Summary
Çocuklarda motor korteksinin modülasyon (DCS, HD-tDCS) ve haritalama (robotik TMS) için protokoller gösteriyoruz.
Abstract
Transkraniyal Manyetik stimülasyon ile motor korteks haritalama (TMS) motor korteks Fizyoloji ve plastisite sorgulama potansiyeli vardır ama çocuklarda benzersiz zorluklar taşır. Benzer şekilde, Transkraniyal doğrudan akım stimülasyon (tDCS) yetişkinlerde motor öğrenimini artırabilir, ancak çocuklara son zamanlarda uygulanabilmektedir. DCS kullanımı ve yüksek çözünürlüklü DCS (HD-DCS) gibi ortaya çıkan teknikler, gelişmekte olan beyinde özel metodolojik hususlar gerektirir. Robotik TMS motor haritalama özellikle gelişmekte olan beyinde, haritalama için benzersiz avantajlar gösterebilir. Burada, çocuklarda motor korteks modülasyonu ve motor haritalarını aynı anda keşfedebilebilen iki entegre Yöntem için pratik ve standartlaştırılmış bir yaklaşım sağlamayı hedefliyoruz. İlk olarak, robotik TMS motor haritalama için bir protokol açıklanmaktadır. Bireyselleştirilmiş, MRI-Navigated 12x12 ızgaralar motor korteks rehberlik bir robot tek Pulse TMS yönetmek için merkezli. Ortalama motor uyarılmış potansiyel (MEP) ızgara noktası başına amplitüs harita alanı, hacim ve yerçekimi merkezi dahil sonuçları ile bireysel el kasları 3D motor haritaları oluşturmak için kullanılır. Her iki yöntemin de güvenliğini ve tolerabilirliğini ölçmek için araçlar da dahildir. İkinci olarak, motor korteks ve motor öğrenimini modüe etmek için hem DCS hem de HD-DCS uygulamasının uygulanması açıklanmaktadır. Deneysel bir eğitim paradigması ve örnek sonuçlar açıklanmıştır. Bu yöntemler çocuklarda non-invaziv beyin stimülasyon uygulanması ilerletmek olacaktır.
Introduction
Non-invaziv beyin stimülasyon hem ölçmek ve insan beyin fonksiyon modüle olabilir1,2. En yaygın hedef motor korteks olmuştur, kısmen hemen ve ölçülebilir biyolojik çıkış (motor uyarılmış potansiyeller) ama aynı zamanda motor sistemi disfonksiyon ve özürlülük sonuçlanan nörolojik hastalıkların yüksek prevalansı. Hastalığın bu büyük küresel yükü, serebral palsi gibi çocukları etkileyen koşullar yüksek bir oranını içerir, dünya çapında bazı 17.000.000 kişi etkileyen ömür boyu özürlü önde gelen nedeni3. Bu klinik alaka ve nörostimulasyon teknolojilerinin çeşitli ve artan kapasitelerine rağmen, gelişmekte olan beyindeki uygulamalar sadece4tanımlanmaya başlıyor. Çocuklarda mevcut ve ortaya çıkan non-invaziv beyin stimülasyon yöntemlerinin geliştirilmiş karakterizasyonu gelişmekte olan beyindeki uygulamaları ilerletmek için gereklidir.
Transkraniyal Manyetik stimülasyon (TMS), yetişkinlerde non-invaziv, ağrısız, iyi tolere edilmiş ve güvenlik profili için giderek kullanılan iyi kurulmuş bir nörofizyolojik araçtır. Çocuklarda TMS deneyimi nispeten sınırlıdır ama sürekli artmaktadır. TMS, hedef kas motoru uyarılmış potansiyelleri (MEP) yansıyan net çıkışlar ile beyinde kortikal nöronal nüfus bölgesel aktivasyonunu teşvik etmek için manyetik alanlar sunar. Tek nabız TMS sistematik uygulama içinde vivo motor korteks haritaları tanımlayabilir. Seminal hayvan çalışmaları5 ve gelişen insan TMS çalışmaları6 motor haritaları kortikal Nöroplastisite mekanizmaları bilgilendirmek nasıl yardımcı olabilir göstermiştir. Navigated motor haritalama fonksiyonel kortikal bölgeleri sorgulamak için insan motor korteks dışarı eşlemek için kullanılan bir TMS tekniktir. Motor haritasındaki değişiklikler insan motoru sistemi7' nin plastik değişikliklerle ilişkilidir. Robotik TMS teknolojisindeki son gelişmeler, motor haritalama verimliliğini ve doğruluğunu iyileştirmek için yeni fırsatlar getirdi. Grubumuz son zamanlarda robotik TMS motor eşlemesinin uygun, verimli ve8çocuklarda iyi tolere edildiğini göstermiştir.
