Summary
We demonstreren protocollen voor de modulatie (tDCS, HD-tDCS) en mapping (Robotic TMS) van de motorische cortex bij kinderen.
Abstract
Het in kaart brengen van de motorische cortex met Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) heeft potentieel om motorische cortex fysiologie en plasticiteit te ondervragen, maar draagt unieke uitdagingen bij kinderen. Op dezelfde manier kan Transcraniële directe stroom stimulatie (tDCS) het motor leren bij volwassenen verbeteren, maar is pas recentelijk toegepast op kinderen. Het gebruik van tDCS en opkomende technieken zoals high-definition tDCS (HD-tDCS) vereisen speciale methodologische overwegingen in de ontwikkelende hersenen. Robotic TMS motor mapping kan unieke voordelen toekennen voor de mapping, met name in de ontwikkelende hersenen. Hier streven we naar een praktische, gestandaardiseerde aanpak voor twee geïntegreerde methoden die tegelijkertijd de motorische cortex-modulatie en motor kaarten bij kinderen kunnen onderzoeken. Eerst beschrijven we een protocol voor Robotic TMS motor mapping. Geïndividualiseerde, MRI-navigeerde 12 x 12 roosters gecentreerd op de motor cortex begeleiden een robot om single-Pulse TMS te beheren. Mean motor Evoked potentiaal (MEP) amplitudes per rasterpunt worden gebruikt om 3D-motor kaarten van individuele hand spieren te genereren met uitkomsten inclusief kaartgebied, volume en zwaartepunt. Hulpmiddelen voor het meten van de veiligheid en verdraagbaarheid van beide methoden zijn ook opgenomen. Ten tweede beschrijven we de toepassing van zowel tDCS als HD-tDCS om de motorische cortex en het motor leren te moduleren. Een experimenteel opleidings paradigma en voorbeeldresultaten worden beschreven. Deze methoden zal de toepassing van niet-invasieve hersenstimulatie bij kinderen te voorkomen.
Introduction
Niet-invasieve hersenstimulatie kan zowel meten als de menselijke hersenfunctie1,2moduleren. De meest voorkomende doel is de motorische cortex, deels te wijten aan een onmiddellijke en meetbare biologische output (motorische evoked potentials) maar ook de hoge prevalentie van neurologische aandoeningen resulterend in motorische systeem dysfunctie en invaliditeit. Deze grote mondiale ziektelast omvat een groot deel van de aandoeningen die kinderen zoals cerebrale parese treffen, de belangrijkste oorzaak van levenslange handicaps die ongeveer 17.000.000 personen wereldwijd beïnvloeden3. Ondanks deze klinische relevantie en de diverse en toenemende capaciteiten van neurostimulatie technologieën, toepassingen in de ontwikkelende hersenen zijn alleen beginnen te worden gedefinieerd4. Een verbeterde karakterisering van bestaande en opkomende niet-invasieve hersenstimulatie methoden bij kinderen is vereist om toepassingen in de ontwikkelende hersenen te stimuleren.
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een gevestigde neurofysiologische tool wordt steeds meer gebruikt voor zijn niet-invasieve, pijnloze, goed verdragen en veiligheidsprofiel bij volwassenen. TMS-ervaring bij kinderen is relatief beperkt, maar neemt gestaag toe. TMS levert magnetische velden voor het opwekken van regionale activering van corticale neuronale populaties in de hersenen met netto-uitgangen weerspiegeld in doel spier motor Evoked mogelijkheden (MEP). Systematische toepassing van single Pulse TMS kan kaarten van de motorische cortex in vivo definiëren. Seminal Animal studies5 en EMERGING Human TMS studies6 hebben laten zien hoe motorische kaarten kunnen helpen bij het informeren van mechanismen van corticale neuroplasticiteit. Navigeerde motor mapping is een TMS-techniek die wordt gebruikt om de menselijke motorische cortex in kaart te brengen om functionele corticale regio's te ondervragen. Veranderingen in de motorkaart zijn in verband gebracht met plastic veranderingen van het Human motor System7. Recente ontwikkelingen in Robotic TMS-technologie hebben nieuwe mogelijkheden opgeleverd om de efficiëntie en nauwkeurigheid van motor kaarten te verbeteren. Onze groep heeft onlangs aangetoond dat Robotic TMS motor mapping haalbaar is, efficiënt en goed verdragen bij kinderen8.
