Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

تعديل غير الغازية ورسم الخرائط الروبوتية من القشرة الحركية في الدماغ النامية

Published: July 1, 2019 doi: 10.3791/59594
Automatic Translation
1,2, 1,2,3, 4,5, 2,4,5, 6, 2,3,4,5,7, 3,4,5
1Department of Neurosciences, University of Calgary, 2Hotchkiss Brain Institute, University of Calgary, 3Cumming School of Medicine, University of Calgary, 4Department of Pediatrics, University of Calgary, 5Alberta Children's Hospital Research Institute, University of Calgary, 6Faculty of Medicine and Dentistry, University of Alberta, 7Department of Clinical Neurosciences, University of Calgary

Summary

نقوم بشرح بروتوكولات التشكيل (tDCS, HD-tDCS) ورسم الخرائط (TMS الروبوتية) من القشرة الحركية في الأطفال.

Abstract

رسم خرائط القشرة الحركية مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) لديه القدرة على استجواب علم وظائف الأعضاء القشرة الحركية واللدونة ولكن يحمل تحديات فريدة من نوعها في الأطفال. وبالمثل، يمكن للتحفيز الحالي المباشر عبر الجمجمة (tDCS) تحسين التعلم الحركي لدى البالغين ولكن لم يطبق إلا مؤخراً على الأطفال. يتطلب استخدام tDCS والتقنيات الناشئة مثل tDCS عالية الوضوح (HD-tDCS) اعتبارات منهجية خاصة في الدماغ النامي. قد يمنح رسم الخرائط الحركية الروبوتية TMS مزايا فريدة لرسم الخرائط، لا سيما في الدماغ النامي. هنا، ونحن نهدف إلى توفير نهج عملي وموحد لطريقتين متكاملتين قادرة على استكشاف في وقت واحد تعديل القشرة الحركية وخرائط المحرك في الأطفال. أولا، نحن نصف بروتوكول لرسم الخرائط الآلية TMS المحرك. شبكات 12x12 الفردية، التي تنقلها التصوير بالرنين المغناطيسي 12x12 التي تركز على القشرة الحركية توجه الروبوت لإدارة TMS أحادي ة النبض. يتم استخدام السعة المحتملة (MEP) (MEP) المتوسطة لكل نقطة شبكة لتوليد خرائط محرك ثلاثية الأبعاد لعضلات اليد الفردية مع نتائج بما في ذلك منطقة الخريطة، وحجم، ومركز الجاذبية. كما يتم تضمين أدوات لقياس سلامة ومقبولية كلتا الطريقتين. ثانيا، نحن نصف تطبيق كل من tDCS وHD-tDCS لتعديل القشرة الحركية والتعلم الحركي. ويرد وصف لنموذج التدريب التجريبي ونتائج العينات. هذه الأساليب سوف تقدم تطبيق تحفيز الدماغ غير الغازية في الأطفال.

Introduction

تحفيز الدماغ غير الغازية يمكن قياس وتعديل وظيفة الدماغ البشري1،2. وكان الهدف الأكثر شيوعا هو القشرة الحركية، ويرجع ذلك جزئيا إلى إنتاج بيولوجي فوري وقابل للقياس (الإمكانات الحركية التي أثارتها) ولكن أيضا ارتفاع انتشار الأمراض العصبية مما أدى إلى اختلال وظائف النظام الحركي والإعاقة. ويشمل هذا العبء العالمي الكبير للمرض نسبة عالية من الظروف التي تؤثر على الأطفال مثل الشلل الدماغي، وهو السبب الرئيسي للإعاقة مدى الحياة التي تؤثر على نحو 17 مليون شخص في جميع أنحاء العالم3. على الرغم من هذه الأهمية السريرية والقدرات المتنوعة والمتزايدة من تقنيات التحفيز العصبي، والتطبيقات في الدماغ النامية بدأت فقط ليتم تعريفها4. تحسين توصيف أساليب تحفيز الدماغ غير الغازية القائمة والناشئة في الأطفال مطلوبة لتعزيز التطبيقات في الدماغ النامي.

التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) هو أداة عصبية فسيولوجية راسخة تستخدم بشكل متزايد لملفها غير الغازية، غير مؤلم، جيد التحمل والسلامة في البالغين. وخبرة نظام إدارة النُسط في مجال الأطفال محدودة نسبياً ولكنها تتزايد باطراد. TMS يسلم المجالات المغناطيسية للحث على التنشيط الإقليمي للسكان الخلايا العصبية القشرية في الدماغ مع صافي النواتج تنعكس في محرك العضلات المستهدفة أثار الإمكانات (MEP). التطبيق المنهجي لنبض واحد TMS يمكن أن تحدد خرائط القشرة الحركية في الجسم الحي. وقد أظهرت الدراسات الحيوانية المنوية5 والدراسات البشرية الناشئة TMS6 كيف الخرائط الحركية قد تساعد على إعلام آليات اللدونة العصبية القشرية. رسم الخرائط الحركية التنقل هو تقنية TMS التي تستخدم لرسم خريطة القشرة الحركية البشرية لاستجواب المناطق القشرية الوظيفية. وقد ارتبطت التغييرات في خريطة المحرك معالتغيرات البلاستيكية في نظام السيارات البشرية 7. وقد جلبت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا TMS الروبوتية فرصا جديدة لتحسين كفاءة رسم الخرائط الحركية ودقتها. وقد أثبتت مجموعتنا مؤخرا أن رسم الخرائط الآلية TMS الروبوتيةهو ممكن وفعال، وجيد التحمل في الأطفال 8.

