sie die Sehenswürdigkeiten, die ihrer Anatomie entsprechen.</li>
		<li>Wählen Sie die Registerkarte Ziele aus, um das kurvenlineare Gehirn anzuzeigen. Wählen Sie Neuesund Rechteckiges Rasterrasteraus. Legen Sie gleichmäßige 12 x 12 Koordinatengitter mit 7 mm Abstand auf die Oberfläche des rekonstruierten Gehirns über den "Handknopf" des Motorkortex (präzentraler Gyrus)17.</li>
		<li>Verwenden Sie das Zielpositionierungswerkzeug auf der rechten Seite, um die Rasterpositionierung für Drehung, Neigung und Krümmung zu optimieren. Konvertieren Sie die Gitterpunkte in Flugbahnen, die den Roboter zur Positionierung der TMS-Spule führen. Stellen Sie den Winkel der Flugbahnen so ein, dass sie 45° bis zur Längsspalte des Gehirns sind.</li>
		<li>Verwenden Sie das SNAP-Tool, um die Trajektorien auf das kurvenlineare Gehirn zu extrapolieren und zu optimieren.</li>
		<li>Initialisieren und positionieren Sie den TMS Roboterarm und -sitz in willkommene Position und kalibrieren Sie den Kraftplattensensor mit dem Force Sensor Test.</li>
	</ol></li>
	<li>Vorbereitung des Teilnehmers auf die Motorkartierung
	<ol>
<li>Lassen Sie die Teilnehmer einen Sicherheitsfragebogenausfüllen 18.</li>
		<li>Sobald die Teilnehmer bequem im Roboterstuhl sitzen, stellen Sie die Rückenlehne und Nackenstütze ein. Stellen Sie sicher, dass ihre Füße unterstützt werden. Unterstützen Sie ihre Arme und Hände mit Kissen, um sicherzustellen, dass ihre Hände für die Dauer der Mapping-Sitzung in einer Ruheposition sind. HINWEIS: Kinder und Jugendliche benötigen während der gesamten Sitzung Erinnerungen, um ihre Hände entspannt zu halten.</li>
		<li>Reinigen Sie die Haut über dem Muskel von Interesse. Platzieren Ag/AgCl Oberflächenelektroden auf beiden Händen und Unterarmen des Teilnehmers, die auf vier distale Vorderbeine, 1) den Bauch des ersten dorsalen Interosses (FDI), 2) Entführer pollicis brevis (APB), 3) Entführer digiti minimi (ADM) und 4) das Handgelenk Extensor (extensor carpi ulnaris).</li>
		<li>Verbinden Sie die Oberflächenelektroden mit Elektromyographie (EMG) Verstärker und Datenerfassungssystem und verbinden Sie den Verstärker mit einer kompatiblen EMG-Software an einen Datenerfassungscomputer.</li>
		<li>Registrieren Sie die vier Sehenswürdigkeiten auf dem Kopf des Teilnehmers mit dem Richtungszeiger. Verwenden Sie die Registerkarte Validierung, um sicherzustellen, dass der Kopf des Teilnehmers ordnungsgemäß registriert ist.</li>
	</ol></li>
	<li>Bestimmen der TMS-Intensität der Motorzuordnung
	<ol>
<li>Wählen Sie einen Rasterpunkt aus, der dem "Handknob" des Teilnehmers am nächsten liegt. Wählen Sie die Schaltfläche An Ziel ausrichten aus, um die TMS-Spule, die der Roboter hält, an dieser Zielposition auszurichten. Wählen Sie Kontakt unteraus. Überwachen Sie die Kontaktqualität mit der Kontaktkraftanzeige. Stellen Sie sicher, dass der Indikator grün oder gelb ist. HINWEIS: Die rote Farbe auf der Kontaktanzeige bedeutet, dass der Kopf des Teilnehmers zu stark ist. Keine Farbe bedeutet, dass die TMS-Spule nicht in Kontakt mit dem Kopf des Teilnehmers ist. Passen Sie in diesen Fällen die Kraftplattenempfindlichkeit an.</li>
		<li>Weisen Sie den Teilnehmer an, sich nicht außerhalb des Bereichs des Roboterarms zu bewegen. Stellen Sie sicher, dass die Handmuskeln des Teilnehmers entspannt sind und vor dem Kontakt noch bleiben.</li>
		<li>Wählen Sie Ausrichten und Folgen aus, damit die Spule auf dem Ziel zentriert bleibt, wenn sich der Teilnehmer bewegt.</li>
		<li>Verwenden Sie die TMS-Triggertaste am TMS-Gerät, um 5-10 TMS-Impulse mit einer Intensität zwischen 40-60% maximalem Stimulatorausgang (MSO) zu liefern. Wiederholen Sie diesen Schritt auf 5-6 Gitterpunkte, die den "Handknob" umgeben.</li>
		<li>Bestimmen Sie den Rasterpunkt, der das größte und konsistenteste (Hotspot) evozierte Potenzial (MEP) für den linken oder rechten FDI-Muskel bietet.</li>
		<li>Bestimmen Sie den Resting Motor Threshold (RMT) als die niedrigste Intensität, die in 5/10 Stimulationen einen MEP von mindestens 50 V im FDI-Muskel erzeugt.</li>
	</ol></li>
	<li>Motormapping
	<ol>
<li>Ausgehend vom Gitterpunkt, der dem Hotspot am nächsten liegt, liefern Sie vier Einpuls-TMS-Impulse (1 Hz) bei einem Interstimulus von 1 s und eine TMS-Intensität von 120% RMT. Ein reaktionsfähiger Gitterpunkt wird von 2/4 MdEP >50 V in einer der Handmuskeln bestimmt.</li>
		<li>Wechseln Sie zum angrenzenden Rasterpunkt, und wiederholen Sie den obigen Schritt.</li>
		<li>Fahren Sie linear entlang reaktionsfähiger Punkte fort, bis ein nicht reagierender Punkt erreicht ist, der der erste Grenzbereich der Karte ist.</li>
