Stimolazione temporale guidata da risonanza magnetica del nucleo fastigiale cerebelletare nei pazienti con ictus per l'equilibrio

Summary

Questo protocollo descrive un approccio standardizzato di stimolazione temporale guidata da risonanza magnetica per interferenza, progettato per colpire selettivamente il nucleo fastigiale cerebellare nei pazienti con ictus. Consentendo una neuromodulazione cerebrale profonda anatomicamente precisa e riproducibile, questo metodo mira a migliorare il controllo posturale e il recupero dell'equilibrio.

Abstract

I deficit motori e dell'equilibrio degli arti inferiori sono disfunzioni comuni dopo un ictus. Sebbene la stimolazione cerebrale non invasiva abbia mostrato potenzialità come complemento alla neuroriabilitazione, rimane limitata a regioni corticali superficiali, invece che a bersagli cerebrali profondi come il nucleo fastigiale cerebeloso, che contribuisce al controllo della postura e alla coordinazione motoria. La stimolazione temporale rappresenta una strategia emergente per la stimolazione cerebrale non invasiva per colpire strutture neurali profonde. Fornisce due campi elettrici ad alta frequenza con frequenze portanti leggermente diverse attraverso il cuoio capelluto. Modelli computazionali e primi studi sperimentali suggeriscono che la stimolazione da interferenza temporale possa modulare preferenzialmente i bersagli profondi riducendo la stimolazione dei tessuti superficiali. In questo studio, introduciamo un protocollo standardizzato guidato da immagini per la stimolazione temporale del nucleo cerebelletario fastigiale nei pazienti con ictus. Il protocollo combina immagini a risonanza magnetica strutturale ad alta risoluzione, modellazione individualizzata del campo elettrico e ottimizzazione computazionale per progettare montaggi di elettrodi specifici per soggetto focalizzati sul nucleo fastigiale cerebeloso. Questo protocollo fornisce un quadro riproducibile per lo studio della neuromodulazione cerebrale profonda e può supportare futuri studi meccanicistici e riabilitativi sulla disfunzione motoria e dell'equilibrio post-ictus.

Introduction

I deficit motori e dell'equilibrio degli arti inferiori sono tra le disfunzioni più comuni dopo l'ictus. Questi deficit restano sfide importanti per la riabilitazione clinica. Nonostante i progressi nelle strategie di riabilitazione convenzionali, il recupero del controllo posturale e dell'andatura è spesso incompleto. La stimolazione cerebrale non invasiva (NIBS) è quindi stata studiata come un approccio promettente al recupero dall'ictus. Studi clinici, inclusi studi controllati randomizzati, suggeriscono che tecniche come la stimolazione magnetica transcranica ripetitiva (rTMS) possono migliorare i punteggi di Fugl-Meyer degli arti inferiori e la bilancia nei pazienti con ictus cronico modulando le reti neurali coinvolte nel controllo^{motorio 1,2,3}.

Il cervelletto è centrale per il controllo e l'equilibrio posturale, con il nucleo fastigiale (FN) che funge da nucleo critico di uscita profonda. La FN riceve input sensoriali dal sistema vestibolare e dal midollo spinale, regolando l'attività muscolare del tronco e dell'arto prossimale attraverso le vie vestibolospinali e reticolospinali⁴. Attraverso queste connessioni, la FN contribuisce alla stabilità del corpo sia durante stati statici che dinamici come la camminata. I risultati preclinici in modelli animali hanno dimostrato che la stimolazione diretta della FN può favorire il recupero neurologico, ridurre la lesione cerebrale ischemica e sostenere la neuroplasticità 5,6,7,8. Questi risultati supportano la FN come bersaglio biologicamente rilevante, ma non ne attestano l'efficacia negli esseri umani. Tuttavia, questo approccio è invasivo e richiederebbe interventi chirurgici negli esseri umani, con potenziali rischi che includono emorragia, infezione e complicazioni legate all'hardware.