Transkraniyal doğrudan akım stimülasyon (tDCS), kortikal uyarılabilirliği kaydırabilir ve insan davranışlarını modülasyona neden olmayan invaziv beyin stimülasyon biçimidir. Orada (> 10000 konular) yetişkinlerde tDCS etkisini inceleyerek çalışmalar çok sayıda olmuştur ama daha az% 2 çalışmalar gelişmekte olan beyin üzerinde duruldu9. Yetişkin kanıtların Pediatri uygulamalarına çevirisi karmaşıktır ve çocuklarda karmaşık farklılıklar nedeniyle değiştirilmiş protokoller gereklidir. Örneğin, biz ve diğerleri yetişkinler10,11ile karşılaştırıldığında daha büyük ve daha güçlü elektrik alanları tecrübe göstermiştir. Çocuklarda tDCS yöntemlerinin standardizasyonu, güvenli ve tutarlı uygulama sağlamak, çoğaltmayı iyileştirmek ve alanı ilerletmek için önemlidir. Motor öğrenme modülasyonuyla ilgili deneyimler çocuklar için sınırlıdır, ancak12artar. TDCS 'in belirli serebral palsi nüfuslarına translasyonel uygulamaları geç faz klinik çalışmalarda13' e doğru ilerliyorlar. Yüksek çözünürlüklü DCS (HD-DCS) ile uygulanan daha fazla fokal stimülasyon çabaları sadece14yaşındaki çocuklarda ilk kez incelenmiştir. Biz HD-tDCS Sağlıklı çocuklarda geleneksel DCS olarak motor öğrenme benzer iyileştirmeler ürettiğini göstermiştir14. HD-tDCS yöntemlerinin tanımlanması, çocuklarda bu tür protokollerin çoğaltılmasını ve daha fazla uygulamalarını sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bu protokolde açıklanan tüm yöntemler konjoint sağlık araştırma etiği kurulu, Calgary Üniversitesi (REB16-2474) tarafından onaylanmıştır. Protokol Şekil 1' de açıklanmıştır.
1. non-invaziv beyin stimülasyon kontrendikasyonları
- TMS15 ve tDCS1 için kontrendikasyonlar için tüm katılımcılar ekran önce işe.
2. Transkraniyal Manyetik stimülasyon motor haritalama
- Navigasyonlu TMS için MRG hazırlanması
- Her katılımcının yapısal MRG (T1) alın. Eğer bir MRI elde edilemez ise, Montreal nörolojik Enstitüsü 'nden MRI şablonu kullanın.
- MRI dosyasını DICOM veya niftı formatında Nöronavigasyon yazılımına içe aktarın (bkz. malzeme tablosu).
- TMS hedef yörüngeleri
- Cilt ve tam beyin curvilinear sekmeleri kullanarak yeniden oluşturmak için Nöronavigasyon yazılımı kullanın.
- Yeni, ciltve işlem ciltseçin. Burnun ve kafasının üst kısmına dahil olduğundan emin olun.
- Yenive tam beyin Curvilinearseçin. Yeşil seçim kutusunu beynin dışında ama kafatasının içinde alın. Hesaplama Curvilinearseçin. Kabuk derinliğini 4,0-6,0 mm olarak ayarlayın.
- Simge yapıları Yapılandır'ı seçin. Burun ucunda dört simge yer, nasion, ve yeniden oluşturulmuş cildin her iki kulaklarının çentikler. Onların anatomisine karşılık gelen simge adını.
- Seçin hedefleri sekmesi eğrisel beyin görüntülemek için. Yenive dikdörtgen ızgara'yı seçin. Motor korteks (precentral gyrus)17"el kolu" üzerinde yeniden oluşturulan beynin yüzeyinde 7 mm Aralık ile üniforma 12 x 12 koordinat ızgaraları yerleştirin.
- Rotasyon, eğim ve eğrilik için ızgara konumlandırma optimize etmek için sağdaki hedef Konumlandırma aracı 'nı kullanın. Izgara noktalarını, robotun TMS bobini konumlandıracak şekilde yönlendirecek yörüngeleri içine dönüştürün. Yörünge açısını ayarlayın, böylece beynin uzunlamasına fisşuraya 45 ° olur.