التحفيز الحالي المباشر عبر الجمجمة (tDCS) هو شكل من أشكال تحفيز الدماغ غير الغازية التي يمكن أن تحول الإثارة القشرية وتعديل السلوكيات البشرية. كان هناك العديد من الدراسات التي تدرس تأثير tDCS في البالغين (>10,000 المواضيع) ولكن أقل من 2% من الدراسات ركزت على الدماغ النامية9. ترجمة أدلة الكبار إلى تطبيقات طب الأطفال معقدة، وهناك حاجة إلى بروتوكولات معدلة بسبب الاختلافات المعقدة في الأطفال. على سبيل المثال، لقد أظهرنا نحن وآخرون أن الأطفال يعانون من مجالات كهربائية أكبر وأقوى مقارنة بالبالغين10و11. توحيد أساليب tDCS في الأطفال مهم لضمان التطبيق الآمن والمتسق، وتحسين النسخ المتماثل، والنهوض بالميدان. تجربة التعلم الحركي tDCS في الأطفال محدودة ولكن زيادة12. تطبيقات الترجمة من tDCS إلى مجموعات محددة من الشلل الدماغي تتقدم نحو مرحلة متأخرة التجارب السريرية13. الجهود الرامية إلى تحفيز أكثر تنسيقا تطبيقها من خلال عالية الوضوح tDCS (HD-tDCS) وقد درست فقط فقط لأول مرة في الأطفال14. أظهرنا أن HD-tDCS تنتج تحسينات مماثلة في التعلم الحركي كما tDCS التقليدية في الأطفال الأصحاء14. وصف أساليب HD-tDCS سيسمح النسخ المتماثل والتطبيقات الإضافية لهذه البروتوكولات في الأطفال.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

وقد تمت الموافقة على جميع الأساليب الموصوفة في هذا البروتوكول من قبل المجلس المشترك لأخلاقيات البحوث الصحية، جامعة كالغاري (REB16-2474). ويرد وصف البروتوكول في الشكل 1.

1. موانع تحفيز الدماغ غير الغازية

  1. فحص جميع المشاركين للموانع لTMS15 و TDCS1 قبل التوظيف.

