Summary
Vi demonstrerer protokoller for modulering (tDCS, HD-tDCS) og kortlægning (robot TMS) af motorisk cortex hos børn.
Abstract
Kortlægning af motor cortex med transcranial magnetisk stimulation (TMS) har potentiale til at afhøre motorisk cortex fysiologi og plasticitet, men bærer unikke udfordringer hos børn. På samme måde kan transcranial direkte strøm stimulering (tDCS) forbedre motorisk indlæring hos voksne, men er først for nylig blevet anvendt på børn. Brugen af tDCS og nye teknikker som high-definition tDCS (HD-tDCS) kræver særlige metodologiske overvejelser i udviklings hjernen. Robotic TMS motor kortlægning kan give unikke fordele for kortlægning, især i den udviklende hjerne. Her har vi til formål at give en praktisk, standardiseret tilgang til to integrerede metoder, der kan samtidig udforske motor cortex modulation og motor kort hos børn. For det første beskriver vi en protokol for robot TMS motor kortlægning. Individualiserede, MRI-navigerede 12x12 gitre centreret på motor cortex guide en robot til at administrere single-Pulse TMS. Mean motor fremkaldt potentiale (MEP) amplituder per gitterpunkt bruges til at generere 3D motor kort af individuelle hånd muskler med resultater, herunder kort område, volumen, og tyngdepunkt. Værktøjer til måling af sikkerhed og tolerabilitet af begge metoder er også inkluderet. For det andet beskriver vi anvendelsen af både tDCS og HD-tDCS for at moduere motorisk cortex og motorisk indlæring. En eksperimentel uddannelse paradigme og prøveresultater er beskrevet. Disse metoder vil fremme anvendelsen af ikke-invasiv hjerne stimulation hos børn.
Introduction
Ikke-invasiv hjerne stimulation kan både måle og moduere menneskelig hjernefunktion1,2. Det mest almindelige mål har været motorisk cortex, som delvis skyldes en umiddelbar og målbar biologisk udgang (motorisk fremkaldte potentialer), men også den høje forekomst af neurologiske sygdomme, der resulterer i motorisk dysfunktion og handicap. Denne store globale sygdomsbyrde omfatter en stor andel af sygdomme, der påvirker børn som cerebral parese, den førende årsag til livslang invaliditet påvirker nogle 17.000.000 personer på verdensplan3. På trods af denne kliniske relevans og de forskelligartede og stigende kapaciteter af Neuro stimulation teknologier, applikationer i den udvikling hjernen er kun begyndt at blive defineret4. Forbedret karakterisering af eksisterende og fremspirende ikke-invasive hjernen stimulation metoder hos børn er forpligtet til at fremme ansøgninger i den udviklende hjerne.
Transcranial magnetisk stimulation (TMS) er et veletableret neurofysiologisk værktøj, der i stigende grad anvendes til sin ikke-invasive, smertefri, veltolereret og sikkerhedsprofil hos voksne. TMS-oplevelsen hos børn er forholdsvis begrænset, men støt stigende. TMS leverer magnetiske felter til at inducere regional aktivering af kortikale neuronal populationer i hjernen med netto output afspejlet i Target Muscle motor fremkaldt potentialer (MEP). Systematisk anvendelse af Single Pulse TMS kan definere kort over motor cortex in vivo. Seminal dyreforsøg5 og EMERGING Human TMS undersøgelser6 har vist, hvordan motor kort kan hjælpe med at informere mekanismer af kortikale neuroplasticitet. Navigeret motor mapping er en TMS teknik, der bruges til at kortlægge den menneskelige motorisk cortex til afhøre funktionelle kortikale regioner. Ændringer i motor kort har været forbundet med plast ændringer af det menneskelige motorsystem7. Nylige fremskridt inden for robot-TMS-teknologien har medført nye muligheder for at forbedre effektiviteten og nøjagtigheden af motor kortlægningen. Vores gruppe har for nylig vist, at robot TMS motor kortlægning er gennemførlig, effektiv og veltolereret hos børn8.