- Kıvrık beyin için yörüngeleri almak ve optimize etmek için Snap aracı kullanın.
- TMS robot kolunu ve koltuğunu başlatabilir ve konumlandırın ve Force sensör testinikullanarak kuvvet plakası sensörünü kalibre edin.
- Katılımcının motor haritalaması için hazırlanması
- Katılımcılara bir güvenlik anketi18doldurunuz.
- Katılımcılar robot sandalyeye rahatça oturduktan sonra, sırtlık ve boyunları ayarlayın. Ayakları desteklendiğinden emin olun. Kollarını ve ellerini yastık ile destekliyoruz, eşleştirme seansının süresi boyunca ellerini istirahat pozisyonunda sağlamak için.
Not: çocuklar ve ergenler ellerini rahat tutmak için oturum boyunca hatırlatmalar gerekir. - İlgi kas üzerinde cilt temizleyin. 4 distal forelimb kaslarını, 1) ilk dorsal interosseöz (FDI), 2) kaçırıcısı pollisis brevis (APB), 3) kaçırıcısı digiti minimi (adm) ve 4) bileğini hedefleyen, katılımcının her iki eliyle ve önkollarında yer alan Ag/AgCl yüzey elektrotları ekstansiyon (ekstansiyon Carpi ulnaris).
- Elektromiyografi (EMG) amplifikatörü ve veri toplama sistemiyle yüzey elektrotlarını bağlayın ve amplifikatörü uyumlu bir EMG yazılımı olan bir veri toplama bilgisayarına bağlayın.
- Dönüm noktası işaretçisini kullanarak katılımcının başına dört simge olarak kayıt olun. Katılımcının kafasının doğru şekilde kaydedildiğinden emin olmak için doğrulama sekmesini kullanın.
- Motor haritalaması TMS yoğunluğunu belirleme
- Katılımcının "el kolu" nda en yakın kılavuz noktasını seçin. Robot tarafından tutulan TMS bobini bu hedef konuma hizalamak için hedefe Hizala düğmesini seçin. Ilgili kişi'yi seçin. Kontakt gücü göstergesini kullanarak kontak kalitesini izleyin. Göstergenin yeşil veya sarı olduğundan emin olun.
Not: temas göstergesinin kırmızı rengi, katılımcının kafası üzerinde çok fazla kuvvet bulunduğunu gösterir. Hiçbir renk TMS bobinin katılımcının kafası ile temas etmediği anlamına gelir. Bu durumlarda, kuvvet plakası hassasiyetini ayarlayın. - Katılımcı robot kolu kapsamı dışında hareket etmek için talimat. Katılımcının el kaslarının rahat olduğundan emin olun ve temas etmeden önce hala kalır.
- Hizala ve takip et 'i seçin, böylece katılımcı hareket ederse bobin hedef üzerinde ortalanmış kalır.
- % 40-60 maksimum stimülatör çıkışı (MSO) arasında bir yoğunlukta 5-10 TMS darbeleri teslim etmek için TMS makinesinde TMS tetik düğmesini kullanın. Bu adımı, "el kolu" nın çevresindeki kılavuz noktalarını 5-6 olarak tekrarlayın.
- Sol veya sağ FDı kası için en büyük ve tutarlı (hotspot) motor uyarılmış potansiyeli (MEP) sağlayan kılavuz noktasını belirleyin.
- 5/10 stimülasyonlarında FDı kasında en az 50 μV 'luk bir MEP üreten en düşük yoğunluk olarak dinlenme motoru eşik değerini (RMT) belirleyin.
- Katılımcının "el kolu" nda en yakın kılavuz noktasını seçin. Robot tarafından tutulan TMS bobini bu hedef konuma hizalamak için hedefe Hizala düğmesini seçin. Ilgili kişi'yi seçin. Kontakt gücü göstergesini kullanarak kontak kalitesini izleyin. Göstergenin yeşil veya sarı olduğundan emin olun.
- Motor haritalama
- Hotspot 'a en yakın kılavuz noktasından başlayarak, 1 sn 'lik bir interstimulus ve% 120 RMT TMS şiddetinde dört tek Pulse TMS darbesi (1 Hz) sunun. Duyarlı bir kılavuz noktası 2/4 MEPs tarafından belirlenir > 50 μV el kaslarından herhangi birinde.
- Bitişik kılavuz noktasına taşıyın ve yukarıdaki adımı yineleyin.
- Uyumlu olmayan bir noktaya ulaşılana kadar, haritanın ilk kenarlık bölgesi olan duyarlı noktalar boyunca doğrusal bir şekilde sıralı olarak devam edin.
