Summary
Wir demonstrieren Protokolle für die Modulation (tDCS, HD-tDCS) und Mapping (Robotik TMS) des Motorkortex bei Kindern.
Abstract
Die Kartierung des motorischen Kortex mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) hat das Potenzial, die Physiologie und Plastizität des Motorkortex zu hinterfragt, birgt aber einzigartige Herausforderungen bei Kindern. In ähnlicher Weise kann die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) das motorische Lernen bei Erwachsenen verbessern, wurde aber erst vor kurzem auf Kinder angewendet. Der Einsatz von tDCS und neu entstehenden Techniken wie High-Definition tDCS (HD-tDCS) erfordern besondere methodische Überlegungen im sich entwickelnden Gehirn. Die Robotik-TMS-Motorkartierung kann einzigartige Vorteile für die Kartierung bieten, insbesondere im sich entwickelnden Gehirn. Hier wollen wir einen praktischen, standardisierten Ansatz für zwei integrierte Methoden bieten, die in der Lage sind, gleichzeitig motorische Kortexmodulation und Motorkarten bei Kindern zu erforschen. Zunächst beschreiben wir ein Protokoll für die Robotik-TMS-Motorzuordnung. Individualisierte, MRT-navigierte 12x12-Gitter, die auf dem Motorkortex zentriert sind, führen einen Roboter zur Verwaltung von Einpuls-TMS. Mittlere motorisch evozierte Potential (MEP) Amplituden pro Rasterpunkt werden verwendet, um 3D-Motorkarten einzelner Handmuskeln mit Ergebnissen wie Kartenbereich, Volumen und Schwerpunkt zu generieren. Werkzeuge zur Messung der Sicherheit und Verträglichkeit beider Methoden sind ebenfalls enthalten. Zweitens beschreiben wir die Anwendung von tDCS und HD-tDCS, um den Motorkortex und das Motorlernen zu modulieren. Ein experimentelles Trainingsparadigma und Beispielergebnisse werden beschrieben. Diese Methoden werden die Anwendung der nicht-invasiven Hirnstimulation bei Kindern voranbringen.
Introduction
Nicht-invasive Hirnstimulation kann sowohl die menschliche Gehirnfunktion messen als auch modulieren1,2. Das häufigste Ziel war der motorische Kortex, was zum Teil auf eine sofortige und messbare biologische Leistung (motorisch evozierte Potenziale) zurückzuführen ist, aber auch auf die hohe Prävalenz neurologischer Erkrankungen, die zu Funktionsstörungen und Behinderungen des Motorsystems führen. Diese große globale Krankheitslast umfasst einen hohen Anteil von Erkrankungen, von denen Kinder betroffen sind, wie z. B. zerebrale Lähmung, die Hauptursache für lebenslange Behinderungen, von denen weltweit etwa 17 Millionen Menschen betroffensind 3. Trotz dieser klinischen Relevanz und der vielfältigen und zunehmenden Kapazitäten von Neurostimulationstechnologien beginnen Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn erst zu definieren4. Eine verbesserte Charakterisierung bestehender und neu auftretender nicht-invasiver Hirnstimulationsmethoden bei Kindern ist erforderlich, um Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn voranzubringen.
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein etabliertes neurophysiologisches Werkzeug, das zunehmend für sein nicht-invasives, schmerzloses, gut verträgliches und Sicherheitsprofil bei Erwachsenen eingesetzt wird. Die TMS-Erfahrung bei Kindern ist relativ begrenzt, nimmt aber stetig zu. TMS liefert Magnetfelder, um die regionale Aktivierung kortikaler neuronaler Populationen im Gehirn mit Nettoausgängen zu in Zielmuskelmotor evozierten Potentialen (MEP) zu induzieren. Die systematische Anwendung von Single-Pulse TMS kann Karten des Motorkortex in vivo definieren. Seminale Tierstudien5 und neu entstehende humane TMS-Studien6 haben gezeigt, wie motorische Karten helfen können, Mechanismen der kortikalen Neuroplastizität zu informieren. Navid Motor Mapping ist eine TMS-Technik, die verwendet wird, um den menschlichen Motorkortex zu kartieren, um funktionelle kortikale Regionen abzuhören. Änderungen in der Motorkarte wurden mit plastischen Veränderungen des menschlichen Motorsystems in Verbindung gebracht7. Jüngste Fortschritte in der Robotik-TMS-Technologie haben neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz und Genauigkeit von Motormappings gebracht. Unsere Gruppe hat vor kurzem gezeigt, dass Robotik TMS Motor Mapping ist machbar, effizient und gut verträglich bei Kindern8.
