Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

אפנון לא פולשני ומיפוי רובוטי של קליפת מנוע במוח המתפתח

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

אנו מדגימים פרוטוקולים עבור אפנון (tDCS, HD-tDCS) ומיפוי (רובוטית TMS) של קליפת המנוע אצל ילדים.

Abstract

מיפוי קליפת המוח עם גירוי מגנטי transcranial (TMS) יש פוטנציאל לחקור את הפיזיולוגיה המעטפת המוטורית ופלסטיות אך נושאת אתגרים ייחודיים אצל ילדים. באופן דומה, transcranial ישיר גירוי הנוכחי (tDCS) יכול לשפר למידה מוטורית אצל מבוגרים אבל רק לאחרונה הוחל על ילדים. השימוש ב-tDCS ובטכניקות המתעוררים כגון tDCS בהבחנה גבוהה (HD-tDCS) מחייבים שיקולים מתודולוגיים מיוחדים במוח המתפתח. מיפוי רובוטי TMS מוטורי עשוי להעניק יתרונות ייחודיים למיפוי, במיוחד במוח המתפתח. כאן, אנו שואפים לספק גישה מעשית, סטנדרטית עבור שתי שיטות משולבות מסוגל במקביל לחקור אפנון קליפת מנוע ומפות מנוע אצל ילדים. ראשית, אנו מתארים פרוטוקול עבור מיפוי רובוטי TMS מוטוריים. אישית, MRI-נווט 12x12 רשתות ממורכז על מדריך קליפת המוח רובוט לנהל את הדופק בודד TMS. מתכוון פוטנציאל המנוע מעורר (MEP) המוני לנקודת הרשת משמשים כדי ליצור מפות מנוע תלת-ממד של שרירי היד בודדים עם תוצאות כולל אזור המפה, נפח, ומרכז של כוח הכבידה. כלים למדידת בטיחות וסבילות של שתי השיטות כלולים גם כן. שנית, אנו מתארים את היישום של שני tDCS ו-HD-tDCS לווסת את קליפת מנוע ולמידה מוטורית. פרדיגמה של הדרכה ניסיונית ותוצאות מדגם מתוארות. שיטות אלה יקדם את היישום של גירוי מוחי לא פולשני אצל ילדים.

Introduction

גירוי מוחי לא פולשני יכול למדוד ולווסת את תפקוד המוח האנושי1,2. המטרה השכיחה ביותר היתה קליפת המנוע, בשל חלק לפלט ביולוגי מיידי ומדידה (מנוע מעורר פוטנציאל) אבל גם את השכיחות הגבוהה של מחלות נוירולוגיות וכתוצאה מערכת תפקוד מוטורי ונכות. זה נטל גלובלי גדול של מחלות כולל שיעור גבוה של תנאים המשפיעים על ילדים כגון שיתוק מוחין, הגורם המוביל של נכות לכל החיים המשפיעים על כמה 17,000,000 אנשים ברחבי העולם3. למרות הרלוונטיות הקלינית הזאת והיכולות המגוונות והגדלות של הטכנולוגיות הנוירוגירויים, יישומים במוח המתפתח רק מתחילים להיות מוגדרים4. אפיון משופר של שיטות הגירוי המוחי הקיימות והמתעוררים בילדים נדרשים לקדם את היישומים במוח המתפתח.

גירוי מגנטי Transcranial (TMS) הוא כלי מבוסס נוירופיסיולוגי המשמש יותר ויותר בשימוש בפרופיל הלא פולשני, כאבים, נסבל היטב ובטיחות בקרב מבוגרים. חוויית TMS אצל ילדים היא מוגבלת יחסית, אך בהתמדה הולך. TMS מספק שדות מגנטיים כדי לגרום הפעלה אזורית של אוכלוסיות נוירואליות במוח עם יציאות net המשתקף מנוע שריר היעד מעורר פוטנציאל (MEP). יישום שיטתי של פעימה בודדת TMS יכול להגדיר מפות של קליפת המנוע בvivo. מחקרים בעלי חיים הזרע5 והמתעוררים TMS מחקרים האדם6 הראו כיצד מפות מנוע עשוי לסייע ליידע מנגנונים של נוירופלסטיטיות הקורטיקלית. מיפוי מנוע ניוואל הוא טכניקה TMS המשמש כדי למפות את קליפת המוח האנושי לחקור אזורים קורטיקלית פונקציונלי. שינויים במפת המנוע שויך שינויים פלסטיים של מערכת המנוע האנושי7. הפיתוחים האחרונים בטכנולוגיה TMS רובוטית הביאו הזדמנויות חדשות כדי לשפר את יעילות מיפוי מנוע ודיוק. הקבוצה שלנו לאחרונה הוכיחה כי מיפוי רובוטי TMS מוטוריים הוא אפשרי, יעיל, ונסבל היטב אצל ילדים8.