- Dikdörtgen Izgara dört yönde kenarlık noktalarını kurmak için eşleme devam edin.
- Çevrimdışı analiz için EMG yazılımını kullanarak tüm kaslardan tüm MEP 'Leri kaydedin.
- 3-4 sonra kılavuz noktaları, seçin kişi kapalı ve devam etmeye hazır hissekadar katılımcı bir mola vermek.
- Haritalama oturumu boyunca, rahat ve/veya bir mola gerekir emin olmak için katılımcı ile sürekli olarak kontrol edin.
- Daha fazla analiz için simülasyon sırasını tutturabilmek için aynı ızgaraların sabit kopya sürümünü kullanın.
- Burada veya el ile açıklandığı gibi bir robotik TMS kullanarak tam haritalama (Bu yazıda açıklanmadı). Bir TMS robot kullanıyorsanız, deney tarafından seçilen kılavuz noktasına hareket edecektir. Robot, çocuk kafası hareketi için yakın gerçek zamanlı olarak barındıracaktır. Bu, bir teknisyen ile ilişkili herhangi bir ek hareketi, katılımcının kafasına bobini el ile tutarak hafifletecektir.
Not: bir TMS robotu kullanarak eşleştirme yapıyorsanız, oturum sırasında robotun yanında her zaman bir deney olduğundan emin olun. Robot bir katılımcının kafasına yerleştirildiğinde ve katılımcı aniden hareket ederse, robot başını takip etmeye çalışacak. Katılımcı hareket etmek, hapşırmak, çizilme ya da başının hareketini içeren bir aktivite yapıyorsanız, katılımcı kafasının robotun kolunu veya TMS bobini vurmasını önlemek için robot kolu taşınmalıdır.
- Motor haritası oluşturma
- Özel olarak yapılan bir kodlama komut dosyası kullanarak üç boyutlu motor haritaları oluşturun (Şekil 2). Senaryo için yazarlara başvurun.
- Duyarlı yörünge siteleri kullanarak motor Haritası alanı ve hacmi hesaplayın. Her koordinat konumunun motor temsillerinin ağırlıklı ortalama olarak yerçekimi merkezini (COG) hesaplayın.
Not: harita alanı, kılavuz aralığı (7 mm)2 ile çarpılarak toplam duyarlı sitelerin sayısına göre hesaplanır. Harita hacmi, her duyarlı sitedeki ortalama MEP genliği ile çarpılan ızgara aralığının birikimli toplamı olarak hesaplanır. Komut dosyasının Kullanıcı dostu bir sürümü, açık kaynak olarak ortak ile paylaşmak için geliştirilmiştir. Bu arada, Script erişim almak için ilgili yazar başvurun.
3. konvansiyonel DCS ve HD-tDCS uygulaması
- Katılımcıları üç müdahale grubundan birine (Sham, konvansiyonel DCS, HD-tDCS) randomize etme.
- Katılımcının, sol elini (baskın olmayan) kullanarak üç kez Purdue Pegboard testini (PPT) tamamlayıp temel puanlarını oluşturmasını yapın.
- TDCS sünger uçları ve kauçuk elektrotların bütünlüğünü onaylamak için elektrot kalitesini inceleyin.
- Güç anahtarını Açıkolarak döndürerek geleneksel DCS aygıtını açın.
Not: düşük pil ışığını aydınlatmadığından emin olun. Aydınlatılırsa, oturumu başlatmadan önce pilleri değiştirin.- Geleneksel veya sahte DCS alan katılımcılar için, hafifçe 2 25 cm2 sünger elektrotları tuz ile ıslatın. Tüm elektrot kaplı ancak damlama değil emin olun. Kauçuk elektrot tuz ıslatılmış sünger elektrotlar içine takın ve tDCS cihaza her elektrot bağlayın.
- Nöronavigation kullanarak işaretli Hotspot (right M1) bulun ve bir toksik olmayan Marker ile işaretleyin. Her DCS, HD-tDCS veya Sham oturumunun sonunda, sonraki gün görünür olması için hotspot yeniden işaretleyin.
- Geleneksel DCS veya Sham DCS için randomize, yer 1 25 cm2 tuz-batırılmış sünger elektrot katılımcı işaretli Hotspot (right M1), anot olarak hizmet. Diğer 25 cm2 tuz-ıslatılmış sünger elektrodu kontralateral supraorbital bölgeye yerleştirin, katot temsil eder. Elektrotları yerinde tutmak için hafif plastik Pediatrik "kafa bandı" kullanın.