Transcranial jævnstrøm stimulation (tDCS) er en form for ikke-invasiv hjerne stimulation, der kan flytte kortikale excitabilitet og moduere menneskelig adfærd. Der har været en lang række undersøgelser af virkningen af tDCS hos voksne (> 10000 personer), men mindre end 2% af undersøgelserne har fokuseret på udviklingen af hjernen9. Oversættelse af voksen dokumentation til Pediatrics applikationer er kompleks, og modificerede protokoller er nødvendige på grund af komplekse forskelle i børn. For eksempel har vi og andre vist, at børn oplever større og stærkere elektriske felter sammenlignet med voksne10,11. Standardisering af tDCS-metoder hos børn er vigtig for at sikre en sikker og konsekvent anvendelse, forbedre replikation og fremme marken. Erfaring med motorisk lærings modulering af tDCS hos børn er begrænset, men stigende12. Translationelle anvendelser af tDCS til specifikke cerebral parese populationer skrider frem mod sene fase kliniske forsøg13. Indsatsen mod mere fokal stimulation anvendt gennem high-definition tDCS (HD-tDCS) er kun lige blevet undersøgt for første gang hos børn14. Vi viste, at HD-tDCS producerer lignende forbedringer i motorisk indlæring som konventionelle tDCS i raske børn14. Beskrivelse af HD-tDCS-metoder vil gøre det muligt at replikere og yderligere anvendelser af sådanne protokoller hos børn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle de metoder, der er beskrevet i denne protokol er blevet godkendt af Conjoint Health Research etik Board, University of Calgary (REB16-2474). Protokollen er beskrevet i figur 1.
1. ikke-invasiv hjerne stimulation kontraindikationer
- Screener alle deltagere for kontraindikationer for TMS15 og TDCs1 før rekruttering.
2. transcranial magnetisk stimulation motor kortlægning
- Klargøring af MRI til navigeret TMS
- Få hver deltagers strukturelle MRI (T1). Hvis en MRI er uopnåelig, bruge en skabelon MRI fra Montreal neurologisk Institut.
- Importer MRI-filen i DICOM-eller NIFTI-format til neuronavigation-softwaren (Se tabel over materialer).
- TMS-målforløbs kurver
- Brug neuronavigation software til at rekonstruere hud og fuld hjerne Curvilinear ved hjælp af fanerne.
- Vælg ny, hudog Beregn hud. Sørg for, at næsen og toppen af hovedet er inkluderet.
- Vælg ny, og fuld hjerne Curvilinear. Omslutte den grønne markeringsboks uden for hjernen, men indersiden af kraniet. Vælg Beregn Curvilinear. Juster skræl dybden til 4,0-6,0 mm.
- Vælg Konfigurer landemærker. Placer fire vartegn på spidsen af næsen, nasion, og hakkene af begge ører af den rekonstruerede hud. Navngiv de landemærker, som svarer til deres anatomi.
- Vælg fanen mål for at se krum Brain. Vælg nytog rektangulært gitter. Placer ensartede 12 x 12 koordinat gitre med 7 mm afstand på overfladen af den rekonstruerede hjerne over "hånd knappen" på motor cortex (precentral gyrus)17.
- Brug Målpositionerings værktøjet til højre for at optimere gitterplaceringen for rotation, hældning og krumning. Konverter gitter punkterne til forløbskurver, der vil vejlede robotten til at positionere TMS-spolen. Juster vinklen på forløbskurver, så de er 45 ° til den langsgående fissur i hjernen.
- Brug snap værktøj til at ekstrapolere og optimere forløbskurver til krum hjernen.
- Initialiser og Placer TMS-robotarmen og-sædet til velkomst positionen , og Kalibrer kraft plade sensoren ved hjælp af Force sensor test.
- Klargøring af deltageren til motor kortlægning
- Har deltagerne udfylde et sikkerheds spørgeskema18.
- Når deltagerne sidder komfortabelt i robot stolen, justeres ryglæn og nakke. Sørg for, at fødderne understøttes. Støtte deres arme og hænder med puder for at sikre deres hænder er i en hvileposition i varigheden af kortlægningen session.
Bemærk: børn og unge vil have brug for påmindelser gennem hele sessionen for at holde deres hænder afslappede. - Rengør huden over musklen af interesse. Placer Ag/AgCl overflade elektroder på både hænder og underarme af deltageren, rettet mod fire distale forbimb muskler, 1) maven af den første dorsale interosseøse (FDI), 2) bortførte pollicis brevis (APB), 3) bortførte digitalise minimi (adm), og 4) håndleddet extensor (extensor carpi ulnaris).
- Forbind Surface-elektroderne med Elektromyografi (EMG) forstærker og dataopsamlingssystem, og forbind forstærkeren til en dataindsamlings computer med en kompatibel EMG-software.
- Co-registrere de fire vartegn på lederen af deltageren ved hjælp af skelsættende pointer. Brug fanen validering til at sikre, at deltagerens hoved er korrekt registreret.
- Bestemmelse af motor kort TMS intensitet
- Vælg et gitterpunkt, der er tættest på deltagerens "hånd knap". Vælg knappen Juster til mål for at justere den TMS spole, som robotten holder, til denne målplacering. Vælg kontakt på. Overvåg kontakt kvaliteten ved hjælp af indikatoren for kontaktkraft. Kontroller, at indikatoren er grøn eller gul.