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine Form der nicht-invasiven Hirnstimulation, die die kortikale Erregbarkeit verschieben und menschliches Verhalten modulieren kann. Es gab eine Vielzahl von Studien, die die Wirkung von tDCS bei Erwachsenen untersuchten (>10.000 Probanden), aber weniger als 2% der Studien haben sich auf das sich entwickelnde Gehirn konzentriert9. Die Übersetzung von Erwachsenennachweisen in pädiatrische Anwendungen ist komplex, und aufgrund komplexer Unterschiede bei Kindern sind modifizierte Protokolle erforderlich. Zum Beispiel haben wir und andere gezeigt, dass Kinder größere und stärkere elektrische Felder im Vergleich zu Erwachsenen10,11erleben. Die Standardisierung von tDCS-Methoden in untergeordneten Kindern ist wichtig, um eine sichere und konsistente Anwendung zu gewährleisten, die Replikation zu verbessern und das Feld voranzubringen. Die Erfahrungen mit der motorischen Lernmodulation tDCS bei Kindern sind begrenzt, nehmen aber um12zu. Translationale Anwendungen von tDCS auf spezifische zerebrale Lähmungspopulationen bewegen sich in Richtung klinischer Spätphasenstudien13. Die Bemühungen um eine fokalere Stimulation durch High-Definition tDCS (HD-tDCS) wurden erst zum ersten Mal bei Kindern14untersucht. Wir haben gezeigt, dass HD-tDCS ähnliche Verbesserungen im motorischen Lernen hervorbringt wie herkömmliche tDCS bei gesunden Kindern14. Die Beschreibung von HD-tDCS-Methoden ermöglicht die Replikation und weitere Anwendungen solcher Protokolle bei untergeordneten Daten.
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Protocol
Alle in diesem Protokoll beschriebenen Methoden wurden von der Conjoint Health Research Ethics Board, University of Calgary (REB16-2474) zugelassen. Das Protokoll wird in Abbildung 1beschrieben.
1. Nichtinvasive Hirnstimulationskontraindikationen
- Prüfen Sie alle Teilnehmer vor der Einstellung auf Kontraindikationen für TMS15 und tDCS 1.
2. Transkranielle magnetische Stimulation Motor Mapping
- Vorbereiten der MRT für navigiertes TMS
- Erhalten Sie die strukturelle MRT (T1) jedes Teilnehmers. Wenn eine MRT nicht erhältlich ist, verwenden Sie eine Schablone MRT von Montreal Neurological Institute.
- Importieren Sie die MRT-Datei im DICOM- oder NIFTI-Format in die Neuronavigationssoftware (siehe Materialtabelle).
- TMS-Zielbahnen
- Verwenden Sie die Neuronavigations-Software, um Skin und Full Brain Curvilinear mithilfe der Registerkarten zu rekonstruieren.
- Wählen Sie Neue, Skinund Compute Skin. Stellen Sie sicher, dass die Nase und die Oberseite des Kopfes enthalten sind.
- Wählen Sie Neuund Vollhirncurvilinear. Schließen Sie die grüne Auswahlbox außerhalb des Gehirns, aber innerhalb des Schädels ein. Wählen Sie Curvilinear berechnenaus. Stellen Sie die Schalentiefe auf 4,0-6,0 mm ein.
- Wählen Sie Wahrzeichen konfigurierenaus. Platzieren Sie vier Sehenswürdigkeiten an der Nasenspitze, Nasion und die Kerben beider Ohren der rekonstruierten Haut. Benennen Sie die Sehenswürdigkeiten, die ihrer Anatomie entsprechen.
- Wählen Sie die Registerkarte Ziele aus, um das kurvenlineare Gehirn anzuzeigen. Wählen Sie Neuesund Rechteckiges Rasterrasteraus. Legen Sie gleichmäßige 12 x 12 Koordinatengitter mit 7 mm Abstand auf die Oberfläche des rekonstruierten Gehirns über den "Handknopf" des Motorkortex (präzentraler Gyrus)17.
- Verwenden Sie das Zielpositionierungswerkzeug auf der rechten Seite, um die Rasterpositionierung für Drehung, Neigung und Krümmung zu optimieren. Konvertieren Sie die Gitterpunkte in Flugbahnen, die den Roboter zur Positionierung der TMS-Spule führen. Stellen Sie den Winkel der Flugbahnen so ein, dass sie 45° bis zur Längsspalte des Gehirns sind.
- Verwenden Sie das SNAP-Tool, um die Trajektorien auf das kurvenlineare Gehirn zu extrapolieren und zu optimieren.
- Initialisieren und positionieren Sie den TMS Roboterarm und -sitz in willkommene Position und kalibrieren Sie den Kraftplattensensor mit dem Force Sensor Test.
- Vorbereitung des Teilnehmers auf die Motorkartierung
- Lassen Sie die Teilnehmer einen Sicherheitsfragebogenausfüllen 18.
- Sobald die Teilnehmer bequem im Roboterstuhl sitzen, stellen Sie die Rückenlehne und Nackenstütze ein. Stellen Sie sicher, dass ihre Füße unterstützt werden. Unterstützen Sie ihre Arme und Hände mit Kissen, um sicherzustellen, dass ihre Hände für die Dauer der Mapping-Sitzung in einer Ruheposition sind.