I metodi tradizionali NIBS, come la stimolazione a corrente continua transcranica (tDCS) e la rTMS, modulano principalmente le regioni corticali superficiali e forniscono una selettività spaziale limitata per targes cerebellari^{profondi 7}. La stimolazione temporale (TI) è stata proposta come alternativa non invasiva per modulare queste strutture^{più profonde 9}. Introdotto dal gruppo di Grossman, questo approccio applica più correnti di kilohertz attraverso il cuoio capelluto per generare un campo elettrico modulato in ampiezza nel^{cervello 9,10}. Fondamentalemente, questa modulazione non è limitata alle regioni profonde ma è distribuita in tutta la testa, con la sua magnitudine che varia a seconda della configurazione degli elettrodi e dell'anatomia^{individuale 9,11}. Studi computazionali e studi iniziali sull'uomo suggeriscono che la modulazione del picco può essere spostata verso strutture più profonde in modo più efficace rispetto alla stimolazione transcranica^{convenzionale 10,12}. Mentre i primi modelli murini suggerivano un'attivazione neuronale diretta^{nell'ippocampo 9}. Studi successivi hanno ulteriormente supportato il potenziale della stimolazione TI di modulare la funzione motoria^umana 13,14,15. Il principio di base di questa tecnica è illustrato nella Figura 1. Tuttavia, i meccanismi sottostanti precisi, il grado di selettività raggiungibile e l'efficacia clinica definitiva della stimolazione temporale rimangono oggetto di indagine attiva. Gli studi sull'uomo hanno sempre più esteso questi risultati anche a contesti clinici. In particolare, la stimolazione TI ha dimostrato il potenziale di migliorare la memoria mirando all'ippocampo negli anziani sani e nei pazienti con disturbi^{cognitivi 10}. Nella disfunzione motoria, è stato inoltre segnalato che modula lo striato e migliora l'apprendimento motorio e la^{coordinazione 16}. Sebbene questi risultati siano incoraggianti, i meccanismi sottostanti, il grado di selettività e l'efficacia clinica a lungo termine della stimolazione TI rimangono poco chiari.

Sebbene la stimolazione TI offra un approccio basato sulla modellazione per bersagli profondi, rimangono diverse sfide chiave per l'applicazione umana. In questo protocollo, la variabilità anatomica individuale viene affrontata utilizzando una risonanza magnetica strutturale ad alta risoluzione per costruire modelli di testa specifici per soggetti. La collocazione degli elettrodi è ottimizzata tramite modellazione computazionale del campo per migliorare il targeting del nucleo profondo cerebelletare limitando l'esposizione superficiale. La sicurezza viene affrontata tramite stimolazioni standardizzate basate su imaging, parametri di stimolazione predefiniti e monitoraggio di routine durante la stimolazione. Pertanto, questo approccio fornisce un quadro riproducibile e individualizzato per la neuromodulazione cerebrale profonda. È inteso a fornire una base per future ricerche meccanicistiche e per la riabilitazione mirata delle disfunzioni motorie e dell'equilibrio post-ictus.

Protocol

L'approvazione per il protocollo di studio è stata ottenuta dall'Institutional Review Board (IRB) o dal Comitato Etico. Tutte le procedure di studio che hanno coinvolto partecipanti umani sono state condotte in stretta conformità con i principi etici delineati nella Dichiarazione di Helsinki.