Transcraniële directe stroom stimulatie (tDCS) is een vorm van niet-invasieve hersenstimulatie die corticale prikkelbaarheid kan verschuiven en menselijk gedrag moduleren. Er is een veelheid van studies onderzoeken van het effect van tDCS bij volwassenen (> 10000 onderwerpen) maar minder dan 2% van de studies hebben gericht op de ontwikkeling van de hersenen9. Vertaling van volwassen bewijs voor pediatrie toepassingen is complex, en gewijzigde protocollen zijn nodig als gevolg van complexe verschillen in kinderen. Wij en anderen hebben bijvoorbeeld laten zien dat kinderen grotere en sterkere elektrische velden ervaren in vergelijking met volwassenen10,11. Standaardisatie van tDCS-methoden bij kinderen is belangrijk om een veilige en consistente toepassing te garanderen, de replicatie te verbeteren en het veld verder te gaan. Ervaring van motorische leer modulatie tDCS bij kinderen is beperkt maar stijgt12. Translationele toepassingen van tDCS naar specifieke cerebrale parese populaties gaan vooruit op klinische proeven in de late fase13. Pogingen om meer focale stimulatie toe te passen via high-definition tDCS (HD-tDCS) zijn pas voor het eerst bestudeerd bij kinderen14. We hebben aangetoond dat HD-tDCS vergelijkbare verbeteringen in het motor onderwijs oplevert als conventionele tDCS bij gezonde kinderen14. Het beschrijven van de HD-tDCS-methoden maakt replicatie en verdere toepassingen van dergelijke protocollen bij kinderen mogelijk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle methoden beschreven in dit protocol zijn goedgekeurd door Conjoint Health Research Ethics Board, University of Calgary (REB16-2474). Het protocol wordt beschreven in Figuur 1.
1. niet-invasieve hersenstimulatie contra-indicaties
- Scherm alle deelnemers voor contra-indicaties voor TMS15 en tdcs1 voorafgaand aan werving.
2. Transcraniële magnetische stimulatie motor mapping
- Voorbereiding van MRI voor gennavigated TMS
- Verkrijg de structurele MRI van elke deelnemer (T1). Als een MRI onhaalbaar is, gebruik dan een sjabloon MRI van Montreal neurologisch instituut.
- Importeer het MRI-bestand in de DICOM-of NIFTI-indeling naar de neuronavigation-software (Zie tabel met materialen).
- TMS target trajecten
- Gebruik de neuronavigation-software om de huid en de volledige hersen krullen te reconstrueren met behulp van de tabs.
- Selecteer Nieuw, Skinen Compute Skin. Zorg ervoor dat de neus en bovenkant van het hoofd zijn inbegrepen.
- Selecteer Nieuw, en volledige hersenen Curvilinear. Omsluit het groene selectievak buiten de hersenen, maar binnenin de schedel. Selecteer Compute Curvilinear. Stel de schil diepte in op 4,0-6,0 mm.
- Selecteer bezienswaardigheden configureren. Plaats vier bezienswaardigheden op het puntje van de neus, nasion en de inkepingen van beide oren van de gereconstrueerde huid. Noem de bezienswaardigheden die overeenkomen met hun anatomie.
- Selecteer het tabblad doelen om kromlijnige hersenen te bekijken. Selecteer Nieuwen rechthoekig raster. Plaats uniforme 12 x 12 coördinaat roosters met een afstand van 7 mm op het oppervlak van het gereconstrueerde brein over de "handknop" van de motorische cortex (precentrale gyrus)17.
- Gebruik de doel positionerings tool aan de rechterkant om de raster positionering voor rotatie, kantelen en kromming te optimaliseren. Zet de grid-Points om in trajecten die de robot zullen begeleiden om de TMS-spoel te positioneren. Pas de hoek van de trajecten aan zodat ze 45 ° zijn naar de longitudinale fismen van de hersenen.
- Gebruik het snap -gereedschap om de trajecten te extrapoleren en te optimaliseren voor de curvilinelaire hersenen.
- Initialiseer en Positioneer de TMS robotarm en de stoel om de positie te verwelkomen en Kalibreer de kracht plaat sensor met behulp van de krachtsensor test.
- Voorbereiding van de deelnemer voor motor mapping
- Laat de deelnemers een veiligheids vragenlijst invullen18.