Transcranial ישירה הגירוי הנוכחי (tDCS) היא צורה של גירוי מוחי פולשני שיכול לנוע באופן מרגש ולווסת את התנהגויות אנושיות. יש כבר המון מחקרים לבחון את ההשפעה של tDCS בוגרים (> 10000 נושאים) אבל פחות 2% מחקרים התמקדו המוח המתפתח9. תרגום של ראיות מבוגרות ליישומי רפואת ילדים הוא מורכב, ופרוטוקולים שהשתנו נחוצים עקב הבדלים מורכבים אצל ילדים. לדוגמה, אנחנו ואחרים הצגנו שילדים חווים שדות חשמל גדולים וחזקים יותר לעומת מבוגרים10,11. סטנדרטיזציה של שיטות tDCS בילדים חשוב להבטיח יישום בטוח ועקבי, לשפר את השכפול ולקדם את השדה. ניסיון של אפנון למידה מוטורית של tDCS אצל ילדים הוא מוגבל אך הגדלת12. יישומים טרנסלtional של tDCS לאוכלוסיות שיתוק מוחין ספציפי מתקדמים לעבר ניסויים קליניים בשלב מאוחר13. המאמצים לגירוי ממוקד יותר להחיל דרך tDCS בהבחנה גבוהה (HD-tDCS) רק רק נחקרו בפעם הראשונה ילדים14. הדגמנו כי HD-tDCS מייצרת שיפורים דומים בלמידה מוטורית כמו tDCS קונבנציונאלי בילדים בריאים14. המתארת שיטות HD-tDCS יאפשרו שכפול ויישומים נוספים של פרוטוקולים כאלה בילדים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל השיטות המתוארות בפרוטוקול זה אושרו על-ידי הוועד האתיקה של מחקר בריאות Conjoint, אוניברסיטת קלגרי (REB16-2474). הפרוטוקול מתואר באיור 1.

1. לא פולשנית גירוי המוח התוויות

  1. המסך את כל המשתתפים עבור התוויות עבור TMS15 ו tdcs1 לפני הגיוס.

