אפנון לא פולשני ומיפוי רובוטי של קליפת מנוע במוח המתפתח
1 ביולי 2019
אנו מדגימים פרוטוקולים עבור אפנון (tDCS, HD-tDCS) ומיפוי (רובוטית TMS) של קליפת המנוע אצל ילדים.
הפרוטוקול שלנו כרוך בשימוש ברובוט TMS בילדים הראשון בעולם כדי למפות את קליפת המוח המוטורית אצל ילדים בריאים וגם אצל ילדים שעברו פגיעות מוח מוקדמות כגון שבץ פרינטלי. פרוטוקול משלב הדמיית MRI עם neuronavigation, המאפשר לנו לרכוש מפות עם דיוק ודיוק מוגברים, להפחית את זמני המפגש מיפוי. זה עוזר לחסל טעות אנוש וזה מגביר את הבטיחות ואת הסובלנות עבור חולים צעירים.
מיפוי מוטורי עדיין לא משמש למטרות אבחון או פרוגנוסטיות, עם זאת, זוהי טכניקה חדשנית המודדת כיצד המוח משתנה וחווט מחדש לאחר נזק למוח התרחש או לאחר התערבות. ניתן להשתמש בטכניקות דומות עם יעדים שונים למיפוי אזור שפה. מיפוי שפה ומוטורי יכול להיות חשוב לתכנון טרום ניתוחי.
התחל על ידי שימוש בכרטיסיות בתוכנת neuronavigation כדי לשחזר את העור ואת המוח המלא curvilinear. בחר עור חדש, עור ועור מ לחשב. ודא שהאף והחלק העליון של הראש כלולים.
לאחר מכן, בחר עקמומיות מוח חדשה ומלאה. הקף את תיבת הבחירה הירוקה מחוץ למוח, אבל בתוך הגולגולת. בחר מ לחשב עקמומיות.
כוונן את עומק הקליפה ל-4.0 עד 6.0 מילימטרים. בחר קביעת תצורה של ציוני דרך. מניחים ארבעה ציוני דרך בקצה האף, ההנסות, ואת חריצים של שתי האוזניים של העור המשוחזר.
תן שם לציון הדרך המתאים לאנטומיה שלהם. בחר את לשונית היעד כדי להציג את המוח העקמומי. בחר רשת חדשה ומלבנית.
מניחים אחידים 12 על 12 רשתות קואורדינטות עם מרווח של שבעה מילימטרים על פני השטח של המוח המשוחזר על ידית היד של קליפת המוח המוטורית. לאחר מכן, השתמש בכלי מיקום היעד מימין כדי למטב את מיקום הרשת לסיבוב, הטיה ועקמומיות. המר את נקודות הרשת למסלולים שינחו את הרובוט למקם את סליל ה- TMS.
התאם את זווית המסלול כך שהם 45 מעלות לסקור האורך או למוח. השתמש בכלי הצמדה כדי לשער ולמטב את המסלולים למוח העקמומי. לבסוף, אתחל ומקם את הזרוע והמושב הרובוטיים של TMS כדי לקבל את המיקום ולכייל את חיישן לוחית הכוח באמצעות בדיקת ארבעה חיישנים.
התחל על ידי ליווי המשתתף לחדר הבדיקות ויש להם למלא שאלון בטיחות. לאחר מכן, יש להושיב את המשתתף בכיסא הרובוט ולהתאים את המשבשת האחורית ואת מנוחת הצוואר. ודא שרגלייםיהם נתמכות.
תמכו בזרועות ובידיים עם כריות במהלך מפגש המיפוי. לנקות את העור על שריר העניין. מניחים אלקטרודות משטח כלוריד כסף כסף על שתי הידיים ואמות של המשתתף מיקוד ארבעה שרירי האמה דיסטלי.