		<li>Fahren Sie mit der Zuordnung fort, um die Rahmenpunkte in allen vier Richtungen des rechteckigen Rasters festzulegen.</li>
		<li>Zeichnen Sie alle Abgeordneten aller Muskeln auf, indem Sie die EMG-Software für die Offline-Analyse verwenden.</li>
		<li>Wählen Sie nach 3-4 Startpunkten Kontakt aus und gönnen Sie dem Teilnehmer eine Pause, bis er sich bereit fühlt, weiterzumachen.</li>
		<li>Checken Sie während der gesamten Mapping-Sitzung kontinuierlich mit dem Teilnehmer ein, um sicherzustellen, dass er bequem ist und/oder eine Pause braucht.</li>
		<li>Verwenden Sie eine Gedruckte Version derselben Raster, um die Simulationsreihenfolge für die weitere Analyse zu ändern.</li>
		<li>Vollständige Zuordnung mit einem Roboter-TMS, wie hier beschrieben oder manuell (nicht in diesem Manuskript beschrieben). Wenn Sie einen TMS-Roboter verwenden, wird er zum vom Experimentator ausgewählten Rasterpunkt verschoben. Der Roboter wird für Kinderkopfbewegung in nahezu Echtzeit unterbringen. Dadurch werden zusätzliche Bewegungen verringert, die mit einem Techniker verbunden sind, der die Spule manuell auf dem Kopf des Teilnehmers hält. HINWEIS: Wenn Sie mit einem TMS-Roboter kartieren, stellen Sie sicher, dass sich während der Sitzung jederzeit ein Experimentator neben dem Roboter befindet. Wenn der Roboter auf den Kopf eines Teilnehmers gelegt wird und sich der Teilnehmer plötzlich bewegt, wird der Roboter versuchen, seinem Kopf zu folgen. Wenn sich der Teilnehmer bewegen, niesen, kratzen oder eine Aktivität mit der Bewegung seines Kopfes ausführen muss, muss der Roboterarm bewegt werden, um zu verhindern, dass der Kopf des Teilnehmers auf den Arm oder die TMS-Spule des Roboters trifft.</li>
	</ol></li>
	<li>Motorkartenerstellung
	<ol>
<li>Generieren Sie mit einem benutzerdefinierten Codierungsskript dreidimensionale Motorkarten (Abbildung 2). Wenden Sie sich an die Autoren für das Skript.</li>
		<li>Berechnen Sie Motorkartenfläche und -volumen mithilfe von Reaktionsbahnstandorten. Berechnen Sie den Schwerpunkt (COG) als gewichteten Mittelwert der Motordarstellungen jeder Koordinatenposition. HINWEIS: Die Kartenfläche wird als Rasterabstand (7 mm)2 multipliziert mit der Gesamtzahl der reaktionsfähigen Standorte berechnet. Das Kartenvolumen wird als kumulative Summe des Rasterabstands multipliziert mit der mittleren MEP-Amplitude an jedem responsiven Standort berechnet. Eine benutzerfreundliche Version des Skripts wird entwickelt, um sie als Open Source mit der Öffentlichkeit zu teilen. Wenden Sie sich unterdessen an den entsprechenden Autor, um Zugriff auf das Skript zu erhalten.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Konventionelle tDCS- und HD-tDCS-Anwendung
<ol><li>Randomisieren Sie die Teilnehmer in eine von drei Interventionsgruppen (Schein, konventionelle sTvS, HD-tDCS).</li>
	<li>Lassen Sie den Teilnehmer den Purdue Pegboard Test (PPT) dreimal mit der linken Hand (nicht dominant) abschließen und damit die Basispunktzahl festlegen.</li>
	<li>Prüfen Sie die Elektrodenqualität, um die Integrität der tDCS-Schwammeinsätze und Gummielektroden zu bestätigen.</li>
	<li>Schalten Sie das herkömmliche tDCS-Gerät ein, indem Sie den Netzschalter auf ONumschalten. HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass das niedrige Batterielicht nicht beleuchtet ist. Wenn es beleuchtet ist, wechseln Sie die Batterien, bevor Sie die Sitzung starten.<ol>
<li>Für Teilnehmer, die konventionelle oder Schein-tDCS erhalten, leicht einweichen zwei 25 cm2 Schwammelektroden mit Salzlinie. Stellen Sie sicher, dass die gesamte Elektrode abgedeckt ist, aber nicht tropft. Setzen Sie die Gummielektrode in die salzgetränkten Schwammelektroden ein und schließen Sie jede Elektrode an das tDCS-Gerät an.</li>
	</ol></li>
	<li>Suchen Sie den markierten Hotspot (rechts M1) mit der Neuronavigation und markieren Sie ihn mit einem ungiftigen Marker. Markieren Sie am Ende jeder tDCS-, HD-tDCS- oder Scheinsitzung den Hotspot erneut, damit er am nächsten Tag sichtbar ist.<ol>
<li>Wenn Sie nach dem konventionellen tDCS oder sham tDCS randomisiert sind, legen Sie eine 25 cm2 salinegetränkte Schwammelektrode über den markierten Hotspot des Teilnehmers (Rechts M1), der als Anode dient. Legen Sie die andere 25 cm2 salinegetränkte Schwammelektrode auf den kontralateralen supraorbitalen Bereich, der die Kathode darstellt. Verwenden Sie ein leichtes pädiatrisches "Kopfband" aus Kunststoff, um Elektroden an Ort und Stelle zu halten. HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass keine Saline von der Elektrode tropft, da sie den Strom shunten kann.</li>