Bemærk: den røde farve på kontakt indikatoren betyder, at der er for meget kraft på deltagerens hoved. Ingen farve betyder, at TMS Coil ikke er i kontakt med deltagerens hoved. I disse tilfælde justeres styrke pladens følsomhed. - Instruere deltageren om ikke at bevæge sig uden for robotarmen. Sørg for, at deltagerens hånd muskler er afslappede og stadig er inden kontakt.
- Vælg Juster og følg , så spolen forbliver centreret om målet, hvis deltageren bevæger sig.
- Brug TMS-udløserknappen på TMS-maskinen til at levere 5-10 TMS impulser med en intensitet mellem 40-60% maksimal stimulator udgang (MSO). Gentag dette trin til 5-6 gitterpunkter omkring "hånd knappen".
- Bestem gitter-punkt, der giver den største og mest konsekvente (hotspot) motor fremkaldt potentiale (MEP) for venstre eller højre FDI muskel.
- Bestem hvile motor tærsklen (RMT) som den laveste intensitet, der producerer en MEP på mindst 50 μV i FDI muskel i 5/10 stimuleringer.
- Vælg et gitterpunkt, der er tættest på deltagerens "hånd knap". Vælg knappen Juster til mål for at justere den TMS spole, som robotten holder, til denne målplacering. Vælg kontakt på. Overvåg kontakt kvaliteten ved hjælp af indikatoren for kontaktkraft. Kontroller, at indikatoren er grøn eller gul.
- Motor kortlægning
- Start fra gitter-punktet tættest på hotspottet, levere fire single-Pulse TMS impulser (1 Hz) ved en interstimulus af 1 s og TMS intensitet på 120% RMT. Et responsivt gitterpunkt bestemmes af 2/4 MEP'er > 50 μV i nogen af hånd musklerne.
- Flyt til det tilstødende gitterpunkt, og Gentag ovenstående trin.
- Fortsæt sekventielt på en lineær måde langs Responsive punkter, indtil der nås et ikke-responsivt punkt, som er det første grænseområde på kortet.
- Fortsæt kortlægning for at etablere grænse punkterne i alle fire retninger af det rektangulære gitter.
- Optag alle MEP'er fra alle muskler ved hjælp af EMG-softwaren til offline analyse.
- Efter 3-4 gitterpunkter skal du vælge kontakt fra og give deltageren en pause, indtil de føler sig klar til at fortsætte.
- I løbet af kortlægnings sessionen skal du løbende tjekke ind med deltageren for at sikre, at de er komfortable og/eller har brug for en pause.
- Brug en papirversion af de samme gitre til at tack simulerings rækkefølgen til yderligere analyse.
- Komplet kortlægning ved hjælp af en robot TMS som beskrevet her eller manuelt (ikke beskrevet i dette manuskript). Hvis du bruger en TMS-robot, flyttes den til det gitterpunkt, der er valgt af experimenter. Robotten vil rumme for Child Head bevægelse i nær realtid. Dette vil afhjælpe eventuelle yderligere bevægelser, der er forbundet med en tekniker, der manuelt holder spolen på deltagerens hoved.
Bemærk: Hvis du kortlægger ved hjælp af en TMS-robot, skal du sørge for, at der er en eksperimententer ved siden af robotten på alle tidspunkter under sessionen. Hvis robotten er placeret på en deltagers hoved, og deltageren pludselig bevæger sig, vil robotten forsøge at følge deres hoved. Hvis deltageren skal bevæge sig, nye, ridse eller udføre en aktivitet, der involverer flytning af deres hoved, skal robotarmen flyttes for at forhindre, at deltagerens hovedrammer robottens arm eller TMS-spole.
- Oprettelse af motor kort
- Ved hjælp af en skræddersyet kodning script, generere tredimensionelle motor kort (figur 2). Kontakt forfatterne til scriptet.
- Beregn motor kort område og volumen ved hjælp af Responsive bane sites. Beregn tyngdepunktet (COG) som vægtet gennemsnit af motorens repræsentationer for hver koordinat placering.
Bemærk: kortområdet beregnes som gitterafstanden (7 mm)2 ganget med det samlede antal Responsive websites. Kort volumen beregnes som den kumulative sum af gitterafstanden ganget med den gennemsnitlige MEP-amplitude på hvert responsivt websted. En brugervenlig version af scriptet er ved at blive udviklet til at dele med offentligheden som open source. I mellemtiden skal du kontakte den tilsvarende forfatter for at få adgang til scriptet.
3. konventionelle tDCS og HD-tDCS-applikation
- Randomiserer deltagerne til en af tre interventions grupper (Sham, konventionelle tDCS, HD-tDCS).
- Har deltageren fuldføre Purdue pegboard test (PPT) tre gange ved hjælp af deres venstre hånd (ikke-dominerende), fastsættelse af deres baseline score.