הבטן של הגב הראשון interosseous, חוטף pollicis brevis, חוטף דיגי minimi, ואת extensor פרק כף היד. חבר את המגבר למחשב איסוף נתונים עם תוכנת EMG תואמת. לאחר מכן, אלקטרודות פני השטח לאלקטרומיוגרפיה, או EMG, מגבר ומערכת איסוף נתונים, מוודאים שגם האלקטרודה הקרקעית מחוברת.
רשום במשותף את ארבעת ציוני הדרך בראש המשתתף באמצעות מצביעי ציון הדרך ולהשתמש בכרטיסיה אימות כדי להבטיח שהראש של המשתתפים רשום כראוי. לאחר מכן, בחר נקודת רשת הקרובה ביותר למ ידית היד של המשתתף. בחר את לחצן ישר ליעד כדי ליישר את סליל ה- TMS המוחזק על-ידי הרובוט למיקום יעד זה.
בחר איש קשר ב. נטר את איכות איש הקשר באמצעות מחוון כוח המגע וודא שהמיאינדיקטור ירוק או צהוב. הורה למשתתף לא לזוז מחוץ לטווח זרוע הרובוט.
ודא שרירי היד של המשתתף רגועים ולהישאר עדיין לפני המגע. בחר ישר ועקוב כדי שהסליל יישאר מרוכז ביעד אם המשתתף יזוז. השתמש בלחצן ההדק TMS במחשב TMS כדי לספק חמישה עד עשרה פולסים TMS בעוצמה שבין 40% ל-60% פלט ממריצים מרבי.
לבסוף, לקבוע את נקודת הרשת שנותנת את המנוע הגדול והעקבי ביותר עורר פוטנציאל עבור שריר FDI שמאלה או ימינה. לקבוע את סף המנוע במנוחה כעוצמה הנמוכה ביותר המייצרת MEP של לפחות 50 microvolts בשריר FDI בחמישה מתוך 10 גירוי. התחל באספקת ארבעה פולסים TMS עם פעימה אחת באינטרסטימולוס של שנייה אחת ועוצמה של 120%RMT בנקודת הרשת הקרובה לנקודה החמה.
לאחר מכן, חזור על הפעולה בנקודת הרשת הסמוכה. המשך ברצף בצורה ליניארית לאורך נקודות רספונסיביות עד להגלה לנקודה שאינה מגיבה, המציין את אזור הלוח הראשון של המפה. לאחר מכן, המשך במיפוי כדי לקבוע את נקודות הלוח בכל ארבעת הכיוונים של הרשת המלבנית.
הקלט את כל חברי ה- MEP מכל השרירים באמצעות תוכנת EMG לניתוח לא מקוון. לאחר שלוש עד ארבע נקודות רשת, בחר קשר כבוי ותן למשתתף הפסקה עד שהוא ירגיש מוכן להמשיך. לאחר מכן, השתמש בגרסת עותק קשיח של אותן רשתות כדי לעקוב אחר סדר הגירוי לניתוח נוסף.
מיפוי מלא באמצעות TMS רובוטי. לבסוף, השתמש בתסריט קידוד מותאם אישית כדי ליצור מפות מנוע תלת-ממדיות הזמינות על-ידי יצירת קשר עם המחבר. חשב אזור ונפח של מפת מנוע באמצעות אתרי מסלול רספונסיביים.
חשב את מרכז הכובד כממוצע משוקלל של הייצוגים המוטוריים של כל מיקום קואורדינטות. תוצאות אלה הצביעו על כך ש- tDCS ו- HD-tDCS שיפרו את קצב הלמידה במשך חמישה ימי אימון. קבוצות ההתערבות הפעילה היו שיפורים גדולים יותר בציון PPT הממוצע היומי של יד שמאל ביום הרביעי וחמש בהשוואה לזיוף.
מתודולוגיה זו שוכפלה ממחקר קודם וערכות הנתונים שולבו. נתוני השכפול הראו תוצאות דומות כך שהיתה עלייה משמעותית בקצב הלמידה שנצפה בקבוצת tDCS ו- HD-tDCS בהשוואה לקבוצה המזויפים. תכנון ההליך חשוב כמו ביצועו.