- Zodra de deelnemers comfortabel in de robot stoel zitten, past u de rugleuning en de neckrest aan. Zorg ervoor dat hun voeten worden ondersteund. Steun hun armen en handen met kussens om ervoor te zorgen dat hun handen in rustpositie zijn voor de duur van de toewijzings sessie.
Opmerking: kinderen en adolescenten zullen tijdens de hele sessie herinneringen nodig hebben om hun handen ontspannen te houden. - Reinig de huid over de spier van belang. Plaats Ag/AgCl-oppervlakte elektroden op beide handen en onderarmen van de deelnemer, gericht op vier distale forelimb-spieren, 1) de buik van de eerste dorsale ligament (FDI), 2) ontvoering pollicis brevis (APB), 3) ontvoering digiti minimi (adm), en 4) de pols (extensor carpi ulnaris).
- Verbind de oppervlakte-elektroden met een elektromyografie (EMG) versterker en data-acquisitie systeem en verbind de versterker met een gegevensverzamelings computer met een compatibele EMG-software.
- Co-Registreer de vier oriëntatiepunt op het hoofd van de deelnemer met behulp van de Landmark pointer. Gebruik het tabblad validatie om te controleren of de hoofd van de deelnemer correct is geregistreerd.
- Het bepalen van de TMS-intensiteit van de motor toewijzing
- Selecteer een rasterpunt dat het dichtst bij de "handknop" van de deelnemer is. Selecteer de knop Uitlijnen op doel om de TMS-spoel die door de robot wordt vastgehouden, op deze doellocatie uit te lijnen. Selecteer contact op. Controleer de contact kwaliteit met de contactkracht indicator. Controleer of de indicator groen of geel is.
Opmerking: de rode kleur op de contact indicator betekent dat er te veel kracht op het hoofd van de deelnemer is. Geen kleur betekent dat de TMS-spoel niet in contact is met het hoofd van de deelnemer. In deze gevallen past u de gevoeligheid van de kracht plaat aan. - Instrueer de deelnemer niet buiten de reikwijdte van de robotarm te bewegen. Zorg ervoor dat de hand spieren van de deelnemer ontspannen zijn en nog steeds voorafgaand aan contact blijven.
- Selecteer Uitlijnen en volgen zodat de spoel gecentreerd blijft op het doel als de deelnemer beweegt.
- Gebruik de TMS-triggerknop op de TMS-machine om 5-10 TMS-pulsen te leveren met een intensiteit tussen 40-60% maximale stimulator output (MSO). Herhaal deze stap tot 5-6 rasterpunten rond de "handknop".
- Bepaal het grid-punt dat de grootste en meest consistente (hotspot) motor Evoked potentiaal (MEP) voor de linker of rechter FDI spier geeft.
- Bepaal de rust motor Threshold (RMT) als de laagste intensiteit die een MEP van ten minste 50 μV in de FDI-spier in 5/10 stimulaties produceert.
- Selecteer een rasterpunt dat het dichtst bij de "handknop" van de deelnemer is. Selecteer de knop Uitlijnen op doel om de TMS-spoel die door de robot wordt vastgehouden, op deze doellocatie uit te lijnen. Selecteer contact op. Controleer de contact kwaliteit met de contactkracht indicator. Controleer of de indicator groen of geel is.
- Motor mapping
- Vanaf de grid-punt het dichtst bij de hotspot, leveren vier single-Pulse TMS pulsen (1 Hz) op een interstimulus van 1 s en TMS intensiteit van 120% RMT. Een Responsive grid-Point wordt bepaald door 2/4 EP-leden > 50 μV in een van de hand spieren.
- Ga naar het aangrenzende rasterpunt en herhaal de bovenstaande stap.
- Volg sequentieel op een lineaire manier langs responsieve punten totdat er een niet-responsief punt is bereikt, wat het eerste grensgebied van de kaart is.
- Doorgaan met toewijzen om de rand punten in alle vier richtingen van het rechthoekige raster vast te stellen.
- Registreer alle EP-leden van alle spieren met behulp van de EMG-software voor offline analyse.
- Na 3-4 rasterpunten, selecteer contact uit en geef de deelnemer een pauze totdat ze zich klaar om door te gaan.
- Tijdens de gehele toewijzings sessie u voortdurend inchecken met de deelnemer om ervoor te zorgen dat ze comfortabel zijn en/of een pauze nodig hebben.