		<li>In der Schein- und konventionellen tDCS-Gruppe sorgen Sie für eine "optimale" Kontaktqualität. Wenn die Kontaktqualität "suboptimal" ist, injizieren Sie eine kleine Menge Salzlösung unter die Schwammelektroden oder stellen Sie sicher, dass sich ein minimales Haar zwischen Kopfhaut und Elektrode befindet. HINWEIS: Die "optimale" Kontaktqualität wird erreicht, wenn mehr als die Hälfte der Qualität der Kontaktanzeigeleuchteten eingeschaltet ist. Wenn weniger als die Hälfte der Kontaktanzeigeleuchteten eingeschaltet sind, ist die Kontaktqualität suboptimal. Starten Sie die Stimulation nicht, wenn nur eine von zwei der Kontrollleuchten eingeschaltet ist.</li>
		<li>In der HD-tDCS-Gruppe finden Sie unter Villamar, M.F., et al.16 für die entsprechende Einrichtung.</li>
		<li>Stellen Sie in der HD-tDCS-Gruppe das Gerät auf die Scan-Einstellung ein, um die Impedanz an jeder Elektrode zu überprüfen. Stellen Sie sicher, dass die Impedanz unter 1 "Qualitätseinheit" und zuvor beschrieben19,20ist. Wenn die Kontaktqualität schlecht ist, entfernen Sie die Elektrode und überprüfen Sie, ob kein Haar den Kontakt der Elektrode behindert, und dass eine kontinuierliche Säule von Elektrodengel zwischen Kopfhaut und Elektrode vorhanden ist. Wenden Sie bei Bedarf mehr Elektrodengel auf.</li>
	</ol></li>
	<li>Stellen Sie das gerät tDCS und HD-tDCS auf die Anodenmontageeinstellung, 1 mA Stromstärke und 20 min Dauer ein.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer bequem sitzt und die möglichen Empfindungen verstehen, die er erleben kann (z. B. juckende oder prickelnde Empfindungen). Erinnern Sie den Teilnehmer daran, zu kommunizieren, wenn er Einbeschwerden verspürt oder Fragen hat.<ol>
<li>Stellen Sie in den herkömmlichen tDCS- und HD-tDCS-Gruppen sicher, dass der Umschalter auf Aktiveingestellt ist. HINWEIS: Für die Scheingruppe sollte der Umschalter auf "Schein"gesetzt werden. Diese Einstellung sollte dem Teilnehmer verborgen bleiben.</li>
		<li>Drücken Sie die Starttaste des Geräts, um die Stimulation zu starten. Stellen Sie sicher, dass die Dauer auf 20 min und die Intensität auf 1 mA eingestellt ist. HINWEIS: In den herkömmlichen tDCS- und HD-tDCS-Gruppen wird der Strom über 30 s bis 1 mA hochfahren und 20 min andauern. In der Schein-tDCS-Gruppe wird der Strom über 30 s auf 1 mA hochgefahren und sofort über 30 s heruntergefahren.</li>
	</ol></li>
	<li>Nach 5 min, 10 min, 15 min und 20 min, lassen Sie den Teilnehmer die PPT dreimal mit ihrer linken Hand abschließen.</li>
	<li>Nach 20 min schalten Sie das Gerät aus, nachdem die Intensität auf 0 mA heruntergefahren ist. HINWEIS: Für Teilnehmer, die entweder herkömmliche sDCS oder HD-tDCS erhalten, wird die Maschine automatisch auf 0 mA bei 20 min hochgefahren. Für Teilnehmer, die Schein-tDCS erhalten, wird die Maschine automatisch über 30 s bis 1 mA hochfahren und sofort auf 0 mA über 30 s bei 20 min.</li>
	<li>Entfernen Sie die Elektroden vom Kopf des Teilnehmers.</li>
	<li>Für Schein- und konventionelle tDCS-Gruppen entfernen Sie schwarze Elektroden aus dem Inneren der Schwämme und spülen Sie die Schwammelektrode mit normalem Leitungswasser ab.<ol>
<li>Nehmen Sie in der HD-tDCS-Gruppe die Kunststoff-Elektrodenhalterplatte ab und entfernen Sie die Elektroden. Entfernen Sie die Elektrodenkappe vom Kopf der Teilnehmer. Spülen Sie jedes Gel im Elektrodenhalter aus. Reinigen Sie die Elektrode mit einem leicht feuchten Papiertuch. Wischen Sie die Elektrode mit einem trockenen Papiertuch ab, um das verbleibende Gel zu entfernen.</li>
	</ol></li>
	<li>Lassen Sie alle Teilnehmer nach jeder Stimulationssitzung den Transkraniellen Gleichstromstimulations-Seite-Effekt und den Verträglichkeitsfragebogen ausfüllen.</li>
	<li>Lassen Sie die Teilnehmer die PPT dreimal mit ihrer linken Hand abschließen.<ol>
<li>Lassen Sie die Teilnehmer am nächsten Tag und für weitere vier aufeinanderfolgende Tage (insgesamt fünf Tage) zur nicht-invasiven Hirnstimulation (Schein, tDCS oder HD-tDCS) gepaart mit motorischem Lernen (PPT) zurückkehren. Wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.13 an Tag 2-4. Haben die Teilnehmer an Tag 5 mit nicht-invasiver Hirnstimulation beginnen (Schein, tDCS oder HD-tDCS) (Schritte 3.2-3.13 werden wiederholt). Nach einer Pause (45 min-1,5 h seit Der Stimulation) starten Sie die Robotik TMS Motor Mapping (Schritte 2.3-2.5.8). HINWEIS: Alle Teilnehmer erhielten die gleiche Anzahl von Minuten für Pausen zwischen den Bewertungen.</li>
		<li>Laden Sie die Teilnehmer nach 6 Wochen ein, das PPT ohne nicht-invasive Hirnstimulation zurückzugeben und durchzuführen (Schritt 3.2 gefolgt von Robotik TMS Motor Mapping (Schritt 2.5.8)).</li>
	</ol></li>
</ol>