2. عبر الجمجمة المغناطيسي رسم الخرائط المحرك التحفيز

  1. إعداد التصوير بالرنين المغناطيسي لـ TMS التي تم التنقل فيها
    1. الحصول على التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي لكل مشارك (T1). إذا كان التصوير بالرنين المغناطيسي غير قابل للالحصول، استخدم قالب التصوير بالرنين المغناطيسي من معهد مونتريال العصبي.
    2. استيراد ملف التصوير بالرنين المغناطيسي بتنسيق DICOM أو NIFTI إلى برنامج الملاحة العصبية (راجع جدول المواد).
  2. المسارات المستهدفة لـ TMS
    1. استخدام برنامج الملاحة العصبية لإعادة بناء الجلد والدماغ الكامل متعرج باستخدام علامات التبويب.
    2. اختر بشرة جديدةوجلدية وحوسبة. تأكد من تضمين الأنف والجزء العلوي من الرأس.
    3. حدد جديد، وكامل الدماغ متعرج. أرفق مربع الاختيار الأخضر خارج الدماغ ولكن داخل الجمجمة. حدد حساب متعرج خطي. ضبط عمق قشر إلى 4.0-6.0 مم.
    4. حدد تكوين المعالم. ضع أربعة معالم في طرف الأنف، والنقمة، والشقوق من كلا الأذنين من الجلد المعاد بناؤها. اسم المعالم المقابلة لتشريحها.
    5. حدد علامة التبويب الأهداف لعرض الدماغ المنحني. حدد شبكة جديدة ومستطيلة. وضع موحدة 12 × 12 تنسيق الشبكات مع تباعد 7 مم على سطح الدماغ المعاد بناؤها على "مقبض اليد" من القشرة الحركية (سايروس ما قبل المركزية)17.
    6. استخدم أداة تحديد المواقع المستهدفة على اليمين لتحسين تحديد موضع الشبكة للدوران والإمالة وانحناء. تحويل نقاط الشبكة إلى مسارات من شأنها أن توجه الروبوت لوضع لفائف TMS. ضبط زاوية المسارات بحيث تكون 45 درجة إلى الشق الطولي للدماغ.
    7. استخدام أداة SNAP لاستقراء وتحسين مسارات للدماغ متعرج.
    8. تهيئة ووضع ذراع الروبوت TMS ومقعد للترحيب موقف ومعايرة جهاز استشعار لوحة قوة باستخدام اختبار استشعارالقوة.
  3. إعداد المشارك لرسم الخرائط الحركية
    1. هل يقوم المشاركون بملء استبيان السلامة18.
    2. بمجرد جلوس المشاركين بشكل مريح على كرسي الروبوت، ضبط مسند الظهر ومسند الرقبة. تأكد من دعم أقدامهم. دعم أسلحتهم وأيديهم مع الوسائد لضمان أيديهم في وضع يستريح لمدة جلسة رسم الخرائط.
      ملاحظة: سيحتاج الأطفال والمراهقون إلى تذكير طوال الدورة للحفاظ على استرخاء أيديهم.
    3. تنظيف الجلد على عضلة الاهتمام. وضع الأقطاب السطحية Ag/AgCl على كل من اليدين والساعدين للمشارك، واستهداف أربعة عضلات الطرف السفلي، 1) بطن أول interosseous الدوراتية (FDI)، 2) المختطف بوليكيس بريفيس (APB)، 3) المختطف ديجتي مينيمي (ADM)، و 4) المعصم الموسعة (الموسعة كاربي ulnaris).
    4. قم بتوصيل الأقطاب السطحية بمكبر صوت التصوير الكهربائي (EMG) ونظام الحصول على البيانات وقم بتوصيل مكبر الصوت بجهاز كمبيوتر يجمع البيانات باستخدام برنامج EMG متوافق.
    5. شارك في تسجيل المعالم الأربعة على رأس المشارك باستخدام المؤشر التاريخي. استخدم علامة التبويب التحقق من الصحة للتأكد من تسجيل رأس المشارك بشكل صحيح.
  4. تحديد كثافة TMS لرسم الخرائط الحركية
    1. حدد نقطة شبكة أقرب إلى "مقبض اليد" للمشارك. حدد الزر محاذاة إلى الهدف لمحاذاة لفائف TMS التي يحتفظ بها الروبوت إلى هذا الموقع المستهدف. حدد جهة الاتصال في. مراقبة جودة جهة الاتصال باستخدام مؤشر قوة الاتصال. تأكد من أن المؤشر أخضر أو أصفر.
      ملاحظة: اللون الأحمر على مؤشر الاتصال يعني أن هناك الكثير من القوة على رأس المشارك. لا يوجد لون يعني أن لفائف TMS ليست على اتصال مع رأس المشارك. في هذه الحالات، ضبط حساسية لوحة القوة.