Not: mevcut şant gibi elektrot damlama hiçbir tuzlu olduğundan emin olun. - Sham ve konvansiyonel DCS grubunda "optimum" iletişim kalitesini sağlayın. İletişim kalitesi "alt-optimum" ise, sünger elektrotlar altında az miktarda tuz çözeltisi enjekte veya kafa derisi ve elektrot arasında minimal saç olduğundan emin olun.
Not: "optimum" kontakt kalitesi, temas göstergesi ışıklarının yarısından fazlası açık olduğunda elde edilir. Kontak göstergesi ışıklarının yarısından azı açık ise, kontak kalitesi alt-optimal olur. Gösterge ışıklarının sadece bir tanesi açık olduğunda stimülasyon başlatmayın. - HD-tDCS grubunda, uygun ayarlama için Villamar, sık, ve al.16 ' ya bakın.
- HD-tDCS grubunda, her elektrottaki empedansı kontrol etmek için cihazı tarama ayarı 'na ayarlayın. Empedans 1 "kalite ünitesi" altında olduğundan emin olun ve daha önce19,20açıklanmıştır. İletişim kalitesi zayıf ise, elektrot çıkarın ve elektrot temas engelleyen hiçbir saç olduğunu kontrol ve elektrot jel sürekli bir sütun kafa derisi ve elektrot arasında mevcut olduğunu. Gerekirse, daha fazla elektrot jeli uygulayın.
- Geleneksel DCS veya Sham DCS için randomize, yer 1 25 cm2 tuz-batırılmış sünger elektrot katılımcı işaretli Hotspot (right M1), anot olarak hizmet. Diğer 25 cm2 tuz-ıslatılmış sünger elektrodu kontralateral supraorbital bölgeye yerleştirin, katot temsil eder. Elektrotları yerinde tutmak için hafif plastik Pediatrik "kafa bandı" kullanın.
- TDCS ve HD-tDCS aygıtını anot montaj ayarına, 1 mA akım gücüne ve 20 dak süresi ile ayarlayın.
- Katılımcı rahat oturduğundan emin olun ve onlar (örneğin kaşıntılı veya karıncalanma duyumlar) yaşayabilirsiniz olası duyumları anlamak. Katılımcıların herhangi bir rahatsızlık hissederken veya herhangi bir sorusu varsa iletişim kurmasını hatırlatın.
- Geleneksel DCS ve HD-tDCS gruplarında, geçiş etkinolarak ayarlandığından emin olun.
Not: Sham Grubu Için, geçiş Shamiçin ayarlanmalıdır. Bu ayar katılımcının gizli olması gerekir. - Stimülasyon başlatmak için aygıtın Başlat düğmesine basın. Süre için 20 dakika ve yoğunluğu 1 mA olarak ayarlandığından emin olun.
Not: geleneksel DCS ve HD-tDCS gruplarında, akım 30 sn 'den 1 mA 'ya kadar yükselecek ve 20 dakika boyunca devam edecektir. Sham tDCS grubunda, akım 30 s 'den 1 mA 'ya kadar yayılacaktır ve hemen 30 ' dan fazla aşağı yayıldı.
- Geleneksel DCS ve HD-tDCS gruplarında, geçiş etkinolarak ayarlandığından emin olun.
- 5 dakika, 10 dakika, 15 dakika ve 20 dakika, katılımcı kendi sol el kullanarak PPT üç kez tamamlamak zorunda.
- 20 dakika sonra, yoğunluk, 0 ma 'ya doğru açılı frezeleme bittikten sonra cihazı kapatın.
Not: geleneksel DCS veya HD-DCS alan katılımcılar Için, makine otomatik olarak 0 mA 'ya 20 dakikada aşağı doğru rampa olacak. Sahte DCS alan katılımcılar için, makine otomatik olarak 30 s üzerinde 1 mA kadar rampa ve hemen 0 mA üzerinde 30 s 20 dakika aşağı rampa olacaktır. - Katılımcının kafasından elektrotları çıkarın.
- Sham ve konvansiyonel DCS grubu için, süngerlerin içinden siyah elektrotları çıkarın ve sünger elektrot normal musluk suyu ile durulayın.
- HD-tDCS grubunda plastik Elektrot tutucu üst kısmına çekin ve elektrotları çıkarın. Elektrot kapağını katılımcıların kafasından çıkarın. Elektrot tutucusuna herhangi bir jel durulayın. Elektrotunu hafif nemli bir kağıt havlusu ile temizleyin. Kalan jeli kaldırmak için elektrot bir kuru kağıt havlu ile silin.
- Tüm katılımcıların her stimülasyon seansından sonra Transkraniyal doğrudan akım stimülasyon yan etkileri ve toleransları anketi tamamlaması gerekir.
- Katılımcıların sol el kullanarak PPT üç kez tamamlamak var.
- Katılımcıların ertesi gün geri dönmesini ve motor öğrenimi (PPT) ile eşleştirilmiş non-invaziv beyin stimülasyon (Sham, tDCS veya HD-tDCS) için ardışık dört gün (beş gün toplam). Adım 3.2-3.13 gün 2-4 üzerinde yineleyin. 5. gün, katılımcılar non-invaziv beyin stimülasyon ile başlar (Sham, DCS veya HD-tDCS) (adımlar 3.2-3.13 tekrarlanır). Bir mola sonra (45 min-~ 1,5 h stimülasyon aldıktan beri), robotik TMS motor haritalama (Steps 2.3-2.5.8) başlatın.
Not: tüm katılımcılar, değerlendirmeler arasındaki molalar için aynı dakika sayısını aldı. - 6 hafta sonra, katılımcılar geri dönmek ve herhangi bir non-invaziv beyin stimülasyon almadan PPT gerçekleştirmek davet (adım 3,2 robotik TMS motor haritalama takip (adım 2.5.8)).
- Katılımcıların ertesi gün geri dönmesini ve motor öğrenimi (PPT) ile eşleştirilmiş non-invaziv beyin stimülasyon (Sham, tDCS veya HD-tDCS) için ardışık dört gün (beş gün toplam). Adım 3.2-3.13 gün 2-4 üzerinde yineleyin. 5. gün, katılımcılar non-invaziv beyin stimülasyon ile başlar (Sham, DCS veya HD-tDCS) (adımlar 3.2-3.13 tekrarlanır). Bir mola sonra (45 min-~ 1,5 h stimülasyon aldıktan beri), robotik TMS motor haritalama (Steps 2.3-2.5.8) başlatın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Burada sunulan yöntemleri kullanarak, randomize, Sham kontrollü girişimsel Deneme8tamamladı. Her iki tip non-invaziv beyin stimülasyonu için herhangi bir kontrendikasyon içermeyen sağ el çocuklar (n = 24, Yaş 12-18) işe alınmıştır. Bu çalışmada, nöropsikolojik ilaçlarla ya da DC 'lere naif olmayan katılımcılar özellikle dışlandı. Hiçbir düşüş yoktu.
Robotik TMS motor haritaları bir temel motor haritası elde etmek ve non-invaziv beyin stimülasyon ile eşleştirilmiş motor öğrendikten sonra nöroplastik ve kortikal uyarılabilirlik değişiklikleri izlemek için potansiyel bir mekanizma olarak hizmet elde edildi. Yukarıda açıklanan yöntemleri kullanarak, tüm katılımcılar üç robotik TMS motor haritaları aldı, 1) non-invaziv beyin stimülasyon önce temel (Sham, DCS, veya HD-DCS), 2) gün 5 (post), ve 3) 6 haftalık takip (bekletme süresi). Tüm katılımcılar bihemispherik motor haritalama (3 katılımcı sadece zaman kısıtlamaları nedeniyle sağ hemherik motor haritalama aldı) aldı. Motor haritaları tek taraflı motor haritaları için ortalama 18 dakika ve bihemispherik haritalama için 36 dk tamamlandı. Motor harita alanı, hacim, Hotspot ve COG hesaplanan ve bireysel ve grup düzeyinde karşılaştırıldığında. İlk motor Haritası analizimizde motor harita alanı ve hacmi müdahalenin ardından önemli ölçüde değişmemiştir. İkincil analizimizde, harita alanının ve hacminin submaksimal oranlarda ölçülmesi önemli ölçüde daha küçük varyans ile sonuçlandı (p < 0.05).