רשתות ומסלולים צריכים להיות מכוסים בזהירות על MRI. אם משתמשים בתבניות מוח, יש לקחת דגימות מרובות מראש המשתתפים. הליך זה יכול להסתיים לפני ולאחר התערבות כדי לענות על שינוי מפת המנוע וכתוצאה מכך.
ביצוע הערכה בעקבות הליך זה יכול להצביע על הקשר בין מידות מפה מוטורית לבין תוצאת פונקציה. באמצעות פרוטוקול זה, חוקרים יכולים ללמוד כיצד ליצור מפות מוטוריות במדויק, בזמן, כמו גם בבטחה אצל ילדים באמצעות TMS רובוטית. האתגר העיקרי כולל הנחיית הרובוט וישורו אופטימלי לאזורי היעד שלו.
המסלולים חייבים להיות קבועים מראש במדויק. תרגול יישור סליל עם שילובים מרובים של פרמטרי הטיה וסיבוב מסייע במיטוב עיצוב מסלול סליל. אף אחד מהמכשירים לא מסוכן.
חשוב להתבונן כל הזמן ברובוט בזמן שהוא נוגע בראשו של המשתתף מכיוון שהרובוט יגיב לכל תנועות הראש.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
מחקר זה מציג פרוטוקולים להסדרה ומיפוי של קליפת המוח המוטורית אצל ילדים באמצעות רובוט TMS פדיאטרי ראשון. הפרוטוקולים נועדו להעריך שינויים בתפקוד המוח בעקבות פציעות מוח מוקדמות, תוך שילוב הדמיית MRI לצורך ניווט נוירולוגי ומיפוי מדויקים.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי המוח
- נוירולוגיה פדיאטרית
- גירוי מגנטי טרנסגולגולתי (TMS)
רקע
- המחקר חוקר את קליפת המוח המוטורית אצל ילדים בריאים ואלו עם פציעות מוח קודמות.
- הדמיית MRI משולבת עם ניווט נוירולוגי כדי לשפר את הדיוק של מיפוי מוטורי.
- יישומים עכשוויים של מיפוי מוטורי מוגבלים למחקר, עדיין לא לאבחון.
- הטכנולוגיה משפרת את הבטיחות ומפחיתה את השגיאה האנושית במהלך הליכים.
מטרת המחקר
- להקים פרוטוקולים חזקים למיפוי מוטורי באמצעות TMS רובוטי.
- לחקור ארגון מחדש של המוח לאחר פגיעת מוח או התערבות.
- לייעל את הנהלים עבור משתתפים צעירים ליישום קל יותר.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- המחקר משתמש ב-TMS רובוטי עם ניווט נוירולוגי MRI משולב.
- המודל הביולוגי כולל ילדים בריאים ואלו עם פציעות מוח קודמות.
- הצעדים כוללים יצירת מפות אנטומיות, הנחת אלקטרודות ומסירת פולסים של TMS.
- השיטות מקדישות עדיפות לבטיחות עם בדיקות וכוונון יסודיים לפני ההליך.
- איסוף הנתונים נעשה באמצעות EMG לניתוח פוטנציאלים מוטוריים מעוררים.
תוצאות עיקריות
- מפות מוטוריות מדגימות שינויים משמעותיים בדפוסי פעילות המוח לאחר התערבות.
- tDCS ו-HD-tDCS מראים שיעורי למידה מוטוריים משופרים, במיוחד לאחר אימונים משמעותיים.
- התגובות מצביעות על מיפוי וטכניקות גירוי יעילים שמורידים את שיעורי השגיאה במערכת הרובוטית.
- ניתוחים השוואתיים של התגובות מדגישים שיפור בכישורים מוטוריים בקבוצות הטיפול.
מסקנות
- מחקר זה מאשר את היתכנות ה-TMS הרובוטי למיפוי מוטורי פדיאטרי.
- הוא משפר את הבנתנו של פלסטיות קליפת המוח המוטורית לאחר התערבויות מוחיות.