2. מיפוי גירוי מגנטי Transcranial

  1. הכנת MRI עבור הTMS לנווט
    1. השג את ה-MRI המבני של כל משתתף (T1). אם MRI ממותירה, השתמש ב-MRI של תבנית מתוך המכון הנוירולוגי של מונטריאול.
    2. יבא את קובץ ה-MRI בפורמט DICOM או NIFTI לתוכנה העצבית (ראה טבלת חומרים).
  2. מסלולי יעד TMS
    1. השתמש בתוכנה העצבית לשחזר את העור והמוח המלא באמצעות הכרטיסיות.
    2. בחר מעטפת חדשה, מעטפת ומחשב. ודאו שהאף והחלק העליון של הראש נכללים.
    3. , בחר חדש. והמוח המלא מוכן הקף את תיבת הבחירה הירוקה מחוץ למוח אבל בתוך הגולגולת. בחר באפשרות חשבמרוילנארית. התאם את עומק הקליפה ל-4.0-6.0 מ"מ.
    4. בחר באפשרות קביעת תצורה של ציוני דרך. מניחים ארבעה ציוני דרך בקצה האף, הניון והחריצים של שתי האוזניים של העור המשוחזר. נקוב בשמות האתרים. המתאימים לאנטומיה שלהם
    5. בחרו בכרטיסייה ' יעדים ' כדי לצפות במוח המושאר. בחר רשת חדשהומלבנית. מניחים אחיד 12 x 12 רשתות קואורדינטות עם מרווח של 7 מ"מ על פני המוח המשוחזר על" הידית "של קליפת המנוע (מקדם המרכז המרכזי)17.
    6. השתמש בכלי מיקום היעד על הזכות כדי למטב את מיקום הרשת עבור סיבוב, הטיה, ו עקמומיות. להמיר את הרשת נקודות לתוך מסלולים כי ינחה את הרובוט למקם את סליל TMS. התאימו את זווית השביל כך שהם 45 ° עד לחתך האורך של המוח.
    7. השתמש בכלי ההצמדה כדי לנחש ולמטב את המסלולים למוח הכורמי.
    8. לאתחל ולמקם את זרוע הרובוט TMS ואת המושב כדי לקבל את המיקום ולכייל את חיישן לוחית הכוח באמצעות בדיקת חיישן כוח.
  3. הכנת המשתתף למיפוי מנועים
    1. המשתתפים ממלאים שאלון בטיחות18.
    2. לאחר שהמשתתפים ישבו בנוחות בכיסא הרובוט, התאימו את משענת הגב ואת המשענת. ודאו שהרגליים שלהם נתמכות. לתמוך בידיהם ובידיהם כריות כדי להבטיח שידיהם נמצאות במצב מנוחה למשך הפעלת המיפוי.
      הערה: ילדים ומתבגרים יצטרכו תזכורות במהלך המפגש כדי לשמור על הידיים שלהם רגועים.
    3. לנקות את העור מעל שריר הריבית. מיקום Ag/AgCl פני השטח על שתי הידיים והאמות של המשתתף, מיקוד ארבע השרירים המרוחק, 1) את הבטן של הראשון הinterosseous (FDI), 2) חוטף השריר הפנים (החיפוש), 3) החוטף הקצר (ADM), ו 4) את פרק היד פושט.
    4. חבר את אלקטרודות המשטח עם מגבר ומערכת רכישת נתונים וחבר את המגבר למחשב איסוף נתונים עם תוכנת EMG תואמת.
    5. רשום את ארבעת ציוני הדרך בראש המשתתף באמצעות מצביע הציון. השתמש בלשונית האימות כדי להבטיח שראש המשתתף יירשם כראוי.
  4. קביעת מיפוי המנוע עוצמת TMS
    1. בחרו נקודת רשת הקרובה ביותר ל' כפתור המשתמש ' של המשתתף. בחרו בלחצן ' יישור ליעד ' כדי ליישר את סליל TMS שמוחזק על-ידי הרובוט למיקום יעד זה. בחרו ' איש קשר'. נטר את איכות איש הקשר באמצעות מחוון כוח המגע. ודא שהמחוון הוא ירוק או צהוב.
      הערה: הצבע האדום על מחוון המגע משמעו שיש יותר מדי כוח על ראש המשתתף. אין צבע האומר שסליל TMS אינו במגע עם ראש המשתתף. במקרים אלה, להתאים את הרגישות צלחת הכוח.
    2. הנחה את המשתתף לא לנוע מחוץ לטווח הזרוע הרובוטית. ודא ששרירי היד של המשתתף רגועים ונשארים עדיין לפני המגע.
    3. בחר ' יישור ועקוב ' כך שסליל יישאר ממורכז ביעד אם המשתתף יזוז.