HINWEIS: Kinder und Jugendliche benötigen während der gesamten Sitzung Erinnerungen, um ihre Hände entspannt zu halten. - Reinigen Sie die Haut über dem Muskel von Interesse. Platzieren Ag/AgCl Oberflächenelektroden auf beiden Händen und Unterarmen des Teilnehmers, die auf vier distale Vorderbeine, 1) den Bauch des ersten dorsalen Interosses (FDI), 2) Entführer pollicis brevis (APB), 3) Entführer digiti minimi (ADM) und 4) das Handgelenk Extensor (extensor carpi ulnaris).
- Verbinden Sie die Oberflächenelektroden mit Elektromyographie (EMG) Verstärker und Datenerfassungssystem und verbinden Sie den Verstärker mit einer kompatiblen EMG-Software an einen Datenerfassungscomputer.
- Registrieren Sie die vier Sehenswürdigkeiten auf dem Kopf des Teilnehmers mit dem Richtungszeiger. Verwenden Sie die Registerkarte Validierung, um sicherzustellen, dass der Kopf des Teilnehmers ordnungsgemäß registriert ist.
- Bestimmen der TMS-Intensität der Motorzuordnung
- Wählen Sie einen Rasterpunkt aus, der dem "Handknob" des Teilnehmers am nächsten liegt. Wählen Sie die Schaltfläche An Ziel ausrichten aus, um die TMS-Spule, die der Roboter hält, an dieser Zielposition auszurichten. Wählen Sie Kontakt unteraus. Überwachen Sie die Kontaktqualität mit der Kontaktkraftanzeige. Stellen Sie sicher, dass der Indikator grün oder gelb ist.
HINWEIS: Die rote Farbe auf der Kontaktanzeige bedeutet, dass der Kopf des Teilnehmers zu stark ist. Keine Farbe bedeutet, dass die TMS-Spule nicht in Kontakt mit dem Kopf des Teilnehmers ist. Passen Sie in diesen Fällen die Kraftplattenempfindlichkeit an. - Weisen Sie den Teilnehmer an, sich nicht außerhalb des Bereichs des Roboterarms zu bewegen. Stellen Sie sicher, dass die Handmuskeln des Teilnehmers entspannt sind und vor dem Kontakt noch bleiben.
- Wählen Sie Ausrichten und Folgen aus, damit die Spule auf dem Ziel zentriert bleibt, wenn sich der Teilnehmer bewegt.
- Verwenden Sie die TMS-Triggertaste am TMS-Gerät, um 5-10 TMS-Impulse mit einer Intensität zwischen 40-60% maximalem Stimulatorausgang (MSO) zu liefern. Wiederholen Sie diesen Schritt auf 5-6 Gitterpunkte, die den "Handknob" umgeben.
- Bestimmen Sie den Rasterpunkt, der das größte und konsistenteste (Hotspot) evozierte Potenzial (MEP) für den linken oder rechten FDI-Muskel bietet.
- Bestimmen Sie den Resting Motor Threshold (RMT) als die niedrigste Intensität, die in 5/10 Stimulationen einen MEP von mindestens 50 V im FDI-Muskel erzeugt.
- Wählen Sie einen Rasterpunkt aus, der dem "Handknob" des Teilnehmers am nächsten liegt. Wählen Sie die Schaltfläche An Ziel ausrichten aus, um die TMS-Spule, die der Roboter hält, an dieser Zielposition auszurichten. Wählen Sie Kontakt unteraus. Überwachen Sie die Kontaktqualität mit der Kontaktkraftanzeige. Stellen Sie sicher, dass der Indikator grün oder gelb ist.
- Motormapping
- Ausgehend vom Gitterpunkt, der dem Hotspot am nächsten liegt, liefern Sie vier Einpuls-TMS-Impulse (1 Hz) bei einem Interstimulus von 1 s und eine TMS-Intensität von 120% RMT. Ein reaktionsfähiger Gitterpunkt wird von 2/4 MdEP >50 V in einer der Handmuskeln bestimmt.
- Wechseln Sie zum angrenzenden Rasterpunkt, und wiederholen Sie den obigen Schritt.
- Fahren Sie linear entlang reaktionsfähiger Punkte fort, bis ein nicht reagierender Punkt erreicht ist, der der erste Grenzbereich der Karte ist.
- Fahren Sie mit der Zuordnung fort, um die Rahmenpunkte in allen vier Richtungen des rechteckigen Rasters festzulegen.
- Zeichnen Sie alle Abgeordneten aller Muskeln auf, indem Sie die EMG-Software für die Offline-Analyse verwenden.
- Wählen Sie nach 3-4 Startpunkten Kontakt aus und gönnen Sie dem Teilnehmer eine Pause, bis er sich bereit fühlt, weiterzumachen.