- Gebruik een versie met een vaste kopie van dezelfde rasters om de simulatie volgorde te overstag voor verdere analyse.
- Volledige mapping met behulp van een Robotic TMS zoals hier beschreven of handmatig (niet beschreven in dit manuscript). Als u een TMS-robot gebruikt, gaat deze naar het door de experimenteur geselecteerde roosterpunt. De robot is geschikt voor Child Head motion in near real time. Dit zal de extra beweging die gepaard gaat met een technicus die de spoel handmatig op het hoofd van de deelnemer houdt, verlichten.
Let op: als je een TMS-robot gebruikt, zorg er dan voor dat er tijdens de sessie te allen tijde een experimenteerder naast de robot is. Als de robot op het hoofd van een deelnemer wordt geplaatst en de deelnemer plotseling beweegt, zal de robot proberen zijn hoofd te volgen. Als de deelnemer beweegt, niezen, krabben of een activiteit uitvoert met betrekking tot de beweging van zijn hoofd, moet de robotarm worden verplaatst om te voorkomen dat het hoofd van de deelnemer de arm van de robot of de TMS-spoel raakt.
- Motor kaart creatie
- Gebruik een op maat gemaakt Codeer script om driedimensionale motor kaarten te genereren (Figuur 2). Neem contact op met de auteurs voor het script.
- Bereken het gebied en volume van de motorkaart met behulp van responsieve traject locaties. Bereken het zwaartepunt (tandwiel) als het gewogen gemiddelde van de motor representaties van elke coördinaten locatie.
Opmerking: het kaartgebied wordt berekend als de rasterafstand (7 mm)2 vermenigvuldigd met het totale aantal responsieve sites. Het kaart volume wordt berekend als de cumulatieve som van de raster afstanden vermenigvuldigd met de gemiddelde MEP-amplitude op elke responsieve site. Een gebruiksvriendelijke versie van het script wordt ontwikkeld om te delen met het publiek als open source. Neem ondertussen contact op met de bijbehorende auteur om toegang te krijgen tot het script.
3. conventionele tDCS en HD-tDCS-toepassing
- De deelnemers randomiseren tot een van de drie interventie groepen (schijnvertoning, conventionele tDCS, HD-tDCS).
- Laat de deelnemer de Purdue pegboard test (PPT) drie keer voltooien met behulp van hun linkerhand (niet-dominant), waarbij hun baselinescore wordt vastgesteld.
- Inspecteer de elektrode kwaliteit om de integriteit van de tDCS-spons inserts en rubberen elektroden te bevestigen.
- Schakel het conventionele tDCS-apparaat in door de aan/uit-schakelaar opaan te zetten.
Opmerking: Zorg ervoor dat het lege batterijlampje niet brandt. Als deze brandt, moet u de batterijen vervangen voordat u de sessie start.- Voordeel nemers die conventionele of schijn tDCS ontvangen, licht weken 2 25 cm2 spons elektroden met zoutoplossing. Zorg ervoor dat de volledige elektrode bedekt is, maar niet druipend. Steek de rubberen elektrode in de zoute, geweekte spons elektroden en verbind elke elektrode met het tDCS-apparaat.
- Zoek de gemarkeerde hotspot (rechter M1) met behulp van de neuronavigation en markeer deze met een niet-giftige marker. Markeer de hotspot aan het einde van elke tDCS-, HD-tDCS-of Sham-sessie opnieuw zodat deze de volgende dag zichtbaar is.
- Indien gerandomiseerd naar conventionele tDCS of schijn tDCS, plaats 1 25 cm2 zoute-geweekte spons elektrode over de gemarkeerde hotspot van de deelnemer (rechter M1), die fungeert als de anode. Plaats de andere 25 cm2 zoute-geweekte spons-elektrode op de contralaterale supraorbitale regio, die de kathode vertegenwoordigt. Gebruik een lichte kunststof pediatrische "hoofdband" te houden van de elektroden op zijn plaats.
Opmerking: Zorg ervoor dat er geen zoutoplossing druipend van de elektrode als het de stroom kan shunt. - In de Sham en conventionele tDCS groep, zorgen voor "optimale" contact kwaliteit. Als de contact kwaliteit "suboptimaal" is, Injecteer dan een kleine hoeveelheid zoutoplossing onder de spons elektroden, of zorg ervoor dat er minimaal haar is tussen de hoofdhuid en de elektrode.