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<li>Grau, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conscious+brain-to-brain+communication+in+humans+using+non-invasive+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+One%22%5BJournal%5D)">Conscious brain-to-brain communication in humans using non-invasive technologies.</a> PloS One. 9 (8), e105225(2014).</li>
<li>Julkunen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methods+for+estimating+cortical+motor+representation+size+and+location+in+navigated+transcranial+magnetic+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Methods for estimating cortical motor representation size and location in navigated transcranial magnetic stimulation.</a> Journal of Neuroscience Methods. 232, 125-133 (2014).</li>
<li>van de Ruit, M., Perenboom, M. J., Grey, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TMS+brain+mapping+in+less+than+two+minutes%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Stimulation%22%5BJournal%5D)">TMS brain mapping in less than two minutes.</a> Brain Stimulation. 8 (2), 231-239 (2015).</li>
<li>Dundas, J. E., Thickbroom, G. W., Mastaglia, F. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perception+of+comfort+during+transcranial+DC+stimulation%3A+effect+of+NaCl+solution+concentration+applied+to+sponge+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Perception of comfort during transcranial DC stimulation: effect of NaCl solution concentration applied to sponge electrodes.</a> Clinical Neurophysiology. 118 (5), 1166-1170 (2007).</li>
<li>Alam, M., Truong, D. Q., Khadka, N., Bikson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+and+polarity+precision+of+concentric+high-definition+transcranial+direct+current+stimulation+%28HD-tDCS%29%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Spatial and polarity precision of concentric high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS).</a> Physics in Medicine and Biology. 61 (12), 4506-4521 (2016).</li>
</ol>