- Checken Sie während der gesamten Mapping-Sitzung kontinuierlich mit dem Teilnehmer ein, um sicherzustellen, dass er bequem ist und/oder eine Pause braucht.
- Verwenden Sie eine Gedruckte Version derselben Raster, um die Simulationsreihenfolge für die weitere Analyse zu ändern.
- Vollständige Zuordnung mit einem Roboter-TMS, wie hier beschrieben oder manuell (nicht in diesem Manuskript beschrieben). Wenn Sie einen TMS-Roboter verwenden, wird er zum vom Experimentator ausgewählten Rasterpunkt verschoben. Der Roboter wird für Kinderkopfbewegung in nahezu Echtzeit unterbringen. Dadurch werden zusätzliche Bewegungen verringert, die mit einem Techniker verbunden sind, der die Spule manuell auf dem Kopf des Teilnehmers hält.
HINWEIS: Wenn Sie mit einem TMS-Roboter kartieren, stellen Sie sicher, dass sich während der Sitzung jederzeit ein Experimentator neben dem Roboter befindet. Wenn der Roboter auf den Kopf eines Teilnehmers gelegt wird und sich der Teilnehmer plötzlich bewegt, wird der Roboter versuchen, seinem Kopf zu folgen. Wenn sich der Teilnehmer bewegen, niesen, kratzen oder eine Aktivität mit der Bewegung seines Kopfes ausführen muss, muss der Roboterarm bewegt werden, um zu verhindern, dass der Kopf des Teilnehmers auf den Arm oder die TMS-Spule des Roboters trifft.
- Motorkartenerstellung
- Generieren Sie mit einem benutzerdefinierten Codierungsskript dreidimensionale Motorkarten (Abbildung 2). Wenden Sie sich an die Autoren für das Skript.
- Berechnen Sie Motorkartenfläche und -volumen mithilfe von Reaktionsbahnstandorten. Berechnen Sie den Schwerpunkt (COG) als gewichteten Mittelwert der Motordarstellungen jeder Koordinatenposition.
HINWEIS: Die Kartenfläche wird als Rasterabstand (7 mm)2 multipliziert mit der Gesamtzahl der reaktionsfähigen Standorte berechnet. Das Kartenvolumen wird als kumulative Summe des Rasterabstands multipliziert mit der mittleren MEP-Amplitude an jedem responsiven Standort berechnet. Eine benutzerfreundliche Version des Skripts wird entwickelt, um sie als Open Source mit der Öffentlichkeit zu teilen. Wenden Sie sich unterdessen an den entsprechenden Autor, um Zugriff auf das Skript zu erhalten.
3. Konventionelle tDCS- und HD-tDCS-Anwendung
- Randomisieren Sie die Teilnehmer in eine von drei Interventionsgruppen (Schein, konventionelle sTvS, HD-tDCS).
- Lassen Sie den Teilnehmer den Purdue Pegboard Test (PPT) dreimal mit der linken Hand (nicht dominant) abschließen und damit die Basispunktzahl festlegen.
- Prüfen Sie die Elektrodenqualität, um die Integrität der tDCS-Schwammeinsätze und Gummielektroden zu bestätigen.
- Schalten Sie das herkömmliche tDCS-Gerät ein, indem Sie den Netzschalter auf ONumschalten.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass das niedrige Batterielicht nicht beleuchtet ist. Wenn es beleuchtet ist, wechseln Sie die Batterien, bevor Sie die Sitzung starten.- Für Teilnehmer, die konventionelle oder Schein-tDCS erhalten, leicht einweichen zwei 25 cm2 Schwammelektroden mit Salzlinie. Stellen Sie sicher, dass die gesamte Elektrode abgedeckt ist, aber nicht tropft. Setzen Sie die Gummielektrode in die salzgetränkten Schwammelektroden ein und schließen Sie jede Elektrode an das tDCS-Gerät an.
- Suchen Sie den markierten Hotspot (rechts M1) mit der Neuronavigation und markieren Sie ihn mit einem ungiftigen Marker. Markieren Sie am Ende jeder tDCS-, HD-tDCS- oder Scheinsitzung den Hotspot erneut, damit er am nächsten Tag sichtbar ist.
- Wenn Sie nach dem konventionellen tDCS oder sham tDCS randomisiert sind, legen Sie eine 25 cm2 salinegetränkte Schwammelektrode über den markierten Hotspot des Teilnehmers (Rechts M1), der als Anode dient. Legen Sie die andere 25 cm2 salinegetränkte Schwammelektrode auf den kontralateralen supraorbitalen Bereich, der die Kathode darstellt. Verwenden Sie ein leichtes pädiatrisches "Kopfband" aus Kunststoff, um Elektroden an Ort und Stelle zu halten.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass keine Saline von der Elektrode tropft, da sie den Strom shunten kann. - In der Schein- und konventionellen tDCS-Gruppe sorgen Sie für eine "optimale" Kontaktqualität. Wenn die Kontaktqualität "suboptimal" ist, injizieren Sie eine kleine Menge Salzlösung unter die Schwammelektroden oder stellen Sie sicher, dass sich ein minimales Haar zwischen Kopfhaut und Elektrode befindet.