Opmerking: de "optimale" contact kwaliteit wordt bereikt wanneer meer dan de helft van de lichtkwaliteit van de contact indicator brandt. Als minder dan de helft van de contact-indicatielampjes zijn ingeschakeld, is de contact kwaliteit suboptimaal. Start de stimulatie niet als slechts één van de twee indicatielampjes brandt. - In de HD-tDCS-groep, zie Villamar, M.F., et al.16 voor de juiste opstelling.
- Stel in de groep HD-tDCS het apparaat in op de Scan instelling om de impedantie bij elke elektrode te controleren. Zorg ervoor dat de impedantie onder 1 "kwaliteits eenheid" ligt en eerder19,20is beschreven. Als de contact kwaliteit slecht is, verwijder de elektrode en controleer of er geen haren zijn die het contact van de elektrode belemmeren, en dat er een continue kolom van de elektrode gel aanwezig is tussen de hoofdhuid en de elektrode. Breng indien nodig meer elektrode-gel aan.
- Indien gerandomiseerd naar conventionele tDCS of schijn tDCS, plaats 1 25 cm2 zoute-geweekte spons elektrode over de gemarkeerde hotspot van de deelnemer (rechter M1), die fungeert als de anode. Plaats de andere 25 cm2 zoute-geweekte spons-elektrode op de contralaterale supraorbitale regio, die de kathode vertegenwoordigt. Gebruik een lichte kunststof pediatrische "hoofdband" te houden van de elektroden op zijn plaats.
- Stel de tDCS en het HD-tDCS-apparaat in op de anode-montage-instelling, 1 mA-stroomsterkte en 20 minuten duur.
- Zorg ervoor dat de deelnemer comfortabel zit en dat ze de mogelijke sensaties begrijpen die ze kunnen ervaren (zoals jeukende of tintelende sensaties). Herinner de deelnemer om te communiceren als ze zich ongemak voelen of als ze vragen hebben.
- In de conventionele tDCS-en HD-tDCS-groepen moet u ervoor zorgen dat de wisselknop is ingesteld op actief.
Opmerking: voor de Sham-groep moet de wisselknop zijn ingesteld op Sham. Deze instelling moet worden verborgen voor de deelnemer. - Druk op de Start knop van het apparaat om de stimulatie te starten. Zorg ervoor dat de duur is ingesteld op 20 min en de intensiteit op 1 mA.
Opmerking: in de conventionele tDCS-en HD-tDCS-groepen zal de stroom meer dan 30 sec. tot 1 mA oprijden en gedurende 20 minuten doorgaan. In de Sham tDCS-groep wordt de stroom meer dan 30 sec. tot 1 mA opgehoogd en onmiddellijk meer dan 30 sec.
- In de conventionele tDCS-en HD-tDCS-groepen moet u ervoor zorgen dat de wisselknop is ingesteld op actief.
- Op 5 min, 10 min, 15 min, en 20 min, laat de deelnemer de PPT drie keer met behulp van hun linkerhand voltooien.
- Na 20 minuten schakelt u het apparaat uit nadat de intensiteit is voltooid tot 0 mA.
Opmerking: voordeel nemers die conventionele tDCS of HD-tDCS ontvangen, wordt de machine automatisch naar 0 mA op 20 min. Voordeel nemers die Sham tDCS ontvangen, zal de machine automatisch een helling van meer dan 30 s tot 1 mA en onmiddellijk naar beneden naar 0 mA boven 30 s op 20 minuten. - Verwijder de elektroden uit het hoofd van de deelnemer.
- Voor Sham en conventionele tDCS-groep, verwijder zwarte elektroden van binnen de sponzen en spoel de spons elektrode met normaal kraanwater.
- Neem in de HD-tDCS-groep de bovenkant van de plastic elektrodehouder en verwijder de elektroden. Verwijder de elektrode dop van het hoofd van de deelnemers. Spoel elke gel in de elektrodehouder. Reinig de elektrode met een licht vochtige papieren handdoek. Veeg de elektrode af met een droge papieren handdoek om eventuele overgebleven gel te verwijderen.
- Laat alle deelnemers na elke stimulatie sessie de Transcraniële direct-current stimulatie-neveneffecten en de verdraag baarheids vragenlijst voltooien.