- Undersøg elektrode kvaliteten for at bekræfte integriteten af tDCS-svamp skær og gummi elektroderne.
- Tænd for den konventionelle tDCS-enhed ved at vippe tænd/sluk -kontakten til til.
Bemærk: Sørg for, at det lave batteri lys ikke lyser. Hvis den lyser, skal du udskifte batterierne, før du starter sessionen.- For deltagere, der modtager konventionelle eller Sham tDCS, let suge 2 25 cm2 svamp elektroder med saltvand. Sørg for, at hele elektroden er dækket, men ikke drypper. Sæt gummi elektroden i de saltholdige svampe elektrode, og forbind hver elektrode med tDCS-enheden.
- Find det markerede hotspot (højre M1) ved hjælp af neuronavigation og Marker det med en ikke-giftig markør. I slutningen af hver tDCS, HD-tDCS eller Sham session, markere hotspottet igen, så det er synligt den næste dag.
- Hvis det er randomiseret til konventionelle tDCS-eller Sham-tDCS, skal du placere 1 25 cm2 salt-gennemblødt svamp elektrode over deltagerens markerede hotspot (højre M1), der fungerer som anode. Placer den anden 25 cm2 saltvand-gennemblødt svamp elektrode på den kontralaterale supraorbital region, der repræsenterer katoden. Brug en let plastik "pandebånd" til at holde elektroder på plads.
Bemærk: Sørg for, at der ikke er nogen saltvands dryp fra elektroden, da den kan shunt strømmen. - I Sham og konventionel tDCS gruppe, sikre "optimal" kontakt kvalitet. Hvis kontakt kvaliteten er "sub-optimal", indsprøjtes en lille mængde saltopløsning under svamp elektroderne, eller Sørg for, at der er minimal hår mellem hovedbunden og elektroden.
Bemærk: "optimal" kontakt kvalitet opnås, når mere end halvdelen af kvaliteten af kontakt indikatorlys er tændt. Hvis mindre end halvdelen af kontakt indikatorens lys er tændt, er kontakt kvaliteten suboptimal. Start ikke stimulation, hvis kun ét af to af indikatorlysene er tændt. - I HD-tDCS-gruppen henvises til Villamar, M.F., et al.16 for den relevante opsætning.
- I gruppen HD-tDCS skal du indstille enheden til scannings indstillingen for at kontrollere impedansen ved hver elektrode. Sørg for, at impedansen er under 1 "kvalitets enhed" og beskrevet tidligere19,20. Hvis kontakt kvaliteten er dårlig, fjernes elektroden, og det kontrolleres, at der ikke er noget hår, som hindrer elektrodens kontakt, og at en kontinuerlig kolonne med elektrode gel er til stede mellem hovedbunden og elektroden. Anvend om nødvendigt mere elektrode gel.
- Hvis det er randomiseret til konventionelle tDCS-eller Sham-tDCS, skal du placere 1 25 cm2 salt-gennemblødt svamp elektrode over deltagerens markerede hotspot (højre M1), der fungerer som anode. Placer den anden 25 cm2 saltvand-gennemblødt svamp elektrode på den kontralaterale supraorbital region, der repræsenterer katoden. Brug en let plastik "pandebånd" til at holde elektroder på plads.
- Indstil tDCS-og HD-tDCS-enheden til anode montage indstillingen, 1 mA aktuel styrke og 20 min. varighed.
- Sørg for, at deltageren sidder komfortabelt, og at de forstår de mulige fornemmelser, de kan opleve (f. eks. kløende eller prikkende fornemmelser). Mind deltageren om at kommunikere, hvis de føler ubehag, eller hvis de har spørgsmål.
- I de konventionelle tDCS-og HD-tDCS-grupper skal du sørge for, at kontakten er indstillet til aktiv.
Bemærk: for Sham-gruppen skal Toggle indstilles til Sham. Denne indstilling skal skjules for deltageren. - Tryk på enhedens Start knap for at starte stimulation. Sørg for, at varigheden er sat til 20 min, og intensiteten til 1 mA.
Bemærk: i de konventionelle tDCS-og HD-tDCS-grupper vil strømmen rampe op over 30 s til 1 mA og fortsætte i 20 min. I Sham tDCS gruppen, vil strømmen blive ramped op over 30 s til 1 mA og straks ramped ned over 30 s.
- I de konventionelle tDCS-og HD-tDCS-grupper skal du sørge for, at kontakten er indstillet til aktiv.
- På 5 min, 10 min, 15 min, og 20 min, har deltageren fuldføre PPT tre gange ved hjælp af deres venstre hånd.
- Efter 20 minutter slukkes enheden, efter at intensiteten er færdig med at ramping ned til 0 mA.
