Summary
Vi demonstrerar protokoll för modulering (tDCS, HD-tDCS) och kartläggning (Robotic TMS) av motoriska cortex hos barn.
Abstract
Kartläggning av motoriska cortex med transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har potential att förhöra motoriska cortex fysiologi och plasticitet men bär unika utmaningar hos barn. På samma sätt kan transkrala direkt ström stimulering (tDCS) förbättra motoriska inlärning hos vuxna men har bara nyligen tillämpats på barn. Användningen av tDCS och nya tekniker som High-Definition tDCS (HD-tDCS) kräver särskilda metodologiska överväganden i hjärnans utveckling. Robotic TMS motor kartläggning kan ge unika fördelar för kartläggning, särskilt i hjärnans utveckling. Här strävar vi efter att tillhandahålla en praktisk, standardiserad metod för två integrerade metoder som samtidigt kan utforska motoriska cortex-modulering och motor kartor hos barn. Först beskriver vi ett protokoll för Robotic TMS motor Mapping. Individualiserade, MRI-navigerade 12x12 rutnät centrerad på motoriska cortex guide en robot för att administrera Single-Pulse TMS. Medel motor framkallat potential (MEP) amplituder per rutnät punkt används för att generera 3D-motor kartor över enskilda hand muskler med resultat inklusive karta område, volym, och tyngdpunkten. Verktyg för att mäta säkerhet och tolerabilitet av båda metoderna ingår också. För det andra beskriver vi tillämpningen av både tDCS och HD-tDCS att modulera motoriska cortex och motoriska lärande. Ett experimentellt utbildnings paradigm och provresultat beskrivs. Dessa metoder kommer att främja tillämpningen av icke-invasiv hjärn stimulering hos barn.
Introduction
Icke-invasiv hjärnstimulering kan både mäta och modulera människans hjärnfunktion1,2. Det vanligaste målet har varit motoriska cortex, delvis på grund av en omedelbar och mätbar biologisk produktion (motorievoked potentialer) men också den höga prevalensen av neurologiska sjukdomar som resulterar i motoriskt system dysfunktion och funktionshinder. Denna stora globala sjukdomsbörda omfattar en stor andel av de villkor som drabbar barn såsom cerebral pares, den främsta orsaken till livslångt handikapp som drabbar cirka 17 000 000 personer över hela världen3. Trots denna kliniska relevans och de varierande och ökande kapaciteterna av neurostimulationsteknik, är applikationer i den framkallande hjärnan endast början som ska definieras4. Förbättrad karakterisering av befintliga och framväxande icke-invasiva hjärnan stimulering metoder hos barn är skyldiga att främja tillämpningar i hjärnans utveckling.
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett väletablerat neurofysiologiskt verktyg som alltmer används för dess icke-invasiva, smärtfri, tolereras väl och säkerhetsprofil hos vuxna. TMS erfarenhet hos barn är relativt begränsad men stadigt ökande. TMS levererar magnetiska fält för att inducera regional aktivering av kortikala neuronala populationer i hjärnan med nettoresultat återspeglas i målet muskel motor framkallade potentialer (MEP). Systematisk tillämpning av Single Pulse TMS kan definiera kartor över motoriska cortex in vivo. Seminal djurstudier5 och framväxande Human TMS studier6 har visat hur motor kartor kan hjälpa till att informera mekanismerna för kortikal neuroplasticitet. Navigerad motor kartläggning är en TMS teknik som används för att kartlägga människans motoriska cortex att förhöra funktionella kortikala regioner. Förändringar i motor karta har förknippats med plast förändringar av människans motorsystem7. Senaste framstegen i Robotic TMS teknik har medfört nya möjligheter att förbättra motorns kartläggning effektivitet och noggrannhet. Vår grupp har nyligen visat att Robotic TMS motor kartläggning är genomförbar, effektiv och tolereras väl hos barn8.