- התוצאות מצביעות על פוטנציאל ליישומים קליניים בתכנון טרום ניתוחי להפרעות נוירולוגיות.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Non-invasive brain stimulation and robotic mapping enable precise interrogation of motor cortex plasticity in pediatric populations, supporting target validation in neurodevelopmental disorders. This approach provides quantitative, reproducible neurophysiological readouts that can de-risk early-stage therapeutic hypotheses by linking intervention-induced neural changes to functional motor outcomes. The integration of robotic precision with MRI-guided targeting enhances data reliability for cross-functional discovery teams evaluating neuromodulation strategies in developing brains.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of motor cortex reorganization following early brain injury or intervention, supporting target engagement assessment in developmental neurology.
- Operational Value: Robotic TMS reduces inter-operator variability and increases mapping reproducibility, critical for longitudinal target validation studies.
- Predictive Value: Quantitative MEP amplitudes and 3D motor map metrics (area, volume, center of gravity) provide objective biomarkers for tracking neural plasticity over time.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Standardized 12x12 grid protocols with seven-millimeter spacing establish a scalable framework for consistent motor mapping across subjects and sessions.
- Quantitative Output: MEP amplitude measurements per grid point generate continuous, analyzable data streams suitable for dose-response modeling in neuromodulation screening.
- Platform Reuse: MRI-navigated robotic targeting allows reuse of individualized mapping templates for pre- and post-intervention comparisons in therapeutic studies.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Motor map changes following tDCS/HD-tDCS intervention demonstrate translational potential for assessing neuromodulatory effects in pediatric motor disorders.
- Mechanistic De-risking: Correlation between motor map metrics and functional outcomes (e.g., PPT scores) supports target confidence by linking physiological changes to behavioral improvements.
- Preclinical Continuity: Protocol supports longitudinal assessment from baseline through intervention, enabling evaluation of sustained target modulation in developmental models.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to preclinical workflows by providing a reproducible neurophysiological assay for tracking target engagement and circuit-level changes following neuromodulation or neurorestorative interventions in developing brains.
- Discovery Biology: Robotic TMS mapping supports hypothesis testing of motor cortex reorganization and pathway-specific plasticity after brain injury or therapeutic intervention.
- Screening: Standardized grid-based MEP collection enables assay readiness for evaluating neuromodulatory compounds or protocols in pediatric models.
- Analytics: Motor evoked potential amplitudes and 3D map derivations offer quantifiable, statistically tractable outputs for comparing intervention effects across conditions.
- Translational Research: Mapping pre- and post-intervention supports assessment of target modulation continuity, relevant for advancing candidates toward preclinical validation.
- Enterprise Reuse: MRI- and robot-guided workflows create a reusable, standardized platform for multi-site studies in pediatric neuromodulation research.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides mechanistic insight into motor cortex plasticity, reducing ambiguity in target validation for neurodevelopmental indications.
- Operational Value: Robotic guidance improves session efficiency, safety, and tolerability in pediatric populations, enabling higher-throughput mapping studies.
- Strategic Value: Objective neurophysiological endpoints support go/no-go decisions by linking target engagement to functional motor improvements.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromodulation strategies based on reproducible, quantifiable changes in motor map metrics.
Implementation Considerations
- Expertise in TMS safety protocols, pediatric neurophysiology, and EMG signal acquisition is required for accurate motor evoked potential detection.
- Instrumentation needs include a robotic TMS system, MRI-compatible neuronavigation, EMG amplifiers, and data acquisition systems capable of single-pulse MEP recording.
- Cross-team standardization requires shared protocols for grid placement, trajectory calibration, and MEP threshold determination (e.g., 50 µV in FDI muscle) to ensure data comparability.
- Adaptation across model systems depends on age-appropriate coil sizing, motor threshold adjustment, and electrode placement for distal forelimb muscles in developing anatomies.
- Practical limitations include the need for participant stillness during mapping and careful real-time monitoring of robot-participant interaction to maintain safety and data quality.