Bemærk: for deltagere, der modtager enten konventionelle tDCS eller HD-tDCS, vil maskinen automatisk rampe ned til 0 mA ved 20 min. For deltagere, der modtager Sham tDCS, vil maskinen automatisk rampe op over 30 s til 1 mA og straks rampe ned til 0 mA over 30 s ved 20 min. - Fjern elektroderne fra deltagerens hoved.
- For Sham og konventionel tDCS-gruppe skal du fjerne sorte elektroderne inde fra svamperne og skylle svamp elektroden med normalt ledningsvand.
- I HD-tDCS-gruppen skal du tage plastik Elektrodeholderen af og fjerne elektroderne. Fjern elektrode hætten fra deltagernes hoved. Skyl enhver gel i Elektrodeholderen. Rengør elektroden med et let fugtigt papirhåndklæde. Tør elektroden med et tørt papirhåndklæde for at fjerne eventuel resterende gel.
- Har alle deltagere fuldføre Transcraniale direkte-aktuelle stimulation bivirkninger og tolerabilitet spørgeskema efter hver stimulation session.
- Har deltagerne fuldføre PPT tre gange ved hjælp af deres venstre hånd.
- Har deltagerne vende tilbage den følgende dag og i yderligere fire på hinanden følgende dage (fem dage i alt) for ikke-invasiv hjerne stimulation (Sham, tDCS, eller HD-tDCS) parret med motor læring (PPT). Gentag trin 3.2-3.13 på dag 2-4. På dag 5, få deltagerne til at begynde med ikke-invasiv hjerne stimulation (Sham, tDCS eller HD-tDCS) (trin 3.2-3.13 gentages). Efter en pause (45 min-~ 1.5 h siden modtagelse stimulation), start robot TMS motor kortlægning (trin 2.3-2.5.8).
Bemærk: alle deltagere modtog det samme antal minutter for pauser mellem vurderingerne. - Efter 6-ugers, invitere deltagerne til at vende tilbage og udføre PPT uden at modtage nogen ikke-invasiv hjerne stimulation (trin 3,2 efterfulgt af robot TMS motor kortlægning (trin 2.5.8)).
- Har deltagerne vende tilbage den følgende dag og i yderligere fire på hinanden følgende dage (fem dage i alt) for ikke-invasiv hjerne stimulation (Sham, tDCS, eller HD-tDCS) parret med motor læring (PPT). Gentag trin 3.2-3.13 på dag 2-4. På dag 5, få deltagerne til at begynde med ikke-invasiv hjerne stimulation (Sham, tDCS eller HD-tDCS) (trin 3.2-3.13 gentages). Efter en pause (45 min-~ 1.5 h siden modtagelse stimulation), start robot TMS motor kortlægning (trin 2.3-2.5.8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ved hjælp af de metoder, der præsenteres her, vi afsluttede en randomiseret, Sham-kontrollerede interventions Trial8. Højrehåndede børn (n = 24 år 12-18) uden kontraindikationer for begge typer ikke-invasiv hjerne stimulation blev rekrutteret. Deltagerne blev specifikt udelukket i denne undersøgelse, hvis de var på Neuro psykotropt medicin, eller hvis de ikke var naive for tDCS. Der var ingen frafaldne.
Robotic TMS motor kort blev opnået for at erhverve en baseline motor kort og til at fungere som en potentiel mekanisme til at overvåge plastiske og kortikale exciterbarhed ændringer efter motorisk indlæring parret med ikke-invasiv hjerne stimulation. Ved hjælp af de metoder, der er beskrevet ovenfor, modtog alle deltagere tre robot TMS motor kort, 1) baseline før ikke-invasiv hjerne stimulation (Sham, tDCS eller HD-tDCS), 2) dag 5 (post) og 3) ved 6-ugers opfølgning (retentionstiden). Alle deltagere modtog bihemispheric motor kortlægning (3 deltagere fik ret hemisfærisk motor mapping kun på grund af tidsbegrænsninger). Motor kort blev gennemsnitligt gennemført i 18 minutter for ensidige motor kort og 36 min for bihemispheric mapping. Motor kort område, volumen, hotspot, og COG blev beregnet og sammenlignet på individuelt og gruppeniveau. I vores indledende analyse af motor kortet ændrede motor kortområdet og volumen ikke signifikant efter interventionen. I vores sekundære analyse resulterede måling af submaximale proportioner af kort område og volumen i signifikant mindre varians (p < 0,05).