Transcranial rikta ström stimulering (tDCS) är en form av icke-invasiv hjärnstimulering som kan skifta kortikala retbarhet och modulera mänskliga beteenden. Det har varit en mängd studier som undersöker effekten av tDCS hos vuxna (> 10000 patienter) men mindre än 2% av studierna har fokuserat på att utveckla hjärnan9. Översättning av vuxna bevis till pediatrik applikationer är komplex, och modifierade protokoll behövs på grund av komplexa skillnader hos barn. Till exempel har vi och andra visat att barn upplever större och starkare elektriska fält jämfört med vuxna10,11. Standardisering av tDCS-metoder hos barn är viktigt för att säkerställa en säker och konsekvent tillämpning, förbättra replikeringen och främja fältet. Erfarenhet av Motorisk inlärning modulering tDCS hos barn är begränsad men ökar12. Translationella tillämpningar av tDCS till specifika cerebral pares populationer avancerar mot sena fas kliniska prövningar13. Insatser mot mer fokal stimulering tillämpas genom High-Definition tDCS (HD-tDCS) har bara studerats för första gången hos barn14. Vi visade att HD-tDCS ger liknande förbättringar i motoriskt lärande som konventionella tDCS hos friska barn14. Beskriva HD-tDCS metoder kommer att möjliggöra replikering och ytterligare tillämpningar av sådana protokoll i barn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla de metoder som beskrivs i detta protokoll har godkänts av conjoint hälsoforskning Etiknämnd, University of Calgary (REB16-2474). Protokollet beskrivs i figur 1.
1. icke-invasiv hjärnstimulering kontraindikationer
- Screen alla deltagare för kontraindikationer för TMS15 och TDCs1 före rekrytering.
2. transkraniell magnetisk stimulering motor kartläggning
- Förbereda MRI för navigerade TMS
- Uppnå varje deltagares strukturella MRI (T1). Om en MRI är ouppnåelig, använda en mall MRI från Montreal neurologiska Institutet.
- Importera MRI-filen i DICOM-eller nifti-format till miniinvasiv-programvaran (se tabell över material).
- TMS mål banor
- Använd miniinvasiv programvara för att rekonstruera huden och full hjärna curvilinear med hjälp av flikarna.
- Välj ny, hudoch Beräkna hud. Se till att näsan och toppen av huvudet ingår.
- Välj ny, och full hjärna curvilinear. Bifoga den gröna markeringsrutan utanför hjärnan men insidan av skallen. Välj Compute Curvilinear. Justera skal djupet till 4,0-6,0 mm.
- Välj Konfigurera landmärken. Placera fyra landmärken på spetsen av näsan, nasion, och skårorna av båda öronen av den rekonstruerade huden. Namnge landmärken som motsvarar deras anatomi.
- Välj fliken mål för att Visa kurvilinjär hjärna. Välj nyttoch rektangulärt rutnät. Placera enhetliga 12 x 12 koordinatgaller med 7 mm mellanrum på ytan av den rekonstruerade hjärnan över "handknoppen" av motoriska cortex (precentral gyrus)17.
- Använd verktyget för mål positionering till höger för att optimera rutnäts placeringen för rotation, lutning och krökning. Omvandla Grid-punkter till banor som kommer att vägleda roboten att placera TMS spole. Justera vinkeln på trajectorier så att de är 45 ° till den längsgående spricka i hjärnan.
- Använd Snap -verktyget för att extraräkna och optimera trajectorier till krökt hjärna.
- Initiera och positionera TMS robot arm och sits för att välkomna positionen och kalibrera kraft plattans sensor med hjälp av Force sensor test.
- Förbereda deltagaren för motor kartläggning
- Se till att deltagarna fyller i ett säkerhets formulär18.
- När deltagarna sitter bekvämt i robot stolen justerar du ryggstödet och nackstödet. Se till att fötterna stöds. Stöd sina armar och händer med kuddar för att säkerställa att deras händer är i viloläge för varaktigheten av kartsessionen.
Obs: barn och ungdomar kommer att behöva påminnelser under hela sessionen för att hålla händerna avslappnade. - Rengör huden över muskeln av intresse. Placera AG/AgCl ytelektroder på både händer och underarmar av deltagaren, med inriktning på fyra distala forelimb muskler, 1) magen på den första dorsala interosseous (FDI), 2) kidnappare pollicis brevis (APB), 3) kidnappare digitalisering minimi (ADM), och 4) handleden extensor (Extensor carpi ulnaris).
- Anslut ytelektroderna med Elektromyografi (EMG) förstärkare och datainsamlingssystem och anslut förstärkaren till en datainsamlings dator med en kompatibel EMG-programvara.
- Medregistrera de fyra landmärkenna på deltagarnas huvud med hjälp av Landmark Pointer. Använd fliken validering för att säkerställa att deltagarens huvud är korrekt registrerat.
- Bestämning av motorns kartering TMS-intensitet
- Välj en rutnäts punkt närmast deltagarens "handratt". Välj knappen Justera mot mål för att justera den TMS-spole som roboten innehar till den här målplatsen. Välj kontakt på. Övervaka kontakt kvaliteten med hjälp av indikatorn för kontaktkraft. Se till att indikatorn är grön eller gul.
ANMÄRKNINGAR: den röda färgen på kontakt indikatorn innebär att det finns för mycket kraft på deltagarens huvud. Ingen färg betyder att TMS-spolen inte är i kontakt med deltagarens huvud. I dessa fall justerar du känsligheten för kraft plattan. - Instruera deltagaren att inte flytta utanför robotarmen. Se till att deltagarens hand muskler är avslappnade och förblir kvar före kontakt.
- Välj Justera och följ så att spolen förblir centrerad på målet om deltagaren rör sig.
- Använd TMS trigger-knappen på TMS-maskinen för att leverera 5-10 TMS-pulser med en intensitet mellan 40-60% maximal stimulatorutgång (MSO). Upprepa detta steg till 5-6 Grid-punkter som omger "handknob".
- Bestäm den rutnäts punkt som ger den största och mest konsekventa (hotspot) motorn framkallat potential (MEP) för vänster eller höger FDI muskler.
- Bestäm den vilo motor tröskel (RMT) som den lägsta intensitet som ger en PARLAMENTSLEDAMOT på minst 50 μV i FDI muskeln i 5/10 stimuleringar.
- Välj en rutnäts punkt närmast deltagarens "handratt". Välj knappen Justera mot mål för att justera den TMS-spole som roboten innehar till den här målplatsen. Välj kontakt på. Övervaka kontakt kvaliteten med hjälp av indikatorn för kontaktkraft. Se till att indikatorn är grön eller gul.
- Motor mappning
- Med början från Grid-punkten närmast hotspot, leverera fyra Single-Pulse TMS pulser (1 Hz) vid en interstimulus på 1 s och TMS intensitet av 120% RMT. En lyhörd Grid-Point bestäms av 2/4 ledamöter > 50 μV i någon av hand musklerna.
- Flytta till den intilliggande rutnäts punkten och upprepa ovanstående steg.
- Fortsätt sekventiellt på ett linjärt sätt längs responsiva punkter tills en icke-responsiv punkt nås, vilket är den första gränsregionen på kartan.
- Fortsätt mappning för att upprätta gräns punkterna i alla fyra riktningar i det rektangulära rutnätet.
- Spela in alla parlamentsledamöter från alla muskler med hjälp av EMG programvara för offline analys.
- Efter 3-4 rutnätspunkter väljer du kontakt av och ger deltagaren en paus tills de känner sig redo att fortsätta.
- Under hela kartsessionen, kontinuerligt checka in med deltagaren för att säkerställa att de är bekväma och/eller behöver en paus.
- Använd en papperskopia av samma rutnät för att please simulerings ordningen för ytterligare analys.
- Fullständig mappning med hjälp av en robotstyrd TMS som beskrivs här eller manuellt (inte beskrivs i detta manuskript). Om du använder en TMS robot, kommer det att flytta till den Grid-punkt som valts av försöksledaren. Roboten kommer att rymma för barn Head rörelse i nära realtid. Detta kommer att lindra eventuella ytterligare rörelser som är förknippade med en tekniker som manuellt håller spolen på deltagarens huvud.
Obs: om mappning med hjälp av en TMS-robot, se till att det finns en försöksledaren bredvid roboten hela tiden under sessionen. Om roboten placeras på en deltagares huvud och deltagaren plötsligt rör sig, kommer roboten att försöka följa huvudet. Om deltagaren måste flytta, nysa, repa eller utföra en aktivitet som involverar förflyttning av huvudet, måste robotarmen flyttas för att hindra deltagarens huvud från att slå robotens arm eller TMS-spole.
- Motor karta skapande
- Med hjälp av ett skräddarsytt kodnings skript, generera tredimensionella motor kartor (figur 2). Kontakta skript författarna.
- Beräkna motor karta område och volym med hjälp av lyhörd bollbana webbplatser. Beräkna tyngdpunkten (COG) som viktat medelvärde av motor representationerna för varje koordinatplats.
Kartområdet beräknas som rutnäts avståndet (7 mm)2 multiplicerat med det totala antalet responsiva webbplatser. Kart volymen beräknas som den sammanlagda summan av rutnäts avstånd multiplicerat med den genomsnittliga MEP-amplituden på varje responsiv webbplats. En användarvänlig version av skriptet utvecklas för att dela med allmänheten som öppen källkod. Under tiden, kontakta motsvarande författare för att få tillgång till skriptet.
3. konventionella tDCS-och HD-tDCS-applikationer
- Randomize deltagarna till en av tre interventions grupper (Sham, konventionella tDCS, HD-tDCS).
- Har deltagaren slutföra Purdue pegboard test (PPT) tre gånger med hjälp av sin vänstra hand (icke-dominerande), fastställa deras baseline poäng.
- Kontrollera elektrod kvaliteten för att bekräfta integriteten hos tDCS-svampskär och gummi elektroder.
- Slå på den konventionella tDCS-enheten genom att vrida strömbrytaren till på.
Obs: se till att lampan för svagt batteri inte lyser. Om den är upplyst byter du batterierna innan du påbörjar sessionen.- För deltagare som får konventionella eller simulerad tDCS, lätt blöt 2 25 cm2 svamp elektroder med saltlösning. Se till att hela elektroden är täckt men inte droppande. Sätt in gummi elektroden i de saltdränkta svamp elektroderna och Anslut varje elektrod till tDCS-enheten.
- Lokalisera den markerade hotspot (höger M1) med hjälp av miniinvasiv och markera den med en giftfri markör. I slutet av varje tDCS, HD-tDCS eller simulerad session markerar du aktiveringspunkten igen så att den visas nästa dag.
- Om randomiserade till konventionella tDCS eller simulerad tDCS, placera 1 25 cm2 saltlösning-indränkt svamp elektrod över deltagarens markerade hotspot (höger M1), tjänstgör som ande. Placera den andra 25 cm2 saltlösning fuktad svamp elektrod på kontralaterala supraorbital regionen, som representerar katoden. Använd en lätt plast barn "pannband" för att hålla elektroder på plats.
Obs: se till att det inte finns någon saltlösning droppande från elektroden eftersom det kan shunt strömmen. - I den simulerade och konventionella tDCS-gruppen, säkerställ "optimal" kontakt kvalitet. Om kontakt kvaliteten är "suboptimal", injicera en liten mängd saltlösning under svamp elektroderna, eller se till att det finns minimalt med hår mellan hårbotten och elektrod.
Obs: "optimal" kontakt kvalitet uppnås när mer än hälften av kvaliteten på kontakt indikatorlamporna är på. Om mindre än hälften av kontakt indikatorlamporna lyser är kontakt kvaliteten suboptimal. Starta inte stimulering om endast en av två av indikatorlamporna lyser. - I HD-tDCS-gruppen, se Villamar, M.F., et al.16 för lämplig uppsättning.
- I gruppen HD-tDCS ställer du in enheten på skannings inställningen för att kontrollera impedansen vid varje elektrod. Se till att impedansen är under 1 "kvalitetsenhet" och beskrivs tidigare19,20. Om kontakt kvaliteten är dålig, ta bort elektroden och kontrollera att det inte finns något hår som hindrar elektrodens kontakt och att en kontinuerlig kolonn av elektrodgel finns mellan hårbotten och elektroden. Vid behov, applicera mer elektrodgel.
- Om randomiserade till konventionella tDCS eller simulerad tDCS, placera 1 25 cm2 saltlösning-indränkt svamp elektrod över deltagarens markerade hotspot (höger M1), tjänstgör som ande. Placera den andra 25 cm2 saltlösning fuktad svamp elektrod på kontralaterala supraorbital regionen, som representerar katoden. Använd en lätt plast barn "pannband" för att hålla elektroder på plats.
- Ställ in TDCs och HD-TDCs enheten till anod montage inställning, 1 mA nuvarande styrka, och 20 min varaktighet.
- Se till att deltagaren sitter bekvämt och de förstår de möjliga förnimmelser de kan uppleva (t. ex. kliande eller stickande känsla). Påminn deltagaren att kommunicera om de känner obehag eller om de har några frågor.
- I de konventionella tDCS-och HD-tDCS-grupperna kontrollerar du att växlingsknappen är inställd på aktiv.
Anm: för Sham-gruppen ska växlingsknappen vara inställd på simulerad. Den här inställningen ska döljas för deltagaren. - Tryck på enhetens Start -knapp för att starta stimulering. Se till att varaktigheten är inställd på 20 min, och intensiteten till 1 mA.
Obs: i de konventionella tDCS och HD-tDCS grupper, den nuvarande kommer ramp upp över 30 s till 1 mA och fortsätta i 20 min. I den simulerade tDCS gruppen kommer strömmen att ramped upp över 30 s till 1 mA och omedelbart ramped ner över 30 s.
- I de konventionella tDCS-och HD-tDCS-grupperna kontrollerar du att växlingsknappen är inställd på aktiv.
- Vid 5 min, 10 min, 15 min, och 20 min, har deltagaren slutföra PPT tre gånger med hjälp av sin vänstra hand.
- Efter 20 min, Stäng av enheten efter intensiteten slutar rampning ner till 0 mA.
Obs: för deltagare som får antingen konventionella tDCS eller HD-tDCS, kommer maskinen automatiskt ramp ner till 0 mA vid 20 min. För deltagare som får simulerad tDCS, kommer maskinen automatiskt ramp upp över 30 s till 1 mA och omedelbart ramp ner till 0 mA över 30 s på 20 min. - Ta bort elektroderna från deltagarens huvud.
- För simulerad och konventionell tDCS-grupp, ta bort svarta elektroder inifrån svampen och skölj svampelektroden med normalt kranvatten.
- I HD-tDCS-gruppen tar du av plast elektrodhållaren upptill och avlägsnar elektroderna. Ta bort elektrod locket från deltagarnas huvud. Skölj varje gel i elektrodhållaren. Rengör elektroden med en lätt fuktad pappershandduk. Torka av elektroden med en torr pappershandduk för att avlägsna eventuell kvarvarande gel.
- Har alla deltagare slutföra transcranial direkt-ström stimulering biverkningar och tolerabilitet frågeformulär efter varje stimulering session.
- Har deltagarna slutföra PPT tre gånger med sin vänstra hand.