Die Autoren haben keine Angaben.

TMS wurde auch in klinischen pädiatrischen Populationen erforscht, einschließlich perinataler Schlaganfall22 und Zerebralparese, wo TMS Motorkarten erfolgreich bei Kindern mit zerebraler Lähmung erstellt wurden, um Mechanismen der interventionellen Plastizität zu erforschen. Mit Hilfe eines etablierten Protokolls8wurden TMS-Motorkarten erfolgreich bei typischerweise entwickelnden Kindern gesammelt und werden derzeit in einer laufenden multizentrischen klinischen Studie für ...

Nicht-invasive Hirnstimulation kann sowohl die menschliche Gehirnfunktion messen als auch modulieren1,2. Das häufigste Ziel war der motorische Kortex, was zum Teil auf eine sofortige und messbare biologische Leistung (motorisch evozierte Potenziale) zurückzuführen ist, aber auch auf die hohe Prävalenz neurologischer Erkrankungen, die zu Funktionsstörungen und Behinderungen des Motorsystems führen. Diese große globale Krankheitslast umfasst einen hohen Anteil von Erkrankungen, von denen Kinder betroffen sind, wie z. B. zerebrale Lähmung, die Hauptursache für lebenslange Behinderungen, von denen weltweit etwa 17 Millionen Menschen betroffensind 3. Trotz dieser klinischen Relevanz und der vielfältigen und zunehmenden Kapazitäten von Neurostimulationstechnologien beginnen Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn erst zu definieren4. Eine verbesserte Charakterisierung bestehender und neu auftretender nicht-invasiver Hirnstimulationsmethoden bei Kindern ist erforderlich, um Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn voranzubringen.
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein etabliertes neurophysiologisches Werkzeug, das zunehmend für sein nicht-invasives, schmerzloses, gut verträgliches und Sicherheitsprofil bei Erwachsenen eingesetzt wird. Die TMS-Erfahrung bei Kindern ist relativ begrenzt, nimmt aber stetig zu. TMS liefert Magnetfelder, um die regionale Aktivierung kortikaler neuronaler Populationen im Gehirn mit Nettoausgängen zu in Zielmuskelmotor evozierten Potentialen (MEP) zu induzieren. Die systematische Anwendung von Single-Pulse TMS kann Karten des Motorkortex in vivo definieren. Seminale Tierstudien5 und neu entstehende humane TMS-Studien6 haben gezeigt, wie motorische Karten helfen können, Mechanismen der kortikalen Neuroplastizität zu informieren. Navid Motor Mapping ist eine TMS-Technik, die verwendet wird, um den menschlichen Motorkortex zu kartieren, um funktionelle kortikale Regionen abzuhören. Änderungen in der Motorkarte wurden mit plastischen Veränderungen des menschlichen Motorsystems in Verbindung gebracht7. Jüngste Fortschritte in der Robotik-TMS-Technologie haben neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz und Genauigkeit von Motormappings gebracht. Unsere Gruppe hat vor kurzem gezeigt, dass Robotik TMS Motor Mapping ist machbar, effizient und gut verträglich bei Kindern8.
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine Form der nicht-invasiven Hirnstimulation, die die kortikale Erregbarkeit verschieben und menschliches Verhalten modulieren kann. Es gab eine Vielzahl von Studien, die die Wirkung von tDCS bei Erwachsenen untersuchten (>10.000 Probanden), aber weniger als 2% der Studien haben sich auf das sich entwickelnde Gehirn konzentriert9. Die Übersetzung von Erwachsenennachweisen in pädiatrische Anwendungen ist komplex, und aufgrund komplexer Unterschiede bei Kindern sind modifizierte Protokolle erforderlich. Zum Beispiel haben wir und andere gezeigt, dass Kinder größere und stärkere elektrische Felder im Vergleich zu Erwachsenen10,11erleben. Die Standardisierung von tDCS-Methoden in untergeordneten Kindern ist wichtig, um eine sichere und konsistente Anwendung zu gewährleisten, die Replikation zu verbessern und das Feld voranzubringen. Die Erfahrungen mit der motorischen Lernmodulation tDCS bei Kindern sind begrenzt, nehmen aber um12zu. Translationale Anwendungen von tDCS auf spezifische zerebrale Lähmungspopulationen bewegen sich in Richtung klinischer Spätphasenstudien13. Die Bemühungen um eine fokalere Stimulation durch High-Definition tDCS (HD-tDCS) wurden erst zum ersten Mal bei Kindern14untersucht. Wir haben gezeigt, dass HD-tDCS ähnliche Verbesserungen im motorischen Lernen hervorbringt wie herkömmliche tDCS bei gesunden Kindern14. Die Beschreibung von HD-tDCS-Methoden ermöglicht die Replikation und weitere Anwendungen solcher Protokolle bei untergeordneten Daten.

<table><tbody><tr><td>1x1 SMARTscan Stimulator</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td></td><td></td>https://soterixmedical.com/research/1x1/tdcs/device</tr><tr><td>4x1 HD-tDCS Adapter</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td></td><td></td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4x1</tr><tr><td>Brainsight Neuronavigation</td><td>Roge Resolution</td><td>https://www.rogue-resolutions.com/catalogue/neuro-navigation/brainsight-tms-navigation/</td><td></td></tr> <tr><td>Elektrode aus Kohlenstoffkautschuk</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td></td><td></td>https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/carbon-ruber-electrode</tr><tr><td>EASYpad Elektrode</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td></td><td></td>https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easypad</tr><tr><td>EASYstraps</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td></td><td></td>https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easystrap</tr><tr><td>EMG-Verstärker</td><td>Bortec Biomedical</td><td>http://www.bortec.ca/pages/amt_16.htm</td><td></td></tr><tr><td>HD1 Elektrodenhalter</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd1-holder</td><td>Standard Base HD-Elektrodenhalter für High Definition tES (HD-tES)</td></tr><tr><td>HD-Elektrode</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-electrode</td><td>Sinterring HD-Elektrode.</td></tr><tr><td>HD-Gel</td><td>Soterix Medizin Inc.</td><td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-gel</td><td>HD-GEL für High Definition tES (HD-tES)</td></tr><tr><td>Micro 1401 Datenerfassungssystem</td><td>Cambridge Electronics http://ced.co.uk/products/mic3in</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Purdue Pegboard</td><td>Lafayette Instrument Company</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kochsalzlösung</td><td>Baxter</td><td></td><td></td>http://www.baxter.ca/en/products-expertise/iv-solutions-premixed-drugs/products/iv-solutions.page</tr><tr><td>Soterix Medical HD-Cap</td><td>Soterix Medical Inc.</td><td></td><td></td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-cap</tr><tr><td>TMS Roboter</td><td>Axilium Robotics</td><td>http://www.axilumrobotics.com/en/</td><td></td></tr> <tr><td>TMS Stimulator und Spule</td><td>Magstim Inc</td><td>https://www.magstim.com/neuromodulation/</td><td></td></tr></tbody></table>

nicht-invasive modulation und robotik-mapping von motor cortex im sich entwickelnden gehirn

Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain

Die Kartierung des motorischen Kortex mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) hat das Potenzial, die Physiologie und Plastizität des Motorkortex zu hinterfragt, birgt aber einzigartige Herausforderungen bei Kindern. In ähnlicher Weise kann die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) das motorische Lernen bei Erwachsenen verbessern, wurde aber erst vor kurzem auf Kinder angewendet. Der Einsatz von tDCS und neu entstehenden Techniken wie High-Definition tDCS (HD-tDCS) erfordern besondere methodische Überlegungen im sich entwickelnden Gehirn. Die Robotik-TMS-Motorkartierung kann einzigartige Vorteile für die Kartierung bieten, insbesondere im sich entwickelnden Gehirn. Hier wollen wir einen praktischen, standardisierten Ansatz für zwei integrierte Methoden bieten, die in der Lage sind, gleichzeitig motorische Kortexmodulation und Motorkarten bei Kindern zu erforschen. Zunächst beschreiben wir ein Protokoll für die Robotik-TMS-Motorzuordnung. Individualisierte, MRT-navigierte 12x12-Gitter, die auf dem Motorkortex zentriert sind, führen einen Roboter zur Verwaltung von Einpuls-TMS. Mittlere motorisch evozierte Potential (MEP) Amplituden pro Rasterpunkt werden verwendet, um 3D-Motorkarten einzelner Handmuskeln mit Ergebnissen wie Kartenbereich, Volumen und Schwerpunkt zu generieren. Werkzeuge zur Messung der Sicherheit und Verträglichkeit beider Methoden sind ebenfalls enthalten. Zweitens beschreiben wir die Anwendung von tDCS und HD-tDCS, um den Motorkortex und das Motorlernen zu modulieren. Ein experimentelles Trainingsparadigma und Beispielergebnisse werden beschrieben. Diese Methoden werden die Anwendung der nicht-invasiven Hirnstimulation bei Kindern voranbringen.