1. Screening dei partecipanti

1. Esaminare la storia clinica della partecipante per escludere controindicazioni, tra cui gravidanza, epilessia, dispositivi metallici o elettronici impiantati (ad esempio, corpi estranei metallici intracranici, pacemaker cardiaci, impianti cocleari, ecc.), ipertensione intracranica, tumori intracranici o lesioni cutanee nei siti di posizionamento degli elettrodi. Inoltre, escludere i partecipanti con gravi malattie cardiache, epatiche o renali che potrebbero limitare la tolleranza allo studio; coloro che soffrono di disturbi psichiatrici come depressione maggiore o schizofrenia; e le persone con difetti cranici saranno^{escluse 17, 18, 19}.
2. Valutare i fattori precauzionali somministrando un questionario standardizzato di screening non invasivo per la sicurezza della stimolazione cerebrale prima della seduta, inclusi recenti traumi cranici, o l'uso di farmaci che possono influenzare l'eccitabilità neurale (ad esempio, anticonvulsivanti⁾¹⁹.
3. Ottenere il consenso informato scritto di tutti i partecipanti dopo aver fornito informazioni complete sugli obiettivi dello studio, le procedure, i potenziali rischi e benefici, le alternative e i diritti dei partecipanti, inclusa la natura volontaria della partecipazione e il diritto di ritirarsi in qualsiasi momento senza alcuna conseguenza.