Alle deltagere fik en af tre ikke-invasive hjerne stimulerings interventioner for en varighed på 20 min (1 mA) i fem på hinanden følgende dage. Vi påviste, at tDCS og HD-tDCS forbedrer lærings hastigheden (antal pegs/dag) (tDCS p = 0.042, HD-tDCS p = 0.049) i løbet af 5 dages træning. De aktive interventions grupper (tDCS og HD-tDCS) havde større forbedringer i den daglige gennemsnitlige venstre PPT-score (PPTL) på dag 4 og 5 sammenlignet med Sham (dag 4 p ≤ 0.043, dag 5 p ≤ 0,05) (figur 3). De aktive interventions grupper bevarede deres motoriske færdigheder (på PPT) ved 6-ugers efteruddannelse. Der var dog betydelig færdighed forfald i Sham Group fra post-uddannelse til 6-ugers opfølgning (p = 0.034). Denne metode er blevet kopieret fra en tidligere undersøgelse21 , og data sætsene blev kombineret (figur 4). Replikeringsdataene viste lignende resultater. Der var en betydelig stigning i lærings hastigheden i tDCS og HD-tDCS-koncernen sammenlignet med Sham-gruppen (tDCS p = 0,001, HD-tDCS p = 0,012).
Figur 1: forsøgsprotokol. PTT = Purdue hulplade test, TMS = TMS motor kortlægning TDCs = transcranial jævnstrøm stimulering, HD-TDCs = High-definitions TDCs. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: et eksempel TMS motor map. Øverste visning af venstre FDI motor kort (A) pre og (B) post HD-TDCs intervention. Røde Kors indikerer hotspot, blå kors indikerer COG. Farvebjælken angiver Udvalget af MEP-0-2 mV. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: motorisk indlæring observeret i Sham-, TDCs-og HD-TDCs-grupper. Dette tal er blevet genudgives fra Cole & Giuffre et al. 2018. (A) gennemsnitlig daglig ændring i venstre hånd Purdue pegboard score fra baseline i Sham (hvide trekanter), tDCS (grå cirkler), og HD-tDCS (sorte cirkler), (n = 24). (B) daglig gennemsnitlig score på hvert tidspunkt af PPTL. * p ≪ 0,05 for TDCs vs. sham, # p < 0,05 for HD-TDCs vs. Sham. Fejllinjer angiver standardfejl. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: replikering af metoder-kombineret PPTL datasæt for 3 dages træning. Dette tal er blevet genudgives fra Cole &Amp; Giuffre et al. 2018). A) lærings kurverne for Sham (hvide trekanter, n = 14), TDCs (grå cirkler, n = 14) og HD-TDCs-grupper (sorte cirkler, n = 8). B) gennemsnitlig daglig læring for Sham, TDCs og HD-TDCs fra de kombinerede undersøgelser. Fejllinjer angiver standardfejl. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
TMS er også blevet udforsket i kliniske pædiatriske populationer, herunder perinatale slagtilfælde22 og cerebral parese, hvor TMS motor kort blev oprettet med succes hos børn med cerebral parese at udforske mekanismer af interventions plasticitet. Ved hjælp af en etableret protokol8, blev TMS motor kort med succes indsamlet i typisk udvikler børn, og er i øjeblikket ved at blive indsamlet i et igangværende multicenter klinisk forsøg for børn med perinatale slagtilfælde og paretiske cerebral parese ( NCT03216837). Beskrivelse af TMS motor kortlægningsmetoder vil gøre det muligt at replikere og yderligere anvendelser af protokoller hos raske børn og børn med bevægelsesforstyrrelser.
Robotic motor kortlægning forbedrer TMS Coil placering nøjagtighed og reducerer menneskelige fejl i forhold til manuelle teknikker23,24. Denne teknik er mere fordelagtig for pædiatriske populationer, der har øget hoved bevægelser og lavere tolerabilitet for lange sessioner12. Selv om motor kortlægning ved hjælp af en TMS robot er blevet rapporteret hos voksne, vores gruppe er den første til at anvende denne teknik i en pædiatrisk population. Nye motor kortlægningsmetoder, der bruger statistisk vægtning og interpolering25,26 , kan bruges til at reducere anskaffelses tiden, hvis de kombineres med robot TMS. Som sådan bør metoderne udforskes yderligere i udviklings hjernen.