    2. إرشاد المشارك إلى عدم التحرك خارج نطاق ذراع الروبوت. تأكد من استرخاء عضلات يد المشارك والبقاء لا تزال قبل الاتصال.
    3. حدد محاذاة واتبع بحيث يبقى الملف مركزًا على الهدف إذا تحرك المشارك.
    4. استخدم زر مشغل TMS على جهاز TMS لتقديم نبضات TMS 5-10 بكثافة تتراوح بين 40-60% إخراج محفز أقصى (MSO). كرر هذه الخطوة إلى 5-6 نقاط الشبكة المحيطة "مقبض اليد".
    5. تحديد نقطة الشبكة التي تعطي أكبر وأكثر اتساقا (نقطة ساخنة) المحرك أثار إمكانات (MEP) لعضلة الاستثمار الأجنبي المباشر اليسار أو اليمين.
    6. تحديد عتبة المحرك يستريح (RMT) كأدنى كثافة التي تنتج MEP من 50 درجة مئوية على الأقل في عضلة الاستثمار الأجنبي المباشر في 5/10 التحفيز.
  5. رسم الخرائط الحركية
    1. بدءًا من نقطة الشبكة الأقرب إلى نقطة الاتصال، قم بتوصيل أربعة نبضات TMS أحادية النبض (1 هرتز) عند تحفيز مكثف من 1 ثانية وكثافة TMS بنسبة 120% RMT. يتم تحديد نقطة الشبكة استجابة من قبل 2/4 أعضاء البرلمان الأوسط > 50 درجة مئوية V في أي من عضلات اليد.
    2. الانتقال إلى نقطة الشبكة المجاورة وكرر الخطوة أعلاه.
    3. استمر بشكل تسلسلي بطريقة خطية على طول نقاط الاستجابة حتى يتم الوصول إلى نقطة غير مستجيبة، وهي المنطقة الحدودية الأولى من الخريطة.
    4. مواصلة رسم الخرائط لإنشاء نقاط الحدود في جميع الاتجاهات الأربعة للشبكة المستطيلة.
    5. تسجيل جميع أعضاء البرلمان من جميع العضلات باستخدام برنامج EMG للتحليل حاليا.
    6. بعد 3-4 نقاط الشبكة، حدد الاتصال قبالة وإعطاء المشارك استراحة حتى يشعروا على استعداد لمواصلة.
    7. طوال جلسة رسم الخرائط، تحقق باستمرار مع المشارك للتأكد من أنها مريحة و / أو تحتاج إلى استراحة.
    8. استخدم نسخة مطبوعة من نفس الشبكات لتك ترتيب المحاكاة لمزيد من التحليل.
    9. رسم خرائط كاملة باستخدام TMS روبوتية كما هو موضح هنا أو يدويًا (غير موضحفي هذه المخطوطة). إذا كان استخدام روبوت TMS، فإنه سيتم الانتقال إلى نقطة الشبكة المحددة من قبل المُجرِّب. سوف الروبوت استيعاب حركة رأس الطفل في الوقت الحقيقي القريب. وهذا سوف يخفف من أي حركة إضافية المرتبطة فني عقد يدويا لفائف على رأس المشارك.
      ملاحظة: إذا تم تعيين باستخدام روبوت TMS تأكد من وجود تجرببجانب الروبوت في جميع الأوقات أثناء الجلسة. إذا تم وضع الروبوت على رأس المشارك ويتحرك المشارك فجأة، فإن الروبوت في محاولة لمتابعة رؤوسهم. إذا كان يجب على المشارك التحرك، العطس، الصفر، أو أداء نشاط ينطوي على حركة رؤوسهم، يجب نقل ذراع الروبوت لمنع رأس المشارك من ضرب ذراع الروبوت أو لفائف TMS.
  6. إنشاء خريطة المحرك
    1. باستخدام برنامج ترميز مخصص، قم بإنشاء خرائطمحرك ثلاثية الأبعاد (الشكل 2). اتصل بالمؤلفين للحصول على البرنامج النصي.
    2. حساب منطقة خريطة المحرك وحجم باستخدام مواقع مسار استجابة. حساب مركز الجاذبية (COG) كمتوسط مرجح لتمثيلات المحرك لكل موقع إحداثيات.
      ملاحظة: يتم حساب منطقة الخريطة كتباعد الشبكة (7 مم)2 مضروباً في العدد الإجمالي للمواقع المستجيبة. يتم حساب وحدة تخزين الخريطة كمجموع تراكمي لتباعد الشبكة مضروباً في متوسط سعة MEP في كل موقع متجاوب. ويجري إعداد نسخة سهلة الاستعمال من البرنامج النصي للمشاركة مع الجمهور كمصدر مفتوح. وفي الوقت نفسه، اتصل بالمؤلف المقابل للحصول على الوصول إلى البرنامج النصي.