Mit den hier vorgestellten Methoden haben wir eine randomisierte, scheingesteuerte Interventionelle Studie8abgeschlossen. Rechtshänder (n = 24, 12-18 Jahre) ohne Kontraindikationen für beide Arten der nichtinvasiven Hirnstimulation wurden rekrutiert. Die Teilnehmer wurden in dieser Studie ausdrücklich ausgeschlossen, wenn auf neuropsychotrope Medikamente oder wenn sie nicht naiv zu tDCS waren. Es gab keine Aussteiger.
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Wir demonstrieren Protokolle für die Modulation (tDCS, HD-tDCS) und Mapping (Robotik TMS) des Motorkortex bei Kindern.

Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries ...

Unser Protokoll beinhaltet den Einsatz des ersten pädiatrischen TMS-Roboters der Welt, um den motorischen Kortex bei gesunden Kindern und auch bei Kindern mit frühen Hirnverletzungen wie einem perinatalen Schlaganfall zu kartieren. Protokoll integriert MRT-Bildgebung mit Neuronavigation, die es uns ermöglicht, Karten mit erhöhter Genauigkeit und Präzision zu erfassen, um Die Zeit für Die Kartensitzungen zu reduzieren. Es hilft, menschliches Versagen zu beseitigen und erhöht die Sicherheit und Verträglichkeit für junge Patienten.Motor Mapping wird noch nicht für diagnostische oder prognostische Zwecke verwendet, jedoch ist es eine neuartige Technik, die misst, wie sich das Gehirn verändert und neu verdrahtet, nachdem entweder eine Schädigung des Gehirns aufgetreten ist oder nach einem Eingriff. Ähnliche Techniken mit unterschiedlichen Zielen können für die Sprachbereichszuordnung verwendet werden. Sprach- und Motorkartierung kann für die vorchirurgische Planung wichtig sein.Beginnen Sie mit den Registerkarten in der Neuronavigations-Software, um Haut und volle Gehirnkurolinear zu rekonstruieren. Wählen Sie neue Skin und Computer aus. Stellen Sie sicher, dass die Nase und die Oberseite des Kopfes enthalten sind.Wählen Sie dann neue und vollständige Gehirncurvilinear. Schließen Sie die grüne Auswahlbox außerhalb des Gehirns, aber innerhalb des Schädels. Wählen Sie compute curvilinear aus.Stellen Sie die Schalentiefe auf 4,0 bis 6,0 Millimeter ein. Wählen Sie Wahrzeichen konfigurieren aus. Legen Sie vier Markierungen an der Nasenspitze, Nasion, und die Kerben der beiden Ohren der rekonstruierten Haut.Benennen Sie die Sehenswürdigkeiten, die ihrer Anatomie entsprechen. Wählen Sie die Registerkarte des Ziels aus, um das kurvenlineare Gehirn anzuzeigen. Wählen Sie neues und rechteckiges Raster aus.Legen Sie gleichmäßige 12 mal 12 Koordinatengitter mit sieben Millimeter Abstand auf die Oberfläche des rekonstruierten Gehirns über den Handknopf des Motorkortex. Verwenden Sie als Nächstes das Zielpositionierungswerkzeug auf der rechten Seite, um die Rasterpositionierung für Drehung, Neigung und Krümmung zu optimieren. Konvertieren Sie die Rasterpunkte in Flugbahnen, die den Roboter zur Positionierung der TMS-Spule führen.Passen Sie den Winkel der Flugbahn so an, dass sie 45 Grad bis zur Längsspalte oder dem Gehirn betragen. Verwenden Sie das Snap-Tool, um die Flugbahnen zum kurvenlinearen Gehirn zu extrapolieren und zu optimieren. Initialisieren und positionieren Sie schließlich den TMS Roboterarm und -sitz, um die Position zu begrüßen und den Kraftplattensensor mit vier Sensortests zu kalibrieren.Beginnen Sie damit, den Teilnehmer in den Testraum zu begleiten und ihn einen Sicherheitsfragebogen ausfüllen zu lassen. Setzen Sie dann den Teilnehmer in den Roboterstuhl und stellen Sie die Rückenlehne und Nackenstütze ein. Stellen Sie sicher, dass ihre Füße unterstützt werden.Unterstützen Sie die Arme und Hände mit Kissen während der Mapping-Sitzung. Reinigen Sie die Haut über dem Muskel von Interesse. Legen Sie Silbersilberchlorid-Oberflächenelektroden auf beiden Händen und Unterarmen des Teilnehmers, die auf vier distale Vorderbeine abzielen.Der Bauch des ersten dorsalen Interosseous, Entführer pollicis brevis, Entführer digiti minimi, und das Handgelenk Extensor. Schließen Sie den Verstärker mit einer kompatiblen EMG-Software an einen Datenerfassungscomputer an. Als nächstes werden Oberflächenelektroden zur Elektromyographie oder EMG, Verstärker und ein Datenerfassungssystem, sichergestellt, dass auch die Bodenelektrode angeschlossen ist.Registrieren Sie die vier Sehenswürdigkeiten auf dem Kopf des Teilnehmers mit den Markierungszeigern und verwenden Sie die Validierungsregisterkarte, um sicherzustellen, dass der Teilnehmerkopf ordnungsgemäß registriert ist. Wählen Sie dann einen Rasterpunkt aus, der dem Handknopf des Teilnehmers am nächsten liegt. Wählen Sie die Schaltfläche