Vi skitserer en kortfattet tilgang til at anvende tDCS, HD-tDCS og TMS i en sund pædiatrisk population. Der er en række kritiske skridt til at overveje i anvendelsen af ikke-invasiv hjerne stimulation hos børn. Det er afgørende, at børn og/eller deres forældre bekræfter, at deltageren ikke har kontraindikationer for ikke-invasiv hjerne stimulation. Det er vigtigt for deltagerne at føle sig trygge og sikre. Tilskynd deltagerne til at stille spørgsmål under hele sessionen, da det er nødvendigt løbende at indhente feedback gennem hele sessionen, især i en pædiatrisk population. Det er også vigtigt at kontrollere kvaliteten af elektroderne og kvaliteten af deltagernes hovedbund, da dette udelukker sikker anvendelse af tDCS. Det er vigtigt at have den korrekte anodal montage, nuværende intensitet, og varigheden af stimulation valgt på maskinen, før du starter stimulation. Der er særlige hensyn til konventionelle tDCS og HD-tDCS. I HD-tDCS er det afgørende at rotere den valgte elektrode for at være i centrum anodal position med de omgivende elektroder for at reducere mængden af elektrode opdeling. Det er vigtigt at have den korrekte tilslutning af kablerne til anodal og cathodal-portene på 1x1 tDCS-maskinen i konventionelle tDCS for at gøre det muligt at anvende den korrekte polaritet. Tidligere litteratur har vist vigtigheden af at bruge saltvandsopløsning til at forbedre tolerabiliteten af stimuleringen27. Den mest almindeligt forekommende fornemmelse beskrevet i vores undersøgelse var kløe (56%)14. Vi har rapporteret ingen negative virkninger i vores befolkning ved hjælp af vores metoder beskrevet12,14.
Der er en række forskellige modifikationer at gøre, når perfektionere anvendelsen af tDCS og HD-tDCS. Det er vigtigt at have god kontakt kvalitet for at mindske modstanden i den nuværende overhoved bunden. Hvis kontakt kvaliteten er dårlig, kan der anvendes mere saltopløsning til at mindske modstanden i konventionelle tDCS. Men, det er vigtigt først at sikre, at god elektrode kontakt med hovedbunden er til stede. I HD-tDCS er det vigtigt, at hovedbunden bliver udsat for at give mulighed for bedre kvalitet af elektroden. Hår kan være nødvendigt at blive yderligere børstet ud af vejen og mere elektrode gel anvendes til at forbedre kontakt kvaliteten. Sørg for, at kontakt kvaliteten løbende overvåges i hele sessionen.
Aktuelle modellering undersøgelser har antydet en forskel i den nuværende styrke oplevet på tværs af aldersgrupper afhængigt af hvidt stof og CSF volumen10,11. En begrænsning af denne metode er, at vi ikke udføre potentielle nuværende modellering på hver deltager til at anvende en nuværende styrke, der ville fremkalde sammenlignelige neuronal elektrisk feltstyrke på tværs af deltagerne.
Denne metode er et vigtigt næste skridt i anvendelsen af ikke-invasiv hjerne stimulation i Pediatrics. Vi har forlænget vores uddannelsesperiode fra tre dage til fem dage og observeret lignende forbedringer i dygtighed. HD-tDCS har kun været anvendt i en pædiatrisk population ved hjælp af vores metode, og vi har vist, at der er lignende motoriske færdigheder at lære at konventionelle tDCS. HD-tDCS inducerer en mere fokal strøm, forbedre målretning og implikation28. De metoder, der beskrives i dette dokument, vil give mulighed for replikation og yderligere undersøgelse af HS-tDCS hos børn.
Disse metoder er i øjeblikket ved at blive udvidet til en perinatal slagtilfælde befolkning. TDCS-og HD-tDCS-protokollen er blevet tilpasset denne population, og uddannelsestid er blevet udvidet til yderligere at udvikle kliniske forsøg i perinatal apopleksi. Det er afgørende at optimere anvendelsen af tDCS i Pediatrics at fremme terapeutisk anvendelse hos børn med perinatal slagtilfælde og derfor forbedre motoriske funktion resultater. For TMS motor kortlægning, er det vigtigt at sikre, at deltageren er komfortabelt siddende, med deres arme og hænder i en afslappet position. Efter fuld motor kortlægnings session oplevede kun 15% af deltagerne mild selvbegrænsende hovedpine.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen oplysninger.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev støttet af de canadiske institutter for sundhedsforskning.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1x1 SMARTscan Stimulator | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/tdcs/device | |
| 4x1 HD-tDCS Adaptor | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4x1 | |
| Brainsight Neuronavigation | Roge Resolution | https://www.rogue-resolutions.com/catalogue/neuro-navigation/brainsight-tms-navigation/ | |
| Carbon Rubber Electrode | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/carbon-ruber-electrode | |
| EASYpad Electrode | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easypad | |
| EASYstraps | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easystrap | |
| EMG Amplifier | Bortec Biomedical | http://www.bortec.ca/pages/amt_16.htm | |
| HD1 Electrode Holder | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd1-holder | Standard Base HD-Electrode Holder for High Definition tES (HD-tES) |
| HD-Electrode | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-electrode | Sintered ring HD-Electrode. |
| HD-Gel | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-gel | HD-GEL for High Definition tES (HD-tES) |
| Micro 1401 Data Acquisition System | Cambridge Electronics http://ced.co.uk/products/mic3in | ||
| Purdue Pegboard | Lafayette Instrument Company | ||
| Saline solution | Baxter | http://www.baxter.ca/en/products-expertise/iv-solutions-premixed-drugs/products/iv-solutions.page | |
| Soterix Medical HD-Cap | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-cap | |
| TMS Robot | Axilium Robotics | http://www.axilumrobotics.com/en/ | |
| TMS Stimulator and Coil | Magstim Inc | https://www.magstim.com/neuromodulation/ |
References
- 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. Facilitation of implicit motor learning by weak transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex in the human. Journal of Cognitive Neuroscience. 15 (4), 619-626 (2003).