3. التقليدية tDCS وHD-tDCS التطبيق

  1. عشوائية المشاركين إلى واحدة من ثلاث مجموعات التدخل (الشام، tDCS التقليدية، HD-tDCS).
  2. اجعل المشارك يكمل اختبار Board Board (PPT) ثلاث مرات باستخدام يده اليسرى (غير المهيمنة)، مما يحدد نقاط خط الأساس الخاصة به.
  3. فحص جودة القطب لتأكيد سلامة إدراج الاسفنج tDCS والأقطاب المطاطية.
  4. قم بتشغيل جهاز tDCS التقليدي عن طريق قلب مفتاح الطاقة إلى ON.
    ملاحظة: تأكد من عدم إضاءة ضوء البطارية المنخفض. إذا كانت مضيئة، قم بتغيير البطاريات قبل بدء الجلسة.
    1. للمشاركين الذين يتلقون tDCS التقليدية أو الشام، نقع طفيفة اثنين 25 سم2 الأقطاب الإسفنج مع المالحة. تأكد من تغطية القطب الكهربائي بأكمله ولكن ليس نازف. أدخل القطب المطاطي في أقطاب الإسفنج المنقوعة المالحة وقم بتوصيل كل قطب بجهاز tDCS.
  5. حدد موقع نقطة الاتصال التي تم وضع علامة عليها (يمين M1) باستخدام الملاحة العصبية ووضع علامة عليه اعلام غير سامة. في نهاية كل tDCS، HD-tDCS أو جلسة عمل صورية، وضع علامة على نقطة الاتصال مرة أخرى بحيث تكون مرئية في اليوم التالي.
    1. إذا كانت معشاة إلى tDCS التقليدية أو tDCS الشام، ضع واحد 25 سم2 المالحة غارقة الاسفنج الكهربائي على نقطة ساخنة ملحوظ المشارك (M1 الحق)، بمثابة الأنود. ضع القطب الاسفنجي المنقوع بمحلول ملحي 25 سم على المنطقة فوق المدارية المضادة، التي تمثل الكاثود. استخدام "عقال" الأطفال البلاستيك الخفيف لعقد الأقطاب الكهربائية في مكان.
      ملاحظة: تأكد من عدم وجود محلول ملحي يقطر من القطب الكهربائي كما أنه قد تحويلة التيار.
    2. في مجموعة tDCS الشام ية والتقليدية، تأكد من جودة الاتصال "الأمثل". إذا كانت جودة الاتصال "دون الأمثل"، حقن كمية صغيرة من محلول ملحي تحت أقطاب الإسفنج، أو ضمان أن يكون هناك الحد الأدنى من الشعر بين فروة الرأس والقطب الكهربائي.
      ملاحظة: يتم تحقيق جودة الاتصال "الأمثل" عندما يكون أكثر من نصف جودة أضواء مؤشر الاتصال على. إذا كان أقل من نصف أضواء مؤشر الاتصال على، ونوعية الاتصال دون الأمثل. لا تبدأ التحفيز إذا كان واحد فقط من اثنين من أضواء المؤشر على.
    3. في مجموعة HD-tDCS، راجع Villamar, M.F., وآخرون.
    4. في مجموعة HD-tDCS، قم بتعيين الجهاز إلى إعداد المسح الضوئي للتحقق من المعاوقة في كل قطب كهربائي. ضمان المعاوقة هو تحت 1 "وحدة الجودة" ووصف سابقا19،20. إذا كانت جودة الاتصال رديئة، قم بإزالة القطب الكهربائي وتحقق من عدم وجود شعر يعيق ملامسة القطب الكهربائي، وأن عمودًا مستمرًا من جل القطب الكهربائي موجود بين فروة الرأس والقطب الكهربائي. إذا لزم الأمر، وتطبيق المزيد من هلام القطب الكهربائي.
  6. تعيين جهاز tDCS وHD-tDCS إلى إعداد المونتاج الأنود، 1 مالا القوة الحالية، ومدة 20 دقيقة.
  7. تأكد من أن المشارك يجلس بشكل مريح ويفهمون الأحاسيس المحتملة التي قد يتعرضون لها (مثل الحكة أو الوخز الأحاسيس). تذكير المشارك للاتصال إذا كانوا يشعرون بأي إزعاج أو إذا كان لديهم أي أسئلة.
    1. في مجموعات tDCS التقليدية وHD-tDCS، تأكد من تعيين التبديل إلى نشط.
      ملاحظة: بالنسبة لمجموعة الشام، يجب تعيين التبديل إلى الشام. يجب إخفاء هذا الإعداد عن المشارك.
    2. اضغط على زر البدء في الجهاز لبدء التحفيز. تأكد من تعيين المدة إلى 20 دقيقة، وكثافة إلى 1 مأ.
      ملاحظة: في مجموعات tDCS التقليدية وHD-tDCS، سوف يتصاعد التيار أكثر من 30 s إلى 1 mA ويستمر لمدة 20 دقيقة. في مجموعة tDCS وهمية، سيتم تكثيف الحالية أكثر من 30 s إلى 1 mA وصعدت على الفور إلى أسفل أكثر من 30 s.
  8. في 5 دقائق، 10 دقائق، 15 دقيقة، و 20 دقيقة، يكون المشارك إكمال PPT ثلاث مرات باستخدام أيديهم اليسرى.
  9. بعد 20 دقيقة، إيقاف تشغيل الجهاز بعد انتهاء كثافة تتصاعد إلى 0 mA.
    ملاحظة: بالنسبة للمشاركين الذين يتلقون إما tDCS التقليدية أو HD-tDCS، فإن الجهاز تلقائيا ً منحدر إلى 0 mA في 20 دقيقة. بالنسبة للمشاركين الذين يتلقون tDCS الشام، فإن الجهاز تلقائيا تصعيد أكثر من 30 ق إلى 1 ماساتش/مكانة ومنحدر على الفور وصولا الى 0 mA أكثر من 30 s في 20 دقيقة.
  10. إزالة الأقطاب الكهربائية من رأس المشارك.
  11. لمجموعة tDCS الشام ية والتقليدية، قم بإزالة الأقطاب السوداء من داخل الإسفنج واشطف قطب الإسفنج بماء الصنبور العادي.
    1. في مجموعة HD-tDCS، اخلع أعلى حامل القطب البلاستيكي وإزالة الأقطاب الكهربائية. إزالة غطاء القطب الكهربائي من رأس المشاركين. شطف أي هلام في حامل القطب الكهربائي. تنظيف القطب بمنشفة ورقية رطبة قليلا. امسح القطب الكهربائي بمنشفة ورقية جافة لإزالة أي جل متبق.
  12. اعمل جميع المشاركين على إكمال الاستبيانات الجانبية للتحفيز المباشر عبر الجمجمة والاستبيان المتعلق بالتحمل بعد كل جلسة تحفيز.
  13. جعل المشاركين إكمال PPT ثلاث مرات باستخدام أيديهم اليسرى.
    1. هل يعود المشاركون في اليوم التالي ولمدة أربعة أيام متتالية أخرى (ما مجموعه خمسة أيام) لتحفيز الدماغ غير الغازية (الشام، tDCS، أو HD-tDCS) المقترنة بالتعلم الحركي (PPT). كرر الخطوات 3.2-3.13 في اليوم 2-4. في اليوم 5، هل يبدأ المشاركون بتحفيز الدماغ غير الغازية (الشام أو tDCS أو HD-tDCS) (تتكرر الخطوات 3.2-3.13). بعد استراحة (45 دقيقة-~ 1.5 ساعة منذ تلقي التحفيز)، بدء رسم الخرائط الآلية TMS الروبوتية (الخطوات 2.3-2.5.8).
      ملاحظة: تلقى جميع المشاركين نفس عدد الدقائق للفترات الفاصلة بين التقييمات.
    2. بعد 6 أسابيع، دعوة المشاركين للعودة وأداء PPT دون تلقي أي تحفيز الدماغ غير الغازية (الخطوة 3.2 تليها رسم الخرائط الآلية TMS الروبوتية (الخطوة 2.5.8)).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