2. Acquisizione e elaborazione dei dati della risonanza magnetica per il targeting

1. Posizionare il partecipante in posizione supina all'interno dello scanner MRI, garantendo la stabilizzazione della testa utilizzando cuscinetti in schiuma per minimizzare il movimento.
   ATTENZIONE: rischio di risonanza magnetica. Assicurarsi che tutti gli oggetti metallici vengano rimossi dal partecipante prima di entrare nella sala MRI per prevenire pericoli di proiettili. Monitorare la claustrofobia e fornire una protezione uditiva adeguata per ridurre il rumore dello scanner.
2. Acquisire immagini strutturali ad alta risoluzione ponderate in T1 che coprono l'intera testa, incluso il cuoio capelluto. Il campo visivo dovrebbe estendersi almeno 10 mm oltre i confini della testa nei piani sagittale, coronale e^{assiale 20}. La risoluzione dell'immagine dovrebbe essere impostata a 1 mm isotropa, con un rapporto segnale-rumore non inferiore a 20.
   NOTA: La risonanza magnetica ponderata T1 è obbligatoria per tutti i partecipanti. Devono essere ottenute immagini supplementari ponderate in T2 quando la risonanza magnetica ponderata in T1 non è sufficiente per una visualizzazione affidabile delle interfacce tessutali della fossa posteriore, degli spazi del liquido cerebrospinale o dei confini tra lesioni e cavità. La TAC supplementare dovrebbe essere ottenuta solo quando la segmentazione cranica basata su risonanza magnetica è inadeguata per una costruzione accurata del modello.
3. Prepara i dati MRI ponderati T1 assicurandoti che i file siano nel formato standard NIfTI (.nii) e importando i dati su una piattaforma computazionale di modulazione cerebrale tramite l'interfaccia di upload designata. Abbiamo utilizzato la piattaforma di modulazione cerebrale (come dettagliato nella Tabella dei Materiali) per eseguire la modellazione del tessuto cerebrale completo e determinare automaticamente i protocolli di stimolazione dalle immagini MRI dei partecipanti.
4. Generazione individualizzata di modelli di testa e cervello
   1. Per prima cosa, seleziona la funzione "Build Model" dal menu di modellazione all'interno della piattaforma computazionale. Utilizzare il flusso di lavoro predefinito di preprocessing del software per correggere automaticamente l'inomogeneità dell'intensità ed eseguire trasformazioni di coordinate spaziali sui dati^{MRI 21}.
   2. In secondo luogo, segmentare le immagini MRI ponderate in T1 dei partecipanti in sei tipi di tessuto distinti (cuoio capelluto, cranio, liquido cerebrospinale, sostanza bianca, sostanza grigia e cavità) utilizzando le mappe di probabilità tissutale predefinite presenti nel software standard di analisi^{neuroimaging 22}.
   3. Ispezionare visivamente le immagini segmentate fetta per fetta per verificare l'accuratezza delle delineazioni dei confini tissutitori. Successivamente, assegnare i seguenti valori di conducibilità a ciascun rispettivo tipo di tessuto per i calcoli agli elementi finiti: cuoio capelluto (0,0002 S/m), cranio (0,0202 S/m), liquido cerebrospinale (2 S/m), sostanza bianca (0,064 S/m), sostanza grigia (0,103 S/m) e cavità (2,5e-14 S/m)²³.
   4. In terzo luogo, il sistema di elettrodi EEG 10-10 è stato registrato sui modelli per il cuoio capelluto. In quarto luogo, è stata generata una mesh tetraedrica a elementi finiti usando iso2mesh²⁴.
   5. Infine, il risolutore agli elementi finiti GetDP è stato impiegato per calcolare l'intensità del campo elettrico a ciascun elettrodo di stimolazione sotto un'unità di intensità, ottenendo la matrice di campo elettrico precedente^{Leadfield 25}. Output atteso: un modello 3D della testa specifico per il partecipante con tessuti segmentati, posizioni degli elettrodi e una rete a elementi finiti.
5. Definizione delle coordinate bersaglio e registrazione spaziale
   1. Naviga verso i campi di input delle coordinate all'interno dell'interfaccia dello strumento di targeting della piattaforma computazionale. Digitare manualmente le coordinate standard specifiche dello spazio MNI per il nucleo fastigiale cerebelletare (FN) nelle rispettive caselle di testo X, Y e Z (ad esempio, input [2, -55, -29] per la FN destra e [-5, -55, -30] per la FN sinistra).
   2. Eseguire il modulo automatico di registrazione spaziale della piattaforma. Questo algoritmo registra prima in modo non lineare l'immagine MRI ponderata T1 del partecipante nel modello standard ICBM 152 Nonlinear Atlases (2009).
   3. Permettere al software di applicare automaticamente una trasformazione spaziale inversa non lineare. Questo passaggio mappa le coordinate target MNI predefinite nello spazio T1 nativo del partecipante, generando con successo coordinate FN personalizzate all'interno del modello cerebrale individualizzato per le simulazioni successive del campo elettrico.
6. Montaggio degli elettrodi e ottimizzazione delle correnti
   1. Valuta il risultato finale della modellazione generato dall'algoritmo di ottimizzazione. Accettare il risultato della modellazione solo se il software restituisce un montaggio valido di elettrodi, l'ampiezza prevista dell'inviluppo FN supera il livello di riferimento predefinito e se il punto caldo è visivamente centrato o immediatamente adiacente al target FN individualizzato.
   2. Classificare il risultato come subottimale (e modificare i parametri per ricalcolare se necessario) se l'intensità della FN rimane al di sotto di questo livello di riferimento, se l'inviluppo appare spazialmente diffuso, o se il punto caldo è spostato verso le regioni cerebellari o occipitali^{superficiali 26}.
   3. Imposta i parametri di ottimizzazione TI, inclusi le coordinate target FN predefinite, i vincoli di corrente e la modalità di ottimizzazione della focalità. Accettare il risultato di ottimizzazione solo se il software restituisce un montaggio valido con le posizioni degli elettrodi, le ampiezze di corrente specifiche per canale e una mappa di campo simulata che mostra la massima intensità prevista dell'inviluppo a o vicino al target FN. Nel presente manoscritto, viene mostrato un esempio rappresentativo del modello di testa standard per l'illustrazione del flusso di lavoro (Figura 2).
   4. Valuta il risultato finale della modellazione generato dall'algoritmo di ottimizzazione. Accettare il risultato della modellazione solo se il software restituisce un montaggio valido di elettrodi, l'ampiezza prevista dell'inviluppo FN supera il livello di riferimento predefinito e se il punto caldo è visivamente centrato o immediatamente adiacente al target FN individualizzato.
   5. Classificare il risultato come subottimale (e modificare i parametri per ricalcolare se necessario) se l'intensità della FN rimane al di sotto di questo livello di riferimento, se l'inviluppo appare spazialmente diffuso o se il punto caldo è spostato verso regioni cerebellari o occipitali superficiali.