- Laat de deelnemers de PPT drie keer voltooien met hun linkerhand.
- Laat de deelnemers de volgende dag en voor nog eens vier opeenvolgende dagen (vijf dagen totaal) terugkeren voor niet-invasieve hersenstimulatie (Sham, tDCS of HD-tDCS) in combinatie met motor learning (PPT). Herhaal stap 3.2-3.13 op dag 2-4. Laat de deelnemers op dag 5 beginnen met niet-invasieve hersenstimulatie (Sham, tDCS of HD-tDCS) (stappen 3.2-3.13 worden herhaald). Na een pauze (45 min-~ 1.5 h sinds het ontvangen van stimulatie), start Robotic TMS motor mapping (stappen 2.3-2.5.8).
Opmerking: alle deelnemers ontvingen hetzelfde aantal minuten voor pauzes tussen Beoordelingen. - Na 6 weken, nodig de deelnemers uit om terug te keren en de PPT uit te voeren zonder een niet-invasieve hersenstimulatie te ontvangen (stap 3,2 gevolgd door Robotic TMS motor mapping (stap 2.5.8)).
- Laat de deelnemers de volgende dag en voor nog eens vier opeenvolgende dagen (vijf dagen totaal) terugkeren voor niet-invasieve hersenstimulatie (Sham, tDCS of HD-tDCS) in combinatie met motor learning (PPT). Herhaal stap 3.2-3.13 op dag 2-4. Laat de deelnemers op dag 5 beginnen met niet-invasieve hersenstimulatie (Sham, tDCS of HD-tDCS) (stappen 3.2-3.13 worden herhaald). Na een pauze (45 min-~ 1.5 h sinds het ontvangen van stimulatie), start Robotic TMS motor mapping (stappen 2.3-2.5.8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Met behulp van de hier gepresenteerde methoden, hebben we een gerandomiseerde, Sham-gecontroleerde Interventionele trial8voltooid. Rechtshandige kinderen (n = 24, leeftijden 12-18) zonder contra-indicaties voor beide soorten niet-invasieve hersenstimulatie werden gerekruteerd. Deelnemers werden specifiek uitgesloten in deze studie als op neuropsychotrope medicatie of als ze niet naïef zijn voor tDCS. Er waren geen dropouts.
Robotic TMS motor kaarten werden verkregen om een baseline motorkaart te verwerven en om te dienen als een potentieel mechanisme om neuroplastische en corticale prikkelbaarheid veranderingen te monitoren na het motorische leren gepaard met niet-invasieve hersenstimulatie. Met behulp van de hierboven beschreven methoden, alle deelnemers ontvangen drie Robotic TMS motor Maps, 1) Baseline voorafgaand aan niet-invasieve hersenstimulatie (Sham, tDCS, of HD-tDCS), 2) dag 5 (post), en 3) op de 6-week follow up (retentietijd). Alle deelnemers ontvingen bihemiferische motor kaarten (3 deelnemers ontvingen alleen de juiste hemiferische motor toewijzing vanwege tijdsbeperkingen). Motor kaarten werden gemiddeld in 18 minuten voltooid voor unilaterale motor kaarten en 36 min voor bihemiferische mapping. Motor kaartgebied, volume, hotspot en COG werden berekend en vergeleken op individueel en groepsniveau. In onze eerste analyse van de motorkaart wijzigde het gebied en volume van de motorkaart niet significant na de ingreep. In onze secundaire analyse resulteerde het meten van de submaximale verhoudingen van het kaartgebied en het volume in significant kleinere variantie (p < 0,05).
Alle deelnemers ontvingen gedurende vijf opeenvolgende dagen een van de drie niet-invasieve hersenstimulatie interventies gedurende een periode van 20 min (1 mA). We hebben aangetoond dat tDCS en HD-tDCS de leersnelheid (aantal pinnen/dag) (tDCS p = 0.042, HD-tDCS p = 0.049) gedurende 5 dagen training verbeteren. De actieve interventie groepen (tDCS en HD-tDCS) hadden grotere verbeteringen in de dagelijkse gemiddelde links-hand PPT-Score (PPTL) op dag 4 en 5 in vergelijking met Sham (dag 4 p ≤ 0.043, dag 5 p ≤ 0,05) (Figuur 3). De actieve interventie groepen behielden hun motorische vaardigheden (op de PPT) na 6 weken na de training. Echter, er was aanzienlijke vaardigheid verval in de Sham groep van post-training naar de 6-week follow-up (p = 0.034). Deze methodologie is gerepliceerd uit een eerdere studie21 en de gegevenssets zijn gecombineerd (Figuur 4). De replicatiegegevens toonden vergelijkbare resultaten. Er was een aanzienlijke toename in de mate van leren waargenomen in de tDCS en de HD-tDCS-groep in vergelijking met de Sham-groep (tDCS p = 0,001, HD-tDCS p = 0,012).