باستخدام الأساليب المعروضة هنا، أكملنا تجربة تدخلية معشاة، تسيطر عليها الشام8. تم تجنيد الأطفال الأيمن (ن = 24، الأعمار 12-18) مع عدم وجود موانع لكلا النوعين من تحفيز الدماغ غير الغازية. تم استبعاد المشاركين على وجه التحديد في هذه الدراسة إذا كان على الأدوية العصبية أو إذا لم تكن ساذجة لtDCS. ولم يكن هناك تسرب من المدارس.

تم الحصول على خرائط المحرك TMS الروبوتية للحصول على خريطة المحرك خط الأساس ولتكون بمثابة آلية محتملة لرصد التغيرات العصبية البلاستيكية والقشرية الإثارة بعد التعلم الحركي يقترن تحفيز الدماغ غير الغازية. باستخدام الأساليب الموضحة أعلاه، تلقى جميع المشاركين ثلاث خرائط آلية لمحركات TMS، 1) خط الأساس قبل تحفيز الدماغ غير الغازية (الشام، tDCS، أو HD-tDCS)، 2) اليوم 5 (آخر)، و 3) في متابعة 6 أسابيع (وقت الاحتفاظ). وتلقى جميع المشاركين رسم خرائط للمحركات في نصف الكرة الغربي (تلقى 3 مشاركين رسم خرائط حركية في نصف الكرة الغربي فقط بسبب ضيق الوقت). وأنجزت خرائط السيارات في المتوسط في 18 دقيقة لخرائط السيارات من جانب واحد و 36 دقيقة لرسم الخرائط في الغلاف الجوي. تم حساب منطقة خريطة المحرك، والحجم، ونقطة الاتصال، وCOG ومقارنتها على مستوى الفرد والمجموعة. في تحليلنا الأولي لخريطة المحرك، لم تتغير منطقة خريطة المحرك وحجمه بشكل كبير بعد التدخل. في تحليلنا الثانوي، أدى قياس النسب دون القصوى لمنطقة الخريطة وحجمها إلى تباين أقل بكثير (p<0.05).

تلقى جميع المشاركين واحدة من ثلاثة تدخلات تحفيز الدماغ غير الغازية لمدة 20 دقيقة (1 مأ) لمدة خمسة أيام متتالية. أظهرنا أن tDCS وHD-tDCS تحسين معدل التعلم (عدد أوتاد / يوم) (tDCS p = 0.042، HD-tDCS p = 0.049) على مدى 5 أيام من التدريب. وكان مجموعات التدخل النشط (tDCS وHD-tDCS) تحسينات أكبر في المتوسطاليومي درجة PPT اليد اليسرى (PPT L) في اليوم 4 و 5 مقارنة مع الشام (اليوم 4 ص ≤ 0.043، اليوم 5 p ≤ 0.05) (الشكل3). واحتفظت مجموعات التدخل النشطة بمهاراتها الحركية (على نظام PPT) في فترة 6 أسابيع بعد التدريب. ومع ذلك، كان هناك اضمحلال كبير في المهارات في مجموعة الشام من مرحلة ما بعد التدريب إلى متابعة 6 أسابيع (p=0.034). وقد تم تكرار هذه المنهجية من دراسة سابقة21 وتم الجمع بين مجموعات البيانات (الشكل4). وأظهرت بيانات النسخ المتماثل نتائج مشابهة. وكانت هناك زيادة كبيرة في معدل التعلم الملاحظ في مجموعة tDCS وHD-tDCS مقارنة بمجموعة الشام (tDCS p = 0.001, HD-tDCS p = 0.012).