Tüm katılımcılar, beş gün boyunca 20 dakika (1 mA) süre için üç non-invaziv beyin stimülasyon girişimlerinden birini aldı. Biz tDCS ve HD-DCS öğrenme hızını geliştirmek göstermiştir (Pegs sayısı/gün) (tDCS p = 0.042, HD-tDCS p = 0.049) üzerinde eğitim 5 gün. Aktif müdahale grupları (DCS ve HD-tDCS) günlük ortalama sol el PPT puanı (PPTL), Sham (gün 4 p ≤ 0.043, gün 5 p ≤ 0.05) ile karşılaştırıldığında 4 ve 5 gün içinde daha büyük iyileştirmeler vardı (Şekil 3). Aktif müdahale grupları 6 haftalık eğitim sonrası motor becerilerini (PPT 'de) korudu. Ancak, Sham grubunda eğitim sonrası 6 haftalık takip (p = 0.034) için önemli bir beceri çürüğü vardı. Bu metodoloji önceki bir çalışmada21 çoğaltıldı ve veri kümeleri birleştirilir (Şekil 4). Çoğaltma verileri benzer sonuçlar gösterdi. TDCS ve HD-tDCS grubunda gözlenen öğrenme oranında Sham grubuna kıyasla önemli bir artış vardı (tDCS p = 0,001, HD-tDCS p = 0,012).
Şekil 1: deneme protokolü. PTT = Purdue Delikli Pano testi, TMS = TMS motor haritalama tDCS = Transkraniyal doğrudan akım stimülasyon, HD-tDCS = yüksek-definitional DCS. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: bir örnek TMS motor haritası. Sol FDı motor Haritası (A) ön ve (B) Post HD-tDCS müdahale üst görünümü. Kırmızı Haç Hotspot gösterir, Mavi Haç COG gösterir. Renk çubuğu 0-2 mV dan MEP aralığını gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 3: Sham, tDCS ve HD-tDCS gruplarında gözlenen motor öğrenme. Bu rakam Cole & Giuffre ve al. 2018 tarafından yeniden yayınlandı. (A) Sham (beyaz üçgenler), DCS (gri daireler) ve HD-tDCS (siyah daireler), (n = 24) temelinden sol el Purdue Pegboard Puanını günlük değişim anlamına gelir. (B) PPTL. * p ≪ 0.05, tDCS vs. sham, # p < 0.05 Için HD-tDCS vs. Sham her zaman noktasında günlük ortalama puan. Hata çubukları standart hatayı gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 4: yöntemlerin çoğaltılması-3 gün eğitim için birleştirilmiş PPTL DataSet. Bu rakam Cole &Amp; Giuffre ve al. 2018) tarafından yeniden yayınlandı. (A) Sham için öğrenme eğrileri (beyaz üçgenler, n = 14), tDCS (gri daireler, n = 14) ve HD-tDCS (siyah daireler, n = 8) grupları. (B) Birleşik çalışmalarda Sham, DCS ve HD-tDCS için günlük öğrenme anlamına gelir. Hata çubukları standart hatayı gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
TMS aynı zamanda, perinatal inme22 ve serebral palsi de dahil olmak üzere klinik Pediatrik nüfus, incelenmiştir, TMS motor haritaları başarıyla girişimsel plastisite mekanizmaları keşfetmek için serebral palsi olan çocuklarda oluşturuldu. Kurulan bir protokol8' i kullanarak, TMS motor haritaları genellikle gelişen çocuklarda başarıyla toplandı ve şu anda perinatal inme ve hemiplegik serebral palsi olan çocuklar için devam eden çok merkezli klinik denemelerinde toplanıyor ( NCT03216837). TMS motor haritalama yöntemlerini açıklamak, Sağlıklı çocuklarda ve hareket bozuklukları olan çocuklarda çoğaltma ve protokollerin daha fazla uygulamalarına izin verecektir.
Robotik motor haritalama TMS bobin yerleştirme doğruluğu geliştirir ve manuel tekniklere kıyasla insan hatasını azaltır23,24. Bu teknik, kafa hareketlerini arttırdı ve uzun seanslar için daha düşük toleransa sahip Pediatrik nüfus için daha avantajlıdır12. Bir TMS robotu kullanarak motor haritalaması yetişkinlerde bildirilse de, grubumuz bu tekniği Pediatrik nüfusa ilk kez uygulayabilir. İstatistiksel ağırlık ve interpolasyon kullanan yeni motor haritalama metodolojisi25,26 robotik TMS ile birleştirildiğinde edinme süresini azaltmak için kullanılabilir. Bu nedenle, metodolojiler gelişmekte olan beyinde daha fazla incelenmelidir.
Biz sağlıklı bir Pediatrik nüfusu içinde DCS, HD-DCS ve TMS uygulamak için özlü bir yaklaşım özetlemektedir. Çocuklarda non-invaziv beyin stimülasyon uygulamada dikkate almak için kritik adımlar çeşitli vardır. Çocukların ve/veya ebeveynlerin, katılımcının non-invaziv beyin stimülasyon için hiçbir kontrendikasyon olmadığını onaylamaları önemlidir. Katılımcıların rahat ve güvenli hissetme açısından önemlidir. Oturum boyunca sürekli olarak, özellikle de Pediatrik nüfus içinde geri bildirim almak için gerekli olduğu için katılımcıların oturum boyunca soru sormasını teşvik edin. Ayrıca, bu tDCS güvenli uygulama önler gibi, elektrotların kalitesini ve katılımcıların kafa derisi kalitesini incelemek önemlidir. Stimülasyon başlamadan önce makinede seçilen doğru anodal montaj, akım yoğunluğu ve stimülasyon süresinin olması hayati önem taşımaktadır. Konvansiyonel DCS ve HD-DCS için spesifik hususlar vardır. HD-DCS olarak, elektrot arıza miktarını azaltmak için çevredeki elektrotlar ile merkezi anodal pozisyonda olmak için seçilen elektrot döndürmek için çok önemlidir. Kabloların, doğru polarite uygulanmasına izin vermek için geleneksel DCS 'de 1x1 tDCS makinesinde anodal ve katodal bağlantı noktalarına doğru bağlanması önemlidir. Önceki literatürde, stimülasyon27' nin tolerabilini artırmak için tuz çözeltisi kullanmanın önemini göstermiştir. Çalışmamızda açıklanan en yaygın duygu kaşıntı (% 56)14. 12,14' te açıklanan yöntemlerimizi kullanarak nüfusa hiçbir olumsuz etki bildirdik.
TDCS ve HD-DCS uygulamasının mükemmelleştirilmesi sırasında çeşitli değişiklikler yapılır. Bu kafa derisi boyunca akım direnci azaltmak için iyi temas kalitesine sahip önemlidir. Temas kalitesi zayıfsa, konvansiyonel DCS 'lerin direncini azaltmak için daha fazla tuz çözeltisi uygulanabilir. Ancak, ilk önce kafa derisi ile iyi elektrot teması mevcut olduğundan emin olmak önemlidir. HD-tDCS, bu kafa derisi daha iyi elektrot kalitesi için izin maruz kalması esastır. Saç daha fazla yol ve iletişim kalitesini artırmak için uygulanan daha elektrot jel dışarı fırçalanmış olması gerekebilir. İletişim kalitesinin oturum boyunca sürekli olarak izlendiğinden emin olun.
Geçerli modelleme çalışmaları beyaz madde ve CSF Volume10,11bağlı olarak yaş grupları arasında deneyimli mevcut gücü bir fark önerdi. Bu yöntemin bir sınırlama biz katılımcılar arasında karşılaştırılabilir nöronal elektrik alanı gücü teşvik edeceğini geçerli bir güç uygulamak için her katılımcı üzerinde prospektif akım modelleme gerçekleştirmez olmasıdır.
Bu yöntem Pediatri olmayan-invaziv beyin stimülasyon uygulamada önemli bir sonraki adımdır. Eğitim dönemimizi üç günden beş güne uzattı ve yetenekteki benzer gelişmeler izlendi. HD-tDCS sadece bizim yöntemi kullanarak bir Pediatrik nüfusun uygulanan ve biz geleneksel DCS benzer motor beceri öğrenme olduğunu göstermiştir. HD-tDCS daha fazla odak akımı, hedefleme ve dolaylı geliştirilmesi28indükler. Bu yazıda açıklanan yöntemler, çocuklarda HD-DCS ' i d a t i, çoğaltma ve daha fazla çalışma için izin verecektir.
Bu yöntemler şu anda perinatal inme popülasyonuna uzatılıyor. TDCS ve HD-tDCS protokolü bu nüfus için adapte edilmiş ve eğitim süresi perinatal inme klinik deneyler daha da geliştirmek için uzatıldı. Perinatal inme olan çocuklarda terapötik uygulamayı ilerletmek ve bu nedenle motor fonksiyon sonuçlarını iyileştirmek için pediatride tDCS uygulamasının optimize edilmesi çok önemlidir. TMS motor haritalama için, katılımcının rahat bir konumda kollarını ve elleri ile rahat bir şekilde oturduğundan emin olmak önemlidir. Tam motor haritalama oturumunun ardından, katılımcıların sadece% 15 ' i hafif kendi kendine sınırlama baş ağrısı yaşadı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklamaları yok.
Acknowledgments
Bu çalışmada Kanada Sağlık Araştırmaları Enstitüleri tarafından destekleniyordu.
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).