HINWEIS: Die "optimale" Kontaktqualität wird erreicht, wenn mehr als die Hälfte der Qualität der Kontaktanzeigeleuchteten eingeschaltet ist. Wenn weniger als die Hälfte der Kontaktanzeigeleuchteten eingeschaltet sind, ist die Kontaktqualität suboptimal. Starten Sie die Stimulation nicht, wenn nur eine von zwei der Kontrollleuchten eingeschaltet ist. - In der HD-tDCS-Gruppe finden Sie unter Villamar, M.F., et al.16 für die entsprechende Einrichtung.
- Stellen Sie in der HD-tDCS-Gruppe das Gerät auf die Scan-Einstellung ein, um die Impedanz an jeder Elektrode zu überprüfen. Stellen Sie sicher, dass die Impedanz unter 1 "Qualitätseinheit" und zuvor beschrieben19,20ist. Wenn die Kontaktqualität schlecht ist, entfernen Sie die Elektrode und überprüfen Sie, ob kein Haar den Kontakt der Elektrode behindert, und dass eine kontinuierliche Säule von Elektrodengel zwischen Kopfhaut und Elektrode vorhanden ist. Wenden Sie bei Bedarf mehr Elektrodengel auf.
- Wenn Sie nach dem konventionellen tDCS oder sham tDCS randomisiert sind, legen Sie eine 25 cm2 salinegetränkte Schwammelektrode über den markierten Hotspot des Teilnehmers (Rechts M1), der als Anode dient. Legen Sie die andere 25 cm2 salinegetränkte Schwammelektrode auf den kontralateralen supraorbitalen Bereich, der die Kathode darstellt. Verwenden Sie ein leichtes pädiatrisches "Kopfband" aus Kunststoff, um Elektroden an Ort und Stelle zu halten.
- Stellen Sie das gerät tDCS und HD-tDCS auf die Anodenmontageeinstellung, 1 mA Stromstärke und 20 min Dauer ein.
- Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer bequem sitzt und die möglichen Empfindungen verstehen, die er erleben kann (z. B. juckende oder prickelnde Empfindungen). Erinnern Sie den Teilnehmer daran, zu kommunizieren, wenn er Einbeschwerden verspürt oder Fragen hat.
- Stellen Sie in den herkömmlichen tDCS- und HD-tDCS-Gruppen sicher, dass der Umschalter auf Aktiveingestellt ist.
HINWEIS: Für die Scheingruppe sollte der Umschalter auf "Schein"gesetzt werden. Diese Einstellung sollte dem Teilnehmer verborgen bleiben. - Drücken Sie die Starttaste des Geräts, um die Stimulation zu starten. Stellen Sie sicher, dass die Dauer auf 20 min und die Intensität auf 1 mA eingestellt ist.
HINWEIS: In den herkömmlichen tDCS- und HD-tDCS-Gruppen wird der Strom über 30 s bis 1 mA hochfahren und 20 min andauern. In der Schein-tDCS-Gruppe wird der Strom über 30 s auf 1 mA hochgefahren und sofort über 30 s heruntergefahren.
- Stellen Sie in den herkömmlichen tDCS- und HD-tDCS-Gruppen sicher, dass der Umschalter auf Aktiveingestellt ist.
- Nach 5 min, 10 min, 15 min und 20 min, lassen Sie den Teilnehmer die PPT dreimal mit ihrer linken Hand abschließen.
- Nach 20 min schalten Sie das Gerät aus, nachdem die Intensität auf 0 mA heruntergefahren ist.
HINWEIS: Für Teilnehmer, die entweder herkömmliche sDCS oder HD-tDCS erhalten, wird die Maschine automatisch auf 0 mA bei 20 min hochgefahren. Für Teilnehmer, die Schein-tDCS erhalten, wird die Maschine automatisch über 30 s bis 1 mA hochfahren und sofort auf 0 mA über 30 s bei 20 min. - Entfernen Sie die Elektroden vom Kopf des Teilnehmers.
- Für Schein- und konventionelle tDCS-Gruppen entfernen Sie schwarze Elektroden aus dem Inneren der Schwämme und spülen Sie die Schwammelektrode mit normalem Leitungswasser ab.
- Nehmen Sie in der HD-tDCS-Gruppe die Kunststoff-Elektrodenhalterplatte ab und entfernen Sie die Elektroden. Entfernen Sie die Elektrodenkappe vom Kopf der Teilnehmer. Spülen Sie jedes Gel im Elektrodenhalter aus. Reinigen Sie die Elektrode mit einem leicht feuchten Papiertuch. Wischen Sie die Elektrode mit einem trockenen Papiertuch ab, um das verbleibende Gel zu entfernen.