Figure 1
الشكل 1: البروتوكول التجريبي. PTT = Purdue pegboard اختبار، TMS = TMS موتور رسم الخرائط tDCS = التحفيز الحالي المباشر عبر الجمجمة، HD-tDCS = tDCS عالية الوضوح. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: مثال على خريطة محرك TMS. أعلى عرض من اليسارخريطة السيارات الاستثمار الأجنبي المباشر (أ) قبل و (ب)بعد HD-tDCS التدخل. الصليب الأحمر يشير إلى نقطة ساخنة، الصليب الأزرق يشير COG. يشير شريط الألوان إلى نطاق MEP من 0-2 mV. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: التعلم الحركي الذي لوحظ في مجموعات شام وtDCS وHD-tDCS. وقد أعيد نشر هذا الرقم من كول & غيفير وآخرون 2018. (أ) متوسط التغير اليومي في درجة بورد بوردو اليد اليسرى من خط الأساس في الشام (مثلثات بيضاء)، tDCS (الدوائر الرمادية)، وHD-tDCS (الدوائر السوداء)، (ن= 24). (ب) متوسط النتيجة اليومية في كل نقطة زمنية من PPTL. * p<0.05 لtDCS مقابل الشام، # p<0.05 لHD-tDCS مقابل الشام. تشير أشرطة الخطأ إلى خطأ قياسي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: تكرار الأساليب - مجموعة بيانات PPTL المدمجة لمدة 3 أيام من التدريب. وقد أعيد نشر هذا الرقم من كول & غيفير وآخرون 2018). (أ) منحنيات التعلم لمجموعات الشام (المثلثات البيضاء، n = 14)، وtDCS (الدوائر الرمادية، n = 14)، وHD-tDCS (الدوائر السوداء، n = 8). (ب) يعني التعلم اليومي للشامة، tDCS، وHD-tDCS من الدراسات مجتمعة. تشير أشرطة الخطأ إلى خطأ قياسي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

كما تم استكشاف TMS في مجموعات الأطفال السريرية، بما في ذلك السكتة الدماغية في الفترة ما حول العين22 والشلل الدماغي، حيث تم إنشاء خرائط المحرك TMS بنجاح في الأطفال الذين يعانون من الشلل الدماغي لاستكشاف آليات اللدونة التدخلية. باستخدام بروتوكول8 المعمول به ، تم جمع خرائط المحرك TMS بنجاح في الأطفال النامية عادة ، ويجري حاليا جمعها في تجربة سريرية متعددة المراكز الجارية للأطفال الذين يعانون من السكتة الدماغية في فترة ما حول القلنسة والشلل الدماغي اللهي ( NCT03216837). وصف أساليب رسم الخرائط الحركية TMS سوف تسمح للنسخ المتماثل والمزيد من التطبيقات من البروتوكولات في الأطفال الأصحاء والأطفال الذين يعانون من اضطرابات الحركة.

رسم الخرائط الآلية الروبوتية يحسن TMS دقة التنسيب لفائف ويقلل من الخطأ البشري بالمقارنة مع التقنيات اليدوية23،24. هذه التقنية هي أكثر فائدة للسكان الأطفال الذين زادوا من حركات الرأس وانخفاض التحمل لجلسات طويلة12. على الرغم من أنه تم الإبلاغ عن رسم خرائط السيارات باستخدام روبوت TMS في البالغين، فإن مجموعتنا هي أول من يطبق هذه التقنية في مجموعة الأطفال. يمكن استخدام منهجيات رسم الخرائط الحركية الجديدة التي تستخدم الترجيح الإحصائي والاستيفاء25،26 لتقليل وقت الاقتناء إذا ما تم دمجها مع TMS الروبوتية. وعلى هذا النحو، ينبغي مواصلة استكشاف المنهجيات في الدماغ النامي.

نحن نحدد نهجا موجزا لتطبيق tDCS، HD-tDCS، وTMS في السكان الأطفال الأصحاء. هناك مجموعة متنوعة من الخطوات الحاسمة للنظر في تطبيق تحفيز الدماغ غير الغازية في الأطفال. من الأهمية بمكان أن يؤكد الأطفال و/أو آباؤهم أن المشارك ليس لديه موانع لتحفيز الدماغ غير الغازية. من المهم للمشاركين أن يشعروا بالراحة والأمان. تشجيع المشاركين على طرح الأسئلة طوال الدورة حيث أنه من الضروري الحصول باستمرار على ردود الفعل طوال الدورة، وخاصة في عدد الأطفال. كذلك، من المهم فحص نوعية الأقطاب الكهربائية ونوعية فروة الرأس للمشاركين، لأن هذا يحول دون التطبيق الآمن لـ tDCS. من الضروري أن يكون المونتاج anodal الصحيح، والكثافة الحالية، ومدة التحفيز المحدد على الجهاز قبل البدء في التحفيز. هناك اعتبارات محددة لtDCS التقليدية وHD-tDCS. في HD-tDCS، من المهم لتدوير القطب الذي تم اختياره ليكون في موقف المركز الأنودال مع الأقطاب الكهربائية المحيطة لتقليل كمية انهيار القطب الكهربائي. من الضروري أن يكون الاتصال الصحيح من الكابلات إلى المنافذ anodal وcathodal على آلة tDCS 1x1 في tDCS التقليدية للسماح للقطبية الصحيحة ليتم تطبيقها. وقد أظهرت المؤلفات السابقة أهمية استخدام محلول ملحي لتحسين القدرة على التحمل من التحفيز27. وكان الإحساس الأكثر شيوعا وصفها في دراستنا الحكة (56٪)14. لقد أبلغنا عن أي آثار سلبية في سكاننا باستخدام أساليبنا الموصوفة12،14.