- Oskoui, M., Coutinho, F., Dykeman, J., Jetté, N., Pringsheim, T. An update on the prevalence of cerebral palsy: a systematic review and meta-analysis. Developmental Medicine & Child Neurology. 55 (6), 509-519 (2013).
- Zewdie, E., Kirton, A. TMS Basics: Single and Paired Pulse Neurophysiology. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
- Nudo, R. J., Milliken, G. W., Jenkins, W. M., Merzenich, M. M. Use-dependent alterations of movement representations in primary motor cortex of adult squirrel monkeys. The Journal of Neuroscience. 16 (2), 785-807 (1996).
- Friel, K. M., Gordon, A. M., Carmel, J. B., Kirton, A., Gillick, B. T. Pediatric Issues in Neuromodulation: Safety, Tolerability and Ethical Considerations. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
- Nudo, R. J., Plautz, E. J., Frost, S. B. Role of adaptive plasticity in recovery of function after damage to motor cortex. Muscle & Nerve. 24 (8), 1000-1019 (2001).
- Grab, J. G., et al. Robotic TMS mapping of motor cortex in the developing brain. Journal of Neuroscience Methods. , (2018).
- Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimulation. 9 (5), 641-661 (2016).
- Kessler, S. K., Minhas, P., Woods, A. J., Rosen, A., Gorman, C., Bikson, M. Dosage considerations for transcranial direct current stimulation in children: a computational modeling study. PloS One. 8 (9), e76112 (2013).
- Ciechanski, P., Carlson, H. L., Yu, S. S., Kirton, A. Modeling Transcranial Direct-Current Stimulation-Induced Electric Fields in Children and Adults. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 268 (2018).
- Ciechanski, P., Kirton, A. Transcranial Direct-Current Stimulation (tDCS): Principles and Emerging Applications in Children. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
- Kirton, A., et al. Transcranial direct current stimulation for children with perinatal stroke and hemiparesis. Neurology. 88 (3), 259-267 (2017).
- Cole, L., et al. Effects of High-Definition and Conventional Transcranial Direct-Current Stimulation on Motor Learning in Children. Front Neurosci. , (2018).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
- Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
- Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120 (Pt 1), 141-157 (1997).
- Garvey, M. A., Mall, V.
- Borckardt, J. J., et al. A pilot study investigating the effects of fast left prefrontal rTMS on chronic neuropathic pain. Pain Medicine (Malden, Mass.). 10 (5), 840-849 (2009).
- Villamar, M. F., et al. Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4×1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation. The Journal of Pain. 14 (4), 371-383 (2013).
- Ciechanski, P., Kirton, A. Transcranial Direct-Current Stimulation Can Enhance Motor Learning in Children. Cerebral Cortex. 27 (5), 2758-2767 (2017).
- Kirton, A., Andersen, J. Brain stimulation and constraint for hemiparesis after perinatal stroke: The PLASTIC CHAMPS trial. European Journal of Paediatric Neurology. 19 (S1), S10 (2015).
- Ginhoux, R., et al. A custom robot for Transcranial Magnetic Stimulation: First assessment on healthy subjects. 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 5352-5355 (2013).
- Grau, C., et al. Conscious brain-to-brain communication in humans using non-invasive technologies. PloS One. 9 (8), e105225 (2014).
- Julkunen, P. Methods for estimating cortical motor representation size and location in navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 232, 125-133 (2014).
- van de Ruit, M., Perenboom, M. J., Grey, M. J. TMS brain mapping in less than two minutes. Brain Stimulation. 8 (2), 231-239 (2015).
- Dundas, J. E., Thickbroom, G. W., Mastaglia, F. L. Perception of comfort during transcranial DC stimulation: effect of NaCl solution concentration applied to sponge electrodes. Clinical Neurophysiology. 118 (5), 1166-1170 (2007).
- Alam, M., Truong, D. Q., Khadka, N., Bikson, M. Spatial and polarity precision of concentric high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Physics in Medicine and Biology. 61 (12), 4506-4521 (2016).