- Lassen Sie alle Teilnehmer nach jeder Stimulationssitzung den Transkraniellen Gleichstromstimulations-Seite-Effekt und den Verträglichkeitsfragebogen ausfüllen.
- Lassen Sie die Teilnehmer die PPT dreimal mit ihrer linken Hand abschließen.
- Lassen Sie die Teilnehmer am nächsten Tag und für weitere vier aufeinanderfolgende Tage (insgesamt fünf Tage) zur nicht-invasiven Hirnstimulation (Schein, tDCS oder HD-tDCS) gepaart mit motorischem Lernen (PPT) zurückkehren. Wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.13 an Tag 2-4. Haben die Teilnehmer an Tag 5 mit nicht-invasiver Hirnstimulation beginnen (Schein, tDCS oder HD-tDCS) (Schritte 3.2-3.13 werden wiederholt). Nach einer Pause (45 min-1,5 h seit Der Stimulation) starten Sie die Robotik TMS Motor Mapping (Schritte 2.3-2.5.8).
HINWEIS: Alle Teilnehmer erhielten die gleiche Anzahl von Minuten für Pausen zwischen den Bewertungen. - Laden Sie die Teilnehmer nach 6 Wochen ein, das PPT ohne nicht-invasive Hirnstimulation zurückzugeben und durchzuführen (Schritt 3.2 gefolgt von Robotik TMS Motor Mapping (Schritt 2.5.8)).
- Lassen Sie die Teilnehmer am nächsten Tag und für weitere vier aufeinanderfolgende Tage (insgesamt fünf Tage) zur nicht-invasiven Hirnstimulation (Schein, tDCS oder HD-tDCS) gepaart mit motorischem Lernen (PPT) zurückkehren. Wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.13 an Tag 2-4. Haben die Teilnehmer an Tag 5 mit nicht-invasiver Hirnstimulation beginnen (Schein, tDCS oder HD-tDCS) (Schritte 3.2-3.13 werden wiederholt). Nach einer Pause (45 min-1,5 h seit Der Stimulation) starten Sie die Robotik TMS Motor Mapping (Schritte 2.3-2.5.8).
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Representative Results
Mit den hier vorgestellten Methoden haben wir eine randomisierte, scheingesteuerte Interventionelle Studie8abgeschlossen. Rechtshänder (n = 24, 12-18 Jahre) ohne Kontraindikationen für beide Arten der nichtinvasiven Hirnstimulation wurden rekrutiert. Die Teilnehmer wurden in dieser Studie ausdrücklich ausgeschlossen, wenn auf neuropsychotrope Medikamente oder wenn sie nicht naiv zu tDCS waren. Es gab keine Aussteiger.
Robotic TMS Motorkarten wurden erhalten, um eine Basismotorkarte zu erhalten und als potenzieller Mechanismus zur Überwachung neuroplastischer und kortikaler Erregbarkeitsänderungen nach dem motorischen Lernen gepaart mit nicht-invasiver Hirnstimulation zu dienen. Mit den oben beschriebenen Methoden erhielten alle Teilnehmer drei Robotik-TMS-Motorkarten, 1) Baseline vor der nicht-invasiven Hirnstimulation (Schein, tDCS oder HD-tDCS), 2) Tag 5 (Post) und 3) bei der 6-wöchigen Nachbeobachtungszeit (Aufbewahrungszeit). Alle Teilnehmer erhielten bihemisphärisches Motormapping (3 Teilnehmer erhielten die rechte hemisphärische Motorkartierung nur aus Zeitgründen). Motorkarten wurden im Durchschnitt in 18 min für einseitige Motorkarten und 36 min für bihemisphärische Kartierung fertiggestellt. Motorkartenbereich, Volumen, Hotspot und COG wurden auf Einzel- und Gruppenebene berechnet und verglichen. In unserer ersten Motorkartenanalyse haben sich Motorkartenfläche und -volumen nach dem Eingriff nicht wesentlich verändert. In unserer Sekundäranalyse führte die Messung der submaximalen Anteile von Kartenfläche und Volumen zu einer deutlich geringeren Varianz (p<0,05).