هناك مجموعة متنوعة من التعديلات المختلفة لجعل عند اتقان تطبيق tDCS وHD-tDCS. من المهم أن يكون لديك نوعية اتصال جيدة لتقليل مقاومة التيار عبر فروة الرأس. إذا كانت جودة الاتصال سيئة، يمكن تطبيق المزيد من محلول ملحي لتقليل المقاومة في tDCS التقليدية. ومع ذلك، من المهم أولاً التأكد من وجود اتصال جيد بالقطب الكهربائي مع فروة الرأس. في HD-tDCS، من الضروري أن تتعرض فروة الرأس للسماح لنوعية أفضل من القطب الكهربائي. قد يحتاج الشعر إلى مزيد من الفرشاة للخروج من الطريق والمزيد من هلام القطب تطبيقها لتحسين نوعية الاتصال. تأكد من مراقبة جودة الاتصال بشكل مستمر طوال الدورة.

وقد أشارت دراسات النمذجة الحالية إلى وجود فرق في القوة الحالية من ذوي الخبرة عبر الفئات العمرية اعتمادا على المادة البيضاء وحجم CSF10،11. وهناك قيد على هذه الطريقة هو أننا لم أداء النمذجة الحالية المحتملة على كل مشارك لتطبيق القوة الحالية التي من شأنها أن تحفز قوة المجال الكهربائي العصبية مماثلة عبر المشاركين.

هذه الطريقة هي خطوة هامة تالية في تطبيق تحفيز الدماغ غير الغازية في طب الأطفال. وقد مددنا فترة تدريبنا من ثلاثة أيام إلى خمسة أيام ولاحظنا تحسينات مماثلة في المهارات. وقد تم تطبيق HD-tDCS فقط في السكان الأطفال باستخدام طريقتنا وأثبتنا أن هناك تعلم المهارات الحركية مماثلة لtDCS التقليدية. HD-tDCS يحفز تيار أكثر محورية، وتحسين الاستهداف وضمنا28. وستسمح الأساليب الموصوفة في هذه الورقة بتكرار ومواصلة دراسة HD-tDCS لدى الأطفال.

ويجري حاليا توسيع نطاق هذه الأساليب لتشمل مجموعة من السكتة الدماغية في فترة ما حول العين. وقد تم تكييف بروتوكول tDCS وHD-tDCS مع هذه الأعداد من السكان وتم تمديد وقت التدريب لمواصلة تطوير التجارب السريرية في السكتة الدماغية في الفترة ما حول العين. من الأهمية بمكان تحسين تطبيق tDCS في طب الأطفال لتعزيز التطبيق العلاجي في الأطفال الذين يعانون من السكتة الدماغية في الفترة ما حول العين، وبالتالي تحسين نتائج الوظائف الحركية. بالنسبة لرسم خرائط محركات TMS، من المهم التأكد من أن المشارك يجلس بشكل مريح، مع ذراعيه ويديه في وضع مريح. بعد جلسة رسم خرائط المحرك الكامل، عانى 15٪ فقط من المشاركين من صداع خفيف يحد من الذات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ أي كشف.

Acknowledgments

وقد حظيت هذه الدراسة بدعم المعاهد الكندية للبحوث الصحية.

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/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1031-1048 (2016).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Zewdie, E., Kirton, A. TMS Basics: Single and Paired Pulse Neurophysiology. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Grab, J. G., et al. Robotic TMS mapping of motor cortex in the developing brain. Journal of Neuroscience Methods. , (2018).
  9. Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimulation. 9 (5), 641-661 (2016).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Kirton, A., et al. Transcranial direct current stimulation for children with perinatal stroke and hemiparesis. Neurology. 88 (3), 259-267 (2017).
  14. Cole, L., et al. Effects of High-Definition and Conventional Transcranial Direct-Current Stimulation on Motor Learning in Children. Front Neurosci. , (2018).
  15. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Garvey, M. A., Mall, V. Transcranial magnetic stimulation in children. Clinical Neurophysiology. 119 (5), 973-984 (2008).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Ciechanski, P., Kirton, A. Transcranial Direct-Current Stimulation Can Enhance Motor Learning in Children. Cerebral Cortex. 27 (5), 2758-2767 (2017).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Grau, C., et al. Conscious brain-to-brain communication in humans using non-invasive technologies. PloS One. 9 (8), e105225 (2014).
  25. Julkunen, P. Methods for estimating cortical motor representation size and location in navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 232, 125-133 (2014).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).

Tags

علم الأعصاب العدد 149 tDCS HD-tDCS TMS تعلم السيارات تحفيز الدماغ غير الغازية اللدونة العصبية التنموية علم وظائف الأعضاء العصبية رسم خرائط السيارات طب الأطفال
تعديل غير الغازية ورسم الخرائط الروبوتية من القشرة الحركية في الدماغ النامية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Giuffre, A., Cole, L., Kuo, H. C.,… More

Giuffre, A., Cole, L., Kuo, H. C., Carlson, H. L., Grab, J., Kirton, A., Zewdie, E. Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain. J. Vis. Exp. (149), e59594, doi:10.3791/59594 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter