Niet-invasieve modulatie en Robotic mapping van de motorische cortex in de ontwikkelende hersenen
1 juli 2019
We demonstreren protocollen voor de modulatie (tDCS, HD-tDCS) en mapping (Robotic TMS) van de motorische cortex bij kinderen.
Ons protocol omvat het gebruik van de eerste pediatrische TMS-robot ter wereld om de motorische cortex in kaart te brengen bij gezonde kinderen en ook bij kinderen die vroeg hersenletsel hebben gehad, zoals perinatale beroerte. Protocol integreert MRI-beeldvorming met neuronavigatie, waardoor we kaarten met verhoogde nauwkeurigheid en precisie kunnen verwerven, waardoor de mappingsessietijden worden verkort. Het helpt menselijke fouten te elimineren en het verhoogt de veiligheid en verdraagbaarheid voor jonge patiënten.
Motor mapping wordt nog niet gebruikt voor diagnostische of prognostische doeleinden, maar het is een nieuwe techniek die meet hoe de hersenen veranderingen en herbedraden na ofwel schade aan de hersenen heeft plaatsgevonden of na een interventie. Vergelijkbare technieken met verschillende doelen kunnen worden gebruikt voor het in kaart brengen van taalgebied. Taal- en motormapping kunnen belangrijk zijn voor prechirurgische planning.
Begin met het gebruik van de tabbladen in de neuronavigatie software om de huid en volledige hersenen kromlijnige reconstrueren. Selecteer nieuwe, skin- en rekenhuid. Zorg ervoor dat de neus en bovenkant van het hoofd zijn inbegrepen.
Selecteer vervolgens nieuwe en volledige hersenkrommend. Sluit de groene selectiedoos buiten de hersenen, maar de binnenkant van de schedel. Selecteer compute curvilinear.
Stel de schildiepte aan op 4,0 tot 6,0 millimeter. Selecteer oriëntatiepunten configureren. Plaats vier oriëntatiepunten op het puntje van de neus, nasion, en de inkepingen van beide oren van de gereconstrueerde huid.
Noem de bezienswaardigheden die overeenkomen met hun anatomie. Selecteer het tabblad van het doel om de kromlijnige hersenen te bekijken. Selecteer een nieuw en rechthoekig raster.
Plaats uniforme 12 bij 12 coördinaten roosters met zeven millimeter afstand op het oppervlak van de gereconstrueerde hersenen over de handknop van de motorische cortex. Gebruik vervolgens het doelpositioneringsgereedschap aan de rechterkant om de rasterpositionering te optimaliseren voor rotatie, kantelen en kromming. Zet de rasterpunten om in trajecten die de robot zullen begeleiden om de TMS-spoel te positioneren.
Pas de hoek van de baan aan, zodat ze 45 graden zijn op de longitudinale fissuur of de hersenen. Gebruik het snap-gereedschap om de trajecten naar de kromlijnige hersenen te extrapoleren en te optimaliseren. Ten slotte initialiseren en positioneren van de TMS robot arm en stoel om de positie te verwelkomen en kalibreren van de krachtplaat sensor met behulp van vier sensor test.
Begin met het begeleiden van de deelnemer naar de testruimte en het laten invullen van een veiligheidsvragenlijst. Plaats vervolgens de deelnemer in de robotstoel en stel de rugleuning en neksteun aan. Zorg ervoor dat hun voeten worden ondersteund.
Ondersteun de armen en handen met kussens tijdens de mapping sessie. Reinig de huid over de spier van belang. Plaats zilver zilverchloride oppervlak elektroden op beide handen en onderarmen van de deelnemer gericht op vier distale voorpootspieren.
De buik van de eerste dorsale interosseous, ontvoerder pollicis brevis, ontvoerder digiti minimi, en de pols extensor. Sluit de versterker aan op een dataverzamelingscomputer met compatibele EMG-software. Vervolgens oppervlakte-elektroden aan de elektromyografie, of EMG, versterker en een data-acquisitiesysteem, ervoor te zorgen dat de grondelektrode ook is aangesloten.
Co-registreer de vier oriëntatiepunten op het hoofd van de deelnemer met behulp van de oriëntatiepunters en gebruik het validatietabblad om ervoor te zorgen dat het hoofd van de deelnemers correct is geregistreerd. Selecteer vervolgens een rasterpunt dat het dichtst bij de handknop van de deelnemer ligt. Selecteer de knop Uitlijnen op doel om de TMS-spoel van de robot uit te lijnen op deze doellocatie.
Selecteer contact op. Controleer de contactkwaliteit met behulp van de contactkrachtindicator en zorg ervoor dat de indicator groen of geel is. Instrueer de deelnemer om niet buiten het bereik van de robotarm te bewegen.
Zorg ervoor dat de handspieren van de deelnemer ontspannen zijn en blijven staan voordat u contact opneemt. Selecteer uitlijnen en volgen, zodat de spoel gecentreerd blijft op het doel als de deelnemer beweegt. Gebruik de TMS-triggerknop op de TMS-machine om vijf tot 10 TMS-pulsen te leveren met een intensiteit tussen 40 en 60% maximale stimulatoroutput.
Ten slotte, bepaal het raster punt dat de grootste en meest consistente motor opgeroepen potentieel voor de linker of rechter BDI spier geeft. Bepaal de rustmotor drempel als de laagste intensiteit die produceert en MEP van ten minste 50 microvolt in de BDI spier in vijf van de 10 stimulatie. Begin met het leveren van vier single pulse TMS pulsen op een interstimulus van een seconde en intensiteit van 120% RMT op het rasterpunt sluit aan de hotspot.