- Ha deltagarna tillbaka följande dag och för ytterligare fyra dagar i följd (fem dagar totalt) för icke-invasiv hjärnstimulering (Sham, tDCS eller HD-tDCS) ihopkopplade med Motorisk inlärning (PPT). Upprepa steg 3.2-3.13 på dag 2-4. På dag 5, har deltagarna börjar med icke-invasiv hjärnstimulering (Sham, tDCS eller HD-tDCS) (steg 3.2-3.13 upprepas). Efter en paus (45 min-~ 1.5 h sedan emot stimulering), starta Robotic TMS motor Mapping (steg 2.3-2.5.8).
Obs: alla deltagare fick samma antal minuter för raster mellan bedömningar. - Efter 6-vecken, inbjuda deltagarna till återvända och utföra den PPT utan får någon inte-invasiv hjärna stimulering (steg 3,2 följde efter vid roboten TMS motor kartläggande (steg 2.5.8)).
- Ha deltagarna tillbaka följande dag och för ytterligare fyra dagar i följd (fem dagar totalt) för icke-invasiv hjärnstimulering (Sham, tDCS eller HD-tDCS) ihopkopplade med Motorisk inlärning (PPT). Upprepa steg 3.2-3.13 på dag 2-4. På dag 5, har deltagarna börjar med icke-invasiv hjärnstimulering (Sham, tDCS eller HD-tDCS) (steg 3.2-3.13 upprepas). Efter en paus (45 min-~ 1.5 h sedan emot stimulering), starta Robotic TMS motor Mapping (steg 2.3-2.5.8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Med hjälp av de metoder som presenteras här, avslutade vi en randomiserad, simulerad interventionell rättegång8. Högerhänta barn (n = 24, åldrarna 12-18) utan kontraindikationer för båda typerna av icke-invasiv hjärnstimulering rekryterades. Deltagarna exkluderades specifikt i denna studie om neuropsykotropa mediciner eller om de inte var naiva för tDCS. Det fanns inga dropouts.
Robotic TMS motor kartor erhölls för att förvärva en baslinje motor karta och att fungera som en potentiell mekanism för att övervaka neuroplastiska och kortikala excitabilitet förändringar efter motoriskt lärande i kombination med icke-invasiv hjärnstimulering. Med hjälp av de metoder som beskrivs ovan, alla deltagare fick tre Robotic TMS motor kartor, 1) baslinjen före icke-invasiv hjärnstimulering (Sham, tDCS, eller HD-tDCS), 2) dag 5 (post), och 3) vid 6-veckors uppföljning (retentionstid). Alla deltagare fick bihemisfäriska motor kartläggning (3 deltagare fick rätt halvsfäriska motor kartläggning endast på grund av tidsbrist). Motor kartor slutfördes i genomsnitt i 18 min för ensidiga motor kartor och 36 min för bihemisfäriska kartläggning. Motor karta område, volym, hotspot, och COG beräknades och jämfördes på individ-och gruppnivå. I vår första motor karta analys, motor karta område och volym inte ändras avsevärt efter ingreppet. I vår sekundära analys resulterade mätning av submaximala proportioner av kartområde och volym i signifikant mindre varians (p < 0,05).
Alla deltagare fick en av tre icke-invasiva hjärnstimuleringinterventioner under en löptid på 20 min (1 mA) under fem dagar i följd. Vi visade att tDCS och HD-tDCS förbättra inlärnings hastigheten (antal pinnar/dag) (tDCS p = 0.042, HD-tDCS p = 0.049) över 5 dagars träning. De aktiva interventions grupperna (tDCS och HD-tDCS) hade större förbättringar i den dagliga genomsnittliga vänsterhanden PPT-Poäng (PPTL) vid dag 4 och 5 jämfört med simulerad (dag 4 p ≤ 0.043, dag 5 p ≤ 0,05) (figur 3). De aktiva interventions grupperna behöll sina motoriska färdigheter (på PPT) vid 6 veckors efter träning. Emellertid, det fanns betydande skicklighet förfall i Sham gruppen från efter träningen till 6-veckors uppföljning (p = 0.034). Denna metod har replikerats från en tidigare studie21 och datauppsättningarna kombinerades (figur 4). Replikeringsdata visade liknande resultat. Det fanns en signifikant ökning av graden av lärande observerades i tDCS och HD-tDCS grupp jämfört med Sham gruppen (tDCS p = 0,001, HD-tDCS p = 0,012).
Figur 1: prövningsprotokoll. PTT = Purdue pegboard test, TMS = TMS motor mappning TDCs = transkraniell Direct ström stimulering, HD-TDCs = High-definitional TDCs. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: ett exempel på en TMS-motorkarta. Övre vy av vänster FDI motor Map (a) pre och (B) post HD-TDCs intervention. Röda korset indikerar hotspot, blått kors indikerar COG. Färg listen anger räckvidden för MEP från 0-2 mV. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Motorisk inlärning observerades i simulerad, TDCs och HD-TDCs grupper. Denna siffra har återpublicerats från Cole & Giuffre et al. 2018. (A) genomsnittlig daglig förändring i vänster Purdue pegboard Poäng från baseline i Sham (vita trianglar), tDCS (grå cirklar), och HD-tDCS (svarta cirklar), (n = 24). (B) daglig medelvärdes Poäng vid varje tidpunkt i PPTL. * p ≪ 0,05 för TDCs vs. sham, # p < 0,05 för HD-TDCs vs. Sham. Felstaplar indikerar standardfel. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 4: replikering av metoder-kombinerade PPTL dataset för 3 dagars träning. Denna siffra har återpublicerats från Cole &Amp; Giuffre et al. 2018). (A) inlärningskurvor för simulerade (vita trianglar, n = 14), TDCs (grå cirklar, n = 14) och HD-TDCs (svarta cirklar, n = 8) grupper. (B) genomsnittlig daglig inlärning för Sham, TDCs och HD-TDCs från de kombinerade studierna. Felstaplar indikerar standardfel. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
TMS har också undersökts i kliniska pediatriska populationer, inklusive perinatal stroke22 och cerebral pares, där TMS motor kartor framgångsrikt skapades hos barn med cerebral pares att utforska mekanismerna för interventionell plasticitet. Med hjälp av en etablerad protokoll8, TMS motor kartor samlades framgångsrikt i typiskt utveckla barn, och för närvarande samlas i en pågående multicenter klinisk prövning för barn med perinatal stroke och hemiplegic cerebral pares ( NCT03216837). Beskriva TMS motor kartläggnings metoder kommer att möjliggöra replikering och ytterligare tillämpningar av protokoll hos friska barn och barn med rörelsestörningar.
Robotic motor Mapping förbättrar TMS spole placering noggrannhet och minskar mänskliga fel jämfört med manuella tekniker23,24. Denna teknik är mer fördelaktigt för pediatriska populationer som har ökat huvudrörelser och lägre tolerabilitet för långa sessioner12. Även motor kartläggning med hjälp av en TMS robot har rapporterats hos vuxna, vår grupp är den första att tillämpa denna teknik i en pediatrisk population. Nya motor kartläggnings metoder som använder statistisk viktning och interpolering25,26 kan användas för att minska förvärvs tiden om den kombineras med robot-TMS. Som sådan bör metoder undersökas ytterligare i hjärnans utveckling.