Alle Teilnehmer erhielten eine von drei nicht-invasiven Hirnstimulationsinterventionen für eine Dauer von 20 min (1 mA) für fünf aufeinander folgende Tage. Wir haben gezeigt, dass tDCS und HD-tDCS die Lernrate (Anzahl der Pegs/Tag) (tDCS p=0,042, HD-tDCS p=0,049) über 5 Tage training verbessern. Die aktiven Interventionsgruppen (tDCS und HD-tDCS) hatten größere Verbesserungen im täglichen durchschnittlichen linken PPT-Score (PPTL) an Tag 4 und 5 im Vergleich zum Schein (Tag 4 p 0,043, Tag 5 p-0,05) (Abbildung 3). Die aktiven Interventionsgruppen behielten ihre motorischen Fähigkeiten (auf dem PPT) bei 6 Wochen nach dem Training bei. Allerdings gab es einen signifikanten Qualifikationsverfall in der Scheingruppe vom Nachtraining bis zum 6-wöchigen Follow-up (p=0,034). Diese Methode wurde aus einer früheren Studie21 repliziert, und die Datensätze wurden kombiniert (Abbildung 4). Die Replikationsdaten zeigten ähnliche Ergebnisse. Die in der tDCS- und HD-tDCS-Gruppe beobachtete Lernrate ist im Vergleich zur Scheingruppe signifikant gestiegen (tDCS p = 0,001, HD-tDCS p = 0,012).
Abbildung 1: Testprotokoll. PTT= Purdue Pegboard Test, TMS= TMS Motor Mapping tDCS= transkranielle Gleichstromstimulation, HD-tDCS = High-Definitional tDCS. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Eine BEISPIEL-TMS-Motorkarte. Obere Ansicht der linken FDI-Motorkarte (A) Pre und (B) nach HD-tDCS Intervention. Rotes Kreuz zeigt Hotspot, blaues Kreuz zeigt COG an. Die Farbleiste zeigt den Bereich von MEP von 0-2 mV an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Motorlernen in Schein-, tDCS- und HD-tDCS-Gruppen beobachtet. Diese Zahl wurde von Cole & Giuffre et al. 2018 neuveröffentlicht. (A) Mittlere tägliche Änderung der linken Purdue Pegboard-Punktzahl von der Basislinie in Schein (weiße Dreiecke), tDCS (graue Kreise) und HD-tDCS (schwarze Kreise), (n = 24). (B) Tagesmittelwert zu jedem Zeitpunkt von PPTL. *p<0.05 für tDCS vs. schein, s p<0.05 für HD-tDCS vs. schein. Fehlerbalken zeigen den Standardfehler an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Replikation von Methoden - kombiniertes PPT L-Dataset für 3 Tage Training. Diese Zahl wurde von Cole & Giuffre et al. 2018 wiederveröffentlicht. (A) Die Lernkurven für Scheingruppen (weiße Dreiecke, n = 14), tDCS (graue Kreise, n = 14) und HD-tDCS (schwarze Kreise, n = 8) Gruppen. (B) Mittleres tägliches Lernen für Schein,tDCS und HD-tDCS aus den kombinierten Studien. Fehlerbalken zeigen den Standardfehler an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
TMS wurde auch in klinischen pädiatrischen Populationen erforscht, einschließlich perinataler Schlaganfall22 und Zerebralparese, wo TMS Motorkarten erfolgreich bei Kindern mit zerebraler Lähmung erstellt wurden, um Mechanismen der interventionellen Plastizität zu erforschen. Mit Hilfe eines etablierten Protokolls8wurden TMS-Motorkarten erfolgreich bei typischerweise entwickelnden Kindern gesammelt und werden derzeit in einer laufenden multizentrischen klinischen Studie für Kinder mit perinatalem Schlaganfall und hemiplegischer Zerebralparese gesammelt ( NCT03216837). Die Beschreibung von TMS-Motormapping-Methoden ermöglicht die Replikation und weitere Anwendungen von Protokollen bei gesunden Kindern und Kindern mit Bewegungsstörungen.
Robotic motor mapping verbessert die Genauigkeit der TMS-Spulenplatzierung und reduziert menschlichefehlerimim im Vergleich zu manuellen Techniken23,24. Diese Technik ist vorteilhafter für pädiatrische Bevölkerungsgruppen, die erhöhte Kopfbewegungen und geringere Verträglichkeit für lange Sitzungen12haben. Obwohl Motormapping mit einem TMS-Roboter bei Erwachsenen berichtet wurde, ist unsere Gruppe die erste, die diese Technik in einer pädiatrischen Population anwendet. Neue Motormapping-Methoden, die statistische Gewichtung und Interpolation25,26 verwenden, können verwendet werden, um die Erfassungszeit zu verringern, wenn sie mit Robotik-TMS kombiniert werden. Daher sollten Methoden im sich entwickelnden Gehirn weiter erforscht werden.
Wir skizzieren einen prägnanten Ansatz zur Anwendung von tDCS, HD-tDCS und TMS bei einer gesunden pädiatrischen Bevölkerungsgruppe. Es gibt eine Vielzahl von kritischen Schritten bei der Anwendung der nicht-invasiven Hirnstimulation bei Kindern zu berücksichtigen. Es ist entscheidend, dass Kinder und/oder ihre Eltern bestätigen, dass der Teilnehmer keine Kontraindikationen für nicht-invasive Hirnstimulation hat. Es ist wichtig, dass sich die Teilnehmer wohl und sicher fühlen. Ermutigen Sie die Teilnehmer, während der gesamten Sitzung Fragen zu stellen, da es notwendig ist, während der gesamten Sitzung kontinuierlich Feedback zu erhalten, insbesondere in einer pädiatrischen Bevölkerungsgruppe. Außerdem ist es wichtig, die Qualität der Elektroden und die Qualität der Kopfhaut der Teilnehmer zu überprüfen, da dies eine sichere Anwendung von tDCS ausschließt. Es ist wichtig, die richtige Annodalmontage, die aktuelle Intensität und die Dauer der Stimulation auf der Maschine ausgewählt zu haben, bevor die Stimulation gestartet wird. Es gibt spezifische Überlegungen für herkömmliche tDCS und HD-tDCS. In HD-tDCS ist es wichtig, die Elektrode zu drehen, die gewählt wurde, um sich in der mittleren anodalen Position mit den umgebenden Elektroden zu befinden, um die Menge des Elektrodenabbaus zu verringern. Es ist wichtig, die kabelgerechten Verbindungen mit den anodalen und kathhosalen Anschlüssen der 1x1 tDCS-Maschine in konventionellen tDCS herzustellen, damit die korrekte Polarität angewendet werden kann. Frühere Literatur hat gezeigt, wie wichtig es ist, eine Salinelösung zu verwenden, um die Verträglichkeit der Stimulation zu verbessern27. Die häufigste in unserer Studie beschriebene Empfindung war Juckreiz (56%)14. Wir haben keine negativen Auswirkungen in unserer Bevölkerung mit unseren beschriebenen Methoden berichtet12,14.
Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Änderungen zu machen, wenn die Anwendung von tDCS und HD-tDCS perfektioniert wird. Es ist wichtig, eine gute Kontaktqualität zu haben, um den Widerstand der Strömung über die Kopfhaut zu verringern. Wenn die Kontaktqualität schlecht ist, kann mehr Saline-Lösung angewendet werden, um den Widerstand in herkömmlichen tDCS zu verringern. Es ist jedoch wichtig, zuerst sicherzustellen, dass ein guter Elektrodenkontakt mit der Kopfhaut vorhanden ist. Bei HD-tDCS ist es wichtig, dass die Kopfhaut ausgesetzt wird, um eine bessere Qualität der Elektrode zu ermöglichen. Das Haar muss möglicherweise weiter aus dem Weg gebürstet und mehr Elektrodengel aufgetragen werden, um die Kontaktqualität zu verbessern. Stellen Sie sicher, dass die Kontaktqualität während der gesamten Sitzung kontinuierlich überwacht wird.
Aktuelle Modellierungsstudien haben einen Unterschied in der aktuellen Stärke in allen Altersgruppen je nach weißer Materie und CSF-Volumen10,11gezeigt. Eine Einschränkung dieser Methode besteht darin, dass wir nicht jeden Teilnehmer prospektiv aktuell modelliert haben, um eine aktuelle Stärke anzuwenden, die eine vergleichbare neuronale elektrische Feldstärke über die Teilnehmer hinweg induzieren würde.
Diese Methode ist ein wichtiger nächster Schritt bei der Anwendung der nicht-invasiven Hirnstimulation in der Pädiatrie. Wir haben unsere Ausbildungszeit von drei Tagen auf fünf Tage verlängert und ähnliche Verbesserungen in der Qualifikation beobachtet. HD-tDCS wurde nur in einer pädiatrischen Population mit unserer Methode angewendet und wir haben gezeigt, dass es ähnliche motorische Fähigkeiten lernen wie herkömmliche tDCS. HD-tDCS induziert einen fokaleren Strom, der das Targeting und die Implikationverbessert 28. Die in diesem Artikel beschriebenen Methoden ermöglichen die Replikation und weitere Untersuchung von HD-tDCS bei Kindern.
Diese Methoden werden derzeit auf eine perinatale Schlaganfallpopulation ausgeweitet. Das protokollt tDCS und HD-tDCS wurde an diese Population angepasst und die Trainingszeit wurde verlängert, um klinische Studien bei perinatalen Schlaganfällen weiterzuentwickeln. Es ist entscheidend, die Anwendung von tDCS in der Pädiatrie zu optimieren, um die therapeutische Anwendung bei Kindern mit perinatalem Schlaganfall voranzutreiben und damit die Ergebnisse der motorischen Funktion zu verbessern. Für die TMS Motor Mapping ist es wichtig, dass der Teilnehmer bequem sitzt, mit Armen und Händen in einer entspannten Position. Nach der vollständigen Motor-Mapping-Sitzung erlitten nur 15% der Teilnehmer leichte selbstbegrenzende Kopfschmerzen.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Angaben.
Acknowledgments
Diese Studie wurde von den Canadian Institutes of Health Research unterstützt.
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/ |
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