Herhaal vervolgens op het aangrenzende rasterpunt. Ga achtereenvolgens op een lineaire manier verder langs responsieve punten totdat een niet-responsief punt is bereikt, dat het eerste boarder-gebied van de kaart aanwijst. Ga vervolgens verder met het in kaart brengen om de boarderpunten in alle vier de richtingen van het rechthoekige raster vast te stellen.
Neem alle leden van het Europees Parlement op met behulp van de EMG-software voor offline analyse. Na drie tot vier rasterpunten selecteert u contact en geeft u de deelnemer een pauze totdat hij zich klaar voelt om door te gaan. Gebruik vervolgens een papieren versie van dezelfde rasters om de stimulatievolgorde bij te houden voor verdere analyse.
Complete mapping met behulp van een robot TMS. Ten slotte u een op maat gemaakt coderingsscript gebruiken om 3D-motorkaarten te genereren die beschikbaar zijn door contact op te nemen met de auteur. Bereken het gebied en het volume van de motorkaart met behulp van responsieve trajectsites.
Bereken het zwaartepunt als gewogen gemiddelde van de motorische representaties van elke coördinatenlocatie. Deze resultaten gaven aan dat tDCS en HD-tDCS de leersnelheid verbeterden gedurende vijf dagen training. De actieve interventiegroepen hadden grotere verbeteringen in de dagelijkse gemiddelde linker PPT-score op dag vier en vijf in vergelijking met sham.
Deze methodologie is gerepliceerd uit een eerdere studie en de datasets werden gecombineerd. De replicatiegegevens toonden vergelijkbare resultaten aan, zodat er een aanzienlijke toename was in het leerpercentage dat werd waargenomen in de tDCS- en HD-tDCS-groep in vergelijking met de schijngroep. Het plannen van de procedure is net zo belangrijk als het uitvoeren ervan.
Roosters en trajecten moeten zorgvuldig worden bedekt met een MRI. Bij het gebruik van hersensjablonen moeten meerdere monsters worden genomen van het hoofd van de deelnemers. Deze procedure kan worden voltooid voor- en na interventie om de daaruit voortvloeiende motorkaartwijziging te beantwoorden.
Het uitvoeren van beoordeling volgens deze procedure kan wijzen op de relatie tussen motorische kaart maatregelen en functie resultaat. Met behulp van dit protocol kunnen onderzoekers leren hoe ze motorkaarten nauwkeurig, tijdig en veilig kunnen genereren bij kinderen die robot TMS gebruiken. Grote uitdaging is het begeleiden van de robot en het optimaal afstemmen van zijn doelgebieden.
De trajecten moeten nauwkeurig vooraf worden bepaald. Het oefenen van coil alignment met meerdere combinaties van tilt en rotatie parameters helpt optimaliseren coil traject ontwerp. Geen van de instrumenten zijn gevaarlijk.
Het is belangrijk om de robot constant te observeren terwijl hij het hoofd van de deelnemer aanraakt, omdat de robot reageert op eventuele hoofdbewegingen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert protocollen voor het moduleren en in kaart brengen van de motorische cortex bij kinderen met behulp van de eerste pediatrische TMS-robot. De protocollen zijn bedoeld om veranderingen in hersenfunctie te beoordelen na vroege hersenletsel, met integratie van MRI-beeldvorming voor nauwkeurige neuronavigatie en mapping.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Pediatra Neurologie
- Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS)
Achtergrond
- De studie onderzoekt de motorische cortex bij gezonde kinderen en kinderen met eerdere hersenletsel.
- MRI-beeldvorming wordt geïntegreerd met neuronavigatie om de nauwkeurigheid van motorische mapping te verbeteren.
- Huidige toepassingen van motorische mapping zijn beperkt tot onderzoek, nog niet diagnostisch.
- De technologie verbetert de veiligheid en vermindert menselijke fouten tijdens procedures.
Doel van de studie
- Robuuste protocollen voor motorische mapping met behulp van robotische TMS vaststellen.
- Hersenreorganisatie na hersenletsel of interventie verkennen.
- De procedures voor jonge deelnemers optimaliseren voor gemakkelijker implementatie.
Gebruikte methoden
- De studie gebruikt robotische TMS met geïntegreerde MRI-neuronavigatie.
- Het biologische model omvat gezonde kinderen en kinderen met eerdere hersenletsel.
- Stappen omvatten het maken van anatomische kaarten, het plaatsen van elektroden en het afgeven van TMS-pulsen.
- De methoden stellen veiligheid voorop met grondige controles en aanpassingen voorafgaand aan de procedure.
- Gegevensverzameling gebeurt via EMG voor analyse van motorisch geïnduceerde potentialen.
Belangrijkste resultaten
- Motorische kaarten tonen significante veranderingen in hersenactiviteitspatronen na interventie.
- tDCS en HD-tDCS tonen verbeterde motorische leersnelheden, vooral na aanzienlijke training.
- Respons aangeeft effectieve mapping- en stimulatietechnieken die foutpercentages in het robotsysteem verlagen.
- Vergelijkende analyses van reacties benadrukken verbeterde motorische vaardigheden in behandelgroepen.
Conclusies
- Deze studie valideert de haalbaarheid van robotische TMS voor pediatrische motorische mapping.
- Het verbetert ons begrip van de plasticiteit van de motorische cortex na herseninterventies.
- De resultaten suggereren potentieel voor klinische toepassingen bij pre-chirurgische planning voor neurologische aandoeningen.
Veelgestelde vragen
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.