Ausrichtung auf Ziel aus, um die TMS-Spule, die der Roboter hält, an dieser Zielposition auszurichten.Wählen Sie Kontakt ein. Überwachen Sie die Kontaktqualität mit der Kontaktkraftanzeige und stellen Sie sicher, dass die Anzeige grün oder gelb ist. Weisen Sie den Teilnehmer an, sich nicht außerhalb des Bereichs des Roboterarms zu bewegen.Stellen Sie sicher, dass die Handmuskeln des Teilnehmers entspannt sind und vor dem Kontakt noch bleiben. Wählen Sie Ausrichten und folgen, damit die Spule auf dem Ziel zentriert bleibt, wenn sich der Teilnehmer bewegt. Verwenden Sie die TMS-Triggertaste am TMS-Gerät, um fünf bis zehn TMS-Impulse mit einer Intensität zwischen 40 und 60 % maximaler Stimulator-Ausgabe zu liefern.Bestimmen Sie schließlich den Rasterpunkt, der das größte und konsistenteste motorisch evozierte Potenzial für den linken oder rechten FDI-Muskel ergibt. Bestimmen Sie die Ruhemotorschwelle als die niedrigste Intensität, die erzeugt wird, und MEP von mindestens 50 Mikrovolt im DL-Muskel in fünf von 10 Stimulationen. Beginnen Sie mit der Bereitstellung von vier Einpuls-TMS-Impulsen bei einem Interstimulus von einer Sekunde und einer Intensität von 120% RMT am Gitterpunkt, der sich dem Hotspot nähert.Wiederholen Sie dies dann am angrenzenden Rasterpunkt. Fahren Sie linear entlang reaktionsfähiger Punkte fort, bis ein nicht reagierender Punkt erreicht ist, der den ersten Boarderbereich der Karte bezeichnet. Fahren Sie dann mit der Zuordnung fort, um die Boarderpunkte in allen vier Richtungen des rechteckigen Rasters festzulegen.Zeichnen Sie alle Abgeordneten aller Muskeln auf, indem Sie die EMG-Software für die Offline-Analyse verwenden. Nach drei bis vier Startpunkten wählen Sie Kontakt aus und gönnen Sie dem Teilnehmer eine Pause, bis er sich bereit fühlt, weiterzumachen. Verwenden Sie als Nächstes eine Gedruckte Version derselben Raster, um die Stimulationsreihenfolge für die weitere Analyse zu verfolgen.Vollständige Zuordnung mit einem Roboter-TMS. Verwenden Sie schließlich ein maßgeschneidertes Codierungsskript, um 3D-Motorkarten zu generieren, die verfügbar sind, indem Sie den Autor kontaktieren. Berechnen Sie Motorkartenfläche und -volumen mithilfe von Reaktionsbahnstandorten.Berechnen Sie den Schwerpunkt als gewichteten Mittelwert der Motordarstellungen jeder Koordinatenposition. Diese Ergebnisse zeigten, dass tDCS und HD-tDCS die Lernrate über fünf Tage der Ausbildung verbesserten. Die aktiven Interventionsgruppen hatten größere Verbesserungen im täglichen durchschnittlichen linken PPT-Score an Tag vier und fünf im Vergleich zum Schein.Diese Methode wurde aus einer früheren Studie repliziert, und die Datensätze wurden kombiniert. Die Replikationsdaten zeigten ähnliche Ergebnisse, so dass die In-CsS- und HD-tDCS-Gruppe beobachtete Lernrate im Vergleich zur Scheingruppe signifikant zunahm. Die Planung des Verfahrens ist genauso wichtig wie die Durchführung.Gitter und Flugbahnen sollten sorgfältig auf einem MRT überlagert werden. Bei Verwendung von Gehirnvorlagen sollten dem Teilnehmer mehrere Proben entnommen werden. Dieses Verfahren kann vor und nach der Intervention abgeschlossen werden, um die daraus resultierende nazur Änderung der Motorkarte zu beantworten.Die Durchführung einer Bewertung nach diesem Verfahren kann die Beziehung zwischen Motorzuordnungskennzahlen und Funktionsergebnissen anzeigen. Mithilfe dieses Protokolls können Forscher lernen, wie sie Motorkarten präzise, zeitnah und sicher bei Kindern mithilfe von Roboter-TMS generieren können. Zu den größten Herausforderungen gehört es, den Roboter zu führen und optimal in seine Zielbereiche auszurichten.Die Flugbahnen müssen genau vorbestimmt sein. Das Üben der Spulenausrichtung mit mehreren Kombinationen von Neigungs- und Rotationsparametern hilft bei der Optimierung des Spulenverlaufs. Keines der Instrumente ist gefährlich.Es ist wichtig, den Roboter ständig zu beobachten, während er den Kopf des Teilnehmers berührt, da der Roboter auf Kopfbewegungen reagiert.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowissenschaften

Quelle: Curado, M. et. al., Nicht-invasive elektrische Hirnstimulationsmontagen zur Modulation der menschlichen Motorik. J. Vis. Exp. (2016)Dieses Video zeigt den Aufbau und den Mechanismus der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) zur Modulation der menschlichen Motorik. Indem die Anode über dem primären motorischen Kortex und die Kathode über dem kontralateralen supraorbitalen Bereich platziert wird, erhöht die gezielte elektrische Stimulation die kortikale Erregbarkeit, erhöht die...