Figuur 1: proefprotocol. PTT = Purdue pegboard test, TMS = TMS motor mapping tDCS = Transcraniële directe stroom stimulatie, HD-tDCS = High-definitionele tDCS. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 2: een voorbeeld TMS motorkaart. Bovenaanzicht van linker FDI motorkaart a)pre en (B) post HD-tdcs interventie. Rood kruis geeft hotspot aan, blauw Kruis geeft COG aan. De kleurenbalk geeft het bereik aan van MEP van 0-2 mV. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: motorische educatie waargenomen in schijn-, tdcs-en zvh-tdcs-groepen. Dit cijfer is heruitgegeven van Cole & Giuffre et al. 2018. A) gemiddelde dagelijkse verandering in de linker hand Purdue pegboard Score vanaf Baseline in Sham (witte driehoeken), tDCS (grijze cirkels) en HD-tDCS (zwarte cirkels), (n = 24). (B) dagelijkse gemiddelde score op elk tijdstip van PPTL. * p ≪ 0.05 voor tdcs vs. sham, # p < 0.05 voor HD-tdcs vs. Sham. Foutbalken geven standaardfout aan. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: replicatie van methoden-gecombineerde PPTL gegevensset voor 3 dagen van de training. Dit cijfer is heruitgegeven van Cole &Amp; Giuffre et al. 2018). A) de leer curves voor Sham (witte driehoeken, n = 14), tdcs (grijze cirkels, n = 14) en HD-tdcs (zwarte cirkels, n = 8) groepen. B) het dagelijks leren voorschijn, tdcs en Zvh-tdcs uit de gecombineerde studies. Foutbalken geven standaardfout aan. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
TMS is ook onderzocht in klinische pediatrische populaties, met inbegrip van perinatale beroerte22 en cerebrale parese, waar TMS motor kaarten met succes werden gemaakt bij kinderen met cerebrale parese om mechanismen van Interventionele plasticiteit te verkennen. Met behulp van een gevestigde protocol8, TMS motor kaarten werden succesvol verzameld in typisch ontwikkelende kinderen, en worden momenteel verzameld in een lopende multicenter klinische proef voor kinderen met perinatale beroerte en hemiplegic cerebrale parese ( NCT03216837). De beschrijving van de methoden voor het toewijzen van TMS-motoren maakt replicatie en verdere toepassingen van protocollen bij gezonde kinderen en kinderen met bewegingsstoornissen mogelijk.
Robotic motor mapping verbetert de nauwkeurigheid van de TMS-spoel positie en vermindert menselijke fouten in vergelijking met handmatige technieken23,24. Deze techniek is voordeliger voor pediatrische populaties met toegenomen hoofdbewegingen en lagere verdraagbaarheid voor lange sessies12. Hoewel motor mapping met behulp van een TMS-robot is gemeld bij volwassenen, is onze groep de eerste die deze techniek toepast in een pediatrische populatie. Nieuwe motor mapping methodieken die gebruik maken van statistische weging en interpolatie25,26 kunnen worden gebruikt om de acquisitie tijd te verkorten in combinatie met Robotic TMS. Als zodanig moeten methodologieën verder worden onderzocht in de ontwikkelende hersenen.