3. Preparazione e posizionamento del cappuccio degli elettrodi

1. Misura la circonferenza della testa del partecipante dalla cresta superciliare alla protuberanza occipitale utilizzando un metro flessibile.
2. Installare elettrodi circolari in gomma nel tappo elettrodo a 72 posizioni in posizioni determinate dai risultati individualizzati della modellazione del campo^{elettrico 27}.
3. Fai sedere il partecipante comodamente in posizione eretta con un adeguato supporto alla testa per minimizzare i movimenti durante la stimolazione.
4. Posizionare il tappo dell'elettrodo secondo il sistema internazionale EEG 10–20, garantendo un accurato allineamento con la linea nasion–inion e i punti di riferimento preauricolari bilaterali. Regola la tensione del tappo per ottenere una calzata sicura senza compressione^{eccessiva 28}.
5. Identificare i siti degli elettrodi bersagli tramite i portaelettrodi vuoti del cappuccio. Separare i capelli in ogni punto specifico usando l'estremità di legno di un cotton fioc per esporre completamente il cuoio capelluto sottostante. Applica una piccola quantità di pasta abrasiva sulla punta del cotone, inseriscila attraverso il supporto vuoto e strofina delicatamente la pelle esposta con un movimento circolare per rimuovere la pelle morta superficiale e ridurre l'impedenza.
   ATTENZIONE: Rischio di preparazione del cuoio capelluto. Applica con attenzione la pasta abrasiva per evitare abrasioni eccessive, che possono aumentare il rischio di dolore, ustioni o infezioni durante la stimolazione.
6. Iniettare gel conduttivo in ciascun elettrodo fino a raggiungere un contatto adeguato con il cuoio capelluto.
7. I partecipanti vengono randomizzati in gruppi di controllo attivi con stimolazione TI o sham utilizzando randomizzazione a blocchi. Viene implementato il doppio cieco: i partecipanti ricevono una stimolazione fittizia che imita il protocollo attivo, e gli sperimentatori che conducono valutazioni sono accecato all'allocazione di gruppo.

4. Configurazione del sistema di stimolazione TI e regolazione dei parametri

1. Collega il cappuccio dell'elettrodo al dispositivo di stimolazione TI, che deve supportare almeno due canali di stimolazione^{indipendenti 29}.
2. Apri l'interfaccia di controllo del dispositivo e naviga al menu di configurazione dei parametri di stimolazione. Digitare manualmente le frequenze portanti nei rispettivi campi di ingresso: impostare il Canale 1 a 2,000 kHz e il Canale 2 a 2,005 kHz per ottenere una frequenza di inviluppo di 5 Hz.
   1. Localizza i campi di input di ampiezza corrente all'interno dell'interfaccia. Utilizzare i controlli dell'interfaccia per inserire le ampiezze di corrente ottimizzate specifiche per il Canale 1 e il Canale 2 esattamente come generate dalla piattaforma computazionale.
   2. Confronta visivamente la schermata dell'interfaccia con il report di ottimizzazione esportato per verificare tutte le impostazioni. Conferma che entrambi i canali appaiono come "attivi" e che tutti i parametri di ingresso siano correttamente elencati nel pannello di controllo principale prima di procedere.
3. Attiva il monitoraggio dell'impedenza sul dispositivo di stimolazione e regola i contatti degli elettrodi finché tutte le impedenze del canale scendono sotto 8 kΩ³⁰. Se l'impedenza rimane superiore a 8 kΩ, ripetere la preparazione del cuoio capelluto e regolare il contatto con l'elettrodo prima di continuare.
4. Effettuare una breve fase di pre-stimolazione per valutare la tolleranza dei partecipanti.
   ATTENZIONE: rischio di stimolazione elettrica. Inizia sempre la stimolazione a bassa intensità e aumentala gradualmente per prevenire shock improvvisi o disagio.
5. Se necessario, si regola proporzionalmente l'ampiezza della corrente mantenendo l'equilibrio relativo tra i canali. Procedi alla sessione formale solo se il partecipante non segnala alcun disagio intollerabile. Se si verifica un disagio moderato o grave, ridurre proporzionalmente la corrente tra i canali o interrompere la stimolazione. Le impostazioni di stimolazione per le condizioni attive e fittizie sono riassunte nella Tabella 1.