Vi skisserar en kortfattad strategi för att tillämpa tDCS, HD-tDCS, och TMS i en hälsosam pediatrisk population. Det finns en mängd olika kritiska steg att överväga i tillämpningen av icke-invasiv hjärnstimulering hos barn. Det är viktigt att barn och/eller deras föräldrar bekräftar att deltagaren inte har några kontraindikationer för icke-invasiv hjärnstimulering. Det är viktigt för deltagarna att känna sig bekväma och trygga. Uppmuntra deltagarna att ställa frågor under hela sessionen eftersom det är nödvändigt att kontinuerligt få feedback under hela sessionen, särskilt i en pediatrisk population. Det är också viktigt att kontrollera kvaliteten på elektroderna och kvaliteten på deltagarnas hårbotten, eftersom detta utesluter säker applicering av tDCS. Det är viktigt att ha rätt anodal montage, nuvarande intensitet, och varaktigheten av stimulering väljs på maskinen innan stimulering. Det finns specifika överväganden för konventionella tDCS och HD-tDCS. I HD-tDCS, är det viktigt att rotera elektroden valt att vara i centrum anodal position med omgivande elektroder för att minska mängden elektrod haveri. Det är viktigt att ha rätt anslutning av kablarna till anodal och katodal portar på 1x1 TDCs maskinen i konventionella TDCs att möjliggöra korrekt polaritet som skall tillämpas. Tidigare litteratur har visat vikten av att använda saltlösning för att förbättra tolerabiliteten av stimulering27. Den vanligaste känslan som beskrivs i vår studie var klåda (56%)14. Vi har rapporterat några negativa effekter i vår population med hjälp av våra metoder som beskrivs12,14.
Det finns en mängd olika modifieringar att göra när finslipa tillämpningen av tDCS och HD-tDCS. Det är viktigt att ha bra kontakt kvalitet för att minska motståndet i den nuvarande över hårbotten. Om kontakt kvaliteten är dålig, mer saltlösning kan tillämpas för att minska motståndet i konventionella tDCS. Det är dock viktigt att först se till att bra elektrod kontakt med hårbotten är närvarande. I HD-tDCS, är det viktigt att hårbotten exponeras för att möjliggöra bättre kvalitet på elektroden. Hår kan behöva ytterligare borstas ur vägen och mer elektrodgel appliceras för att förbättra kontakt kvaliteten. Kontrollera att kontakt kvaliteten övervakas kontinuerligt under hela sessionen.
Aktuella modellering studier har föreslagit en skillnad i nuvarande styrka upplevt över åldersgrupper beroende på vit substans och CSF volym10,11. En begränsning av denna metod är att vi inte utföra blivande nuvarande modellering på varje deltagare att tillämpa en aktuell styrka som skulle inducera jämförbara neuronala elektriska fältstyrka över deltagarna.
Denna metod är ett viktigt nästa steg i tillämpningen av icke-invasiv hjärnstimulering i pediatrik. Vi har förlängt vår utbildningsperiod från tre dagar till fem dagar och observerat liknande förbättringar i skicklighet. HD-tDCS har endast tillämpats i en pediatrisk population med hjälp av vår metod och vi har visat att det finns liknande motorisk skicklighet att lära sig konventionella tDCS. HD-tDCS inducerar en mer fokal ström, förbättra inriktning och implikation28. De metoder som beskrivs i detta dokument kommer att möjliggöra replikering och ytterligare studier av HS-tDCS hos barn.
Dessa metoder för närvarande utvidgas till en perinatal stroke population. TDCS och HD-tDCS-protokollet har anpassats till denna population och utbildningstiden har förlängts för att vidareutveckla kliniska prövningar i perinatal stroke. Det är viktigt att optimera tillämpningen av tDCS i pediatrik för att främja terapeutisk tillämpning hos barn med perinatal stroke och därmed förbättra motorisk funktion resultat. För TMS motor kartläggning, är det viktigt att se till att deltagaren är bekvämt sittande, med armarna och händerna i en avslappnad position. Efter full motor Mapping session, endast 15% av deltagarna upplevde mild självbegränsande huvudvärk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga avslöjanden.
Acknowledgments
Denna studie stöddes av de kanadensiska instituten för hälsoforskning.
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).