We schetsen een beknopte benadering om tDCS, HD-tDCS en TMS in een gezonde pediatrische populatie toe te passen. Er zijn een aantal kritische stappen te overwegen bij de toepassing van niet-invasieve hersenstimulatie bij kinderen. Het is van cruciaal belang dat kinderen en/of hun ouders bevestigen dat de deelnemer geen contra-indicaties heeft voor niet-invasieve hersenstimulatie. Het is belangrijk dat de deelnemers zich comfortabel en veilig voelen. Moedig de deelnemers aan om tijdens de hele sessie vragen te stellen, omdat het noodzakelijk is om continu feedback te krijgen gedurende de hele sessie, vooral bij een pediatrische populatie. Ook is het belangrijk om de kwaliteit van de elektroden en de kwaliteit van de hoofdhuid van de deelnemers te inspecteren, omdat dit de veilige toepassing van tDCS uitsluit. Het is van vitaal belang om de juiste anodal-montage, huidige intensiteit en de duur van de stimulatie te hebben geselecteerd op de machine voordat de stimulatie begint. Er zijn specifieke overwegingen voor conventionele tDCS en HD-tDCS. In HD-tDCS is het cruciaal om de gekozen elektrode te roteren om in de middelste anodal positie te staan met de omringende elektroden om de hoeveelheid elektrode afbraak te verminderen. Het is van vitaal belang om de juiste aansluiting van de kabels op de anodal-en kathodale poorten op de 1x1 tDCS-machine in conventionele tDCS te hebben, zodat de juiste polariteit kan worden toegepast. Eerdere literatuur heeft het belang aangetoond van het gebruik van zoutoplossing om de verdraagbaarheid van de stimulatie27te verbeteren. De meest voorkomende sensatie die in onze studie werd beschreven, was jeuk (56%)14. We hebben geen nadelige effecten gemeld bij onze bevolking door gebruik te maken van onze methodes zoals12,14.
Er zijn een aantal verschillende wijzigingen te maken bij het perfectioneren van de toepassing van tDCS en HD-tDCS. Het is belangrijk om goede contact kwaliteit te hebben om de weerstand van de stroom over de hoofdhuid te verminderen. Als de contact kwaliteit slecht is, kan meer zoutoplossing worden toegepast om de weerstand in conventionele tDCS te verminderen. Het is echter belangrijk om er eerst voor te zorgen dat goed elektrode contact met de hoofdhuid aanwezig is. In HD-tDCS is het essentieel dat de hoofdhuid wordt blootgesteld om een betere kwaliteit van de elektrode mogelijk te maken. Het kan zijn dat het haar uit de weg moet worden geruwd en dat er meer elektrode-gel moet worden aangebracht om de contact kwaliteit te verbeteren. Zorg ervoor dat de contact kwaliteit gedurende de hele sessie continu wordt bewaakt.
Huidige modellering studies hebben gesuggereerd een verschil in huidige sterkte ervaren over de leeftijdsgroepen afhankelijk van witte stof en CSF volume10,11. Een beperking van deze methode is dat we geen prospectieve huidige modellering hebben uitgevoerd op elke deelnemer om een huidige sterkte toe te passen die vergelijkbare neuronale elektrische veldsterkte tussen deelnemers zou opwekken.
Deze methode is een belangrijke volgende stap in de toepassing van niet-invasieve hersenstimulatie in de pediatrie. We hebben onze opleidingsperiode verlengd van drie dagen tot vijf dagen en vergelijkbare verbeteringen in vaardigheid waargenomen. HD-tDCS is alleen toegepast in een pediatrische populatie met behulp van onze methode en we hebben aangetoond dat er vergelijkbare motorische vaardigheid leren aan conventionele tDCS. HD-tDCS induceert een meer focale stroom, het verbeteren van targeting en implicatie28. De in dit artikel beschreven methoden zullen de replicatie en verdere studie van ZVH-tDCS bij kinderen mogelijk maken.
Deze methoden worden momenteel uitgebreid tot een perinatale beroerte populatie. Het tDCS-en het HD-tDCS-protocol is aangepast aan deze populatie en de trainingstijd is uitgebreid om klinische proeven in perinatale beroerte verder te ontwikkelen. Het is cruciaal voor het optimaliseren van de toepassing van de tDCS in de kindergeneeskunde te stimuleren therapeutische toepassing bij kinderen met perinatale beroerte en daarom de resultaten van de motorische functie te verbeteren. Voor TMS motor mapping, is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de deelnemer comfortabel zit, met hun armen en handen in een ontspannen positie. Na volledige motormapping sessie, slechts 15% van de deelnemers ervaren milde zelfbeperkende hoofdpijn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen informatie.
Acknowledgments
Deze studie werd gesteund door de Canadese instituten voor gezondheidsonderzoek.
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. Transcranial magnetic stimulation in children. Clinical Neurophysiology. 119 (5), 973-984 (2008).
- 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).