5. Procedura di stimolazione

1. Prima di iniziare la stimolazione, istruisci il partecipante a rimanere seduto in silenzio, minimizzando i movimenti di testa e corpo. Dopo aver confermato tutti i parametri di stimolazione, avvia la sessione formale selezionando "Start" sull'interfaccia del dispositivo. Le forme d'onda sinusoidali vengono inviate attraverso entrambi i canali per generare interferenze temporali nella FN cerebellare.
2. Monitorare continuamente le impedenze degli elettrodi tramite l'interfaccia del dispositivo per assicurarsi che rimangano entro limiti operativi sicuri. Prima di iniziare la sessione, istruisci il partecipante a segnalare spontaneamente eventuali effetti avversi o fastidi, come sensazioni di formicolio inaspettate o mal di testa, in qualsiasi momento durante la stimolazione.
   ATTENZIONE: rischio di stimolazione elettrica. La stimolazione elettrica comporta il rischio di ustioni al cuoio capelluto o dolore eccessivo.
3. Interrompere immediatamente o interrompere la stimolazione se l'impedenza dell'elettrodo supera 8 kΩ o se il partecipante segnala un forte^{disagio 31}.
4. Al termine della sessione di stimolazione, interrompi la stimolazione selezionando "Fermati", rimuovi con cura il tappo dell'elettrodo, pulisci il cuoio capelluto con acqua e ispeziona la pelle per eventuali segni di irritazione.

Results

Esempio di modellazione del campo elettrico
Per valutare se il flusso di lavoro individualizzato guidato dalla risonanza magnetica potesse raggiungere l'obiettivo dello studio di indirizzare la stimolazione temporale dell'interferenza verso il nucleo fastigiale cerebeloso (FN), sono stati analizzati risultati rappresentativi in una sequenza logica dalla generazione del modello alla localizzazione sul campo. I dati MRI ad alta risoluzione pesati per T1 sono stati segme...

Discussion

Panoramica metodologica e considerazioni chiave sull'implementazione
Questo studio presenta un protocollo standardizzato per la modulazione non invasiva della FN cerebellare utilizzando stimolazione individualizzata del TI. Integrando una risonanza magnetica strutturale ad alta risoluzione, modellazione computazionale del campo elettrico e un'interfaccia di stimolazione multicanale, il protocollo proposto consente un targeting anatomicamente informato e preciso della FN. Questo approc...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cappuccio elettrodo a 72 canali	Suzhou NeuroDome Medical Technology Co., Ltd	Suzhou, Cina	Cappuccio elettrodo a 72 punti per la stimolazione cerebrale
Gel conduttivo	Non applicabile	Non applicabile	Gel per migliorare il contatto tra elettrodo e pelle
Metro flessibile	Non applicabile	Non applicabile	Utilizzato per misurare la circonferenza della testa per il montaggio del cappuccio elettrodo
Piattaforma software NervioWeb	Suzhou NeuroDome Medical Technology Co., Ltd	Suzhou, Cina	Piattaforma sperimentale online di modulazione cerebrale
Stimolatore NervioX-1000	Suzhou NeuroDome Medical Technology Co., Ltd	Suzhou, Cina	Sistema di stimolazione cerebrale profonda non invasivo
Nuprep gel per la preparazione della pelle	Weaver and Company	Aurora, CO, USA	Pasta abrasiva per la pulizia della pelle per migliorare la conduttività