Nicht-invasive elektrische Hirnstimulation zur Modulation der Aktivität der menschlichen Motoneuronen

Die Überwachung der Gehirnaktivität während aufrechter motorischer Aufgaben ist von großem Wert, wenn es darum geht, die neuronale Ursache von Bewegungsstörungen zu untersuchen. Hier demonstrieren wir ein Protokoll, das funktionelle Nahinfrarotspektroskopie mit einer kontinuierlichen Überwachung der Muskel- und kinematischen Aktivität bei 4 Arten von motorischen Aufgaben kombiniert.

Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns kann kortikalen Funktion und Verhalten, sowohl für die Forschung und klinische Zwecke modulieren. Dieses Protokoll beschreibt verschiedene Hirnstimulation Ansätze zur Modulation der menschlichen motorischen Systems.

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns Montagen für die Modulation der Menschen Motor Function

Wir beschreiben ein experimentelles Verfahren um Erregbarkeit und Hemmung der primären motorischen Kortex während eine motorische Reaktion Hemmung Aufgabe mithilfe Transcranial magnetische Anregung im Laufe einer Stop-Signal Aufgabe zu quantifizieren.

Online-transkranielle Magnetstimulation Protokoll zur Messung der kortikalen Physiologie Reaktion Hemmung zugeordnet

Dieser Artikel bietet einen Überblick über ein multimodales Gehirn-Mapping-Programm, das entwickelt wurde, um Regionen des Gehirns zu identifizieren, die kritische kognitive Funktionen bei einzelnen neurochirurgischen Patienten unterstützen.

Translational Brain Mapping am University of Rochester Medical Center: Erhaltung des Geistes durch personalisierte Brain Mapping

Dieser Artikel beschreibt neue Ansätze zur Messung und Stärkung funktional spezifischer neuronaler Bahnen mit transkranieller magnetischer Stimulation. Diese fortschrittlichen nichtinvasiven Methoden zur Hirnstimulation können neue Möglichkeiten für das Verständnis von Beziehungen zwischen Gehirn und Verhalten und die Entwicklung neuer Therapien zur Behandlung von Hirnerkrankungen bieten.

Messung und Manipulation funktionell spezifischer neuronaler Bahnen im menschlichen Motorsystem mit transkranieller Magnetstimulation

Die navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation ist ein hocheffizientes, nicht-invasives Werkzeug zur Kartierung sprachbezogener kortikaler Areale. Es hilft bei der Planung von Gehirnoperationen und beschleunigt die direkte kortikale Stimulation, die während der Operation durchgeführt wird. Dieser Bericht beschreibt, wie man ein sprachkortikales Mapping für die präoperative Evaluation und Forschung zuverlässig durchführt.

Studiendesign für navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation zur sprachkortikalen Kartierung

Ein neuartiges Protokoll für die personalisierte transkranielle Magnetstimulation in Kombination mit der Elektroenzephalographie (TMS-EEG) Kartierung kortikaler Netzwerke, das auf mehreren Datenmodalitäten der Magnetresonanztomographie (MRT) basiert.

Neuroimaging-gesteuertes TMS-EEG für die Echtzeit-Kartierung kortikaler Netzwerke

Dieses Protokoll bietet eine präzisere und effektivere Methode zur wiederholten transkraniellen Magnetstimulation der dorsolateralen und dorsomedialen präfrontalen Kortex während einer experimentellen Aufgabe unter Verwendung von Neuronavigation und robotischen Systemen. Basierend auf den Ergebnissen werden entscheidende Implikationen für zukünftige Online-Stimulationsforschung vorgeschlagen.

Online-repetitive transkranielle magnetische Stimulation des dorsomedialen und dorsolateralen präfrontalen Cortex in der kognitiven Entscheidungsfindung sowie kognitive Dissonanz

Hier beschreiben wir ein standardisiertes Protokoll für die motorische Kartierung mit nTMS in Kombination mit der Diffusions-Tensorbildgebung (DTI)-basierter Rekonstruktion des kortikospinalen Trakts (CST). Das Protokoll ist reproduzierbar, klinisch machbar und leicht in routinemäßige klinische Arbeitsabläufe integriert und bietet einen robusten und wertvollen Rahmen für die Bewertung der motorischen Bahnen, die Forschung zur Neuroplastizität und die Rehabilitationsplanung.

Ein standardisiertes Protokoll für funktionelle motorische Kartierung unter Verwendung navigierter transkranialer magnetischer Stimulation

Erfahren Sie die robotergestützte TMS-Kartierung des motorischen Kortex bei Kindern mit MRT-Neuronavigation. Diese Methode ermöglicht präzise Hirnfunktionsanalysen nach frühen Hirnverletzungen und verbessert Sicherheit sowie Toleranz bei jungen Patienten.

Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn

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