    4. השתמש בלחצן TMS ההדק במחשב TMS כדי לספק פולסים של 5-10 TMS בעוצמה שבין 40-60% פלט מעורר מרבי (MSO). חזור על שלב זה כדי 5-6 הרשת נקודות סביב "ידית הידיים".
    5. לקבוע את נקודת הרשת המעניקה את הגדול ביותר ועקביים ביותר (נקודה חמה) המנוע מעורר היכולת (MEP) עבור השריר FDI שמאלה או ימינה.
    6. לקבוע את הסף מנוע נח (RMT) כעוצמה הנמוכה ביותר המפיקה MEP של לפחות 50 μV בשריר FDI ב 5/10 מגירוי.
  5. מיפוי מוטורי
    1. החל מנקודת הרשת הקרובה ביותר לנקודה החמה, לספק ארבעה פולסים TMS בעלי דופק אחד (1 Hz) בגירוי של 1 s ו TMS אינטנסיביות של 120% RMT. נקודת הרשת התגובה נקבעת על ידי 2/4 MEPs > 50 μV בכל אחד משרירי היד.
    2. מעבר לנקודת הרשת הסמוכה וחזור על השלב שלעיל.
    3. המשך באופן רציף בצורה קווית לאורך נקודות תגובה עד שתגיע נקודה שאינה מגיבה, שהיא אזור הגבול הראשון של המפה.
    4. המשך למפות כדי ליצור את נקודות הגבול בכל ארבעת הכיוונים של הרשת המלבנית.
    5. הקלט את כל MEPs מכל השרירים באמצעות תוכנת EMG לניתוח לא מקוון.
    6. לאחר 3-4 נקודות רשת, בחרו באפשרות ' צור קשר ' ותנו למשתתף הפסקה עד שירגישו מוכנים להמשיך.
    7. במהלך הפעלת המיפוי, הקפד לבדוק באופן רציף עם המשתתף כדי לוודא שהם נוחים ו/או זקוקים להפסקה.
    8. השתמש בגירסת עותק קשיח של אותן רשתות כדי להפעיל את סדר ההדמיה לצורך ניתוח נוסף.
    9. מיפוי מלא באמצעות TMS רובוטית כפי שמתואר כאן או באופן ידני (לא מתואר בכתב יד זה). אם משתמשים ברובוט TMS, הוא יזוז לנקודת הרשת שנבחרה על-ידי הנסזנה. הרובוט יתאים לתנועה בראש הילד בזמן אמת כמעט. פעולה זו תגרום להקלה על כל תנועה נוספת המשויכת לטכנאי המחזיק באופן ידני את הסליל על ראשו של המשתתף.
      הערה: אם המיפוי משתמש ברובוט TMS, יש לוודא שקיים ניסויים ליד הרובוט בכל עת במהלך ההפעלה. אם הרובוט מוצב על ראשו של המשתתף והמשתתף פתאום זז, הרובוט ינסה לעקוב אחר ראשם. אם המשתתף חייב לזוז, להתעטש, לשרוט או לבצע פעילות הכרוכה בתנועת הראש שלהם, יש להעביר את הזרוע הרובוטית כדי למנוע מראש של המשתתף לפגוע בזרועו של הרובוט או בסליל TMS.
  6. יצירת מפה מוטורית
    1. באמצעות סקריפט קידוד בהזמנה מותאמת אישית, צור מפות מוטוריות תלת ממדיות (איור 2). צור קשר עם המחברים עבור ה-script.
    2. חשב את אזור המפה והנפח של המנועים באמצעות אתרי מסלול מגיבים. חישוב מרכז הכבידה (הרואה) כממוצע משוקלל של ייצוגים מוטוריים של כל מיקום קואורדינטות.
      הערה: אזור המיפוי מחושב כמרווח הרשת (7 מ"מ)2 כפול מהמספר הכולל של האתרים הגיבים. עוצמת המיפוי מחושבת כסכום המצטבר של מרווחי הרשת כפול משרעת ה-MEP הממוצע בכל אתר מגיב. גירסה ידידותית למשתמש של קובץ ה-script פותחה כדי לשתף עם הציבור כקוד פתוח. בינתיים, פנה למחבר המתאים כדי לקבל גישה לסקריפט.

3. יישום tDCS קונבנציונאלי ו-HD-tDCS

  1. באקראי את המשתתפים באחת משלוש קבוצות התערבות (שאם, tDCS קונבנציונאלי, HD-tDCS).
  2. האם המשתתף להשלים את מבחן Purdue Pegboard (PPT) שלוש פעמים באמצעות יד שמאל (לא דומיננטי), הקמת הציון הבסיסי שלהם.
  3. בדוק את איכות האלקטרודה כדי לאשר את השלמות של מוסיף הספוג של tDCS ואלקטרודות גומי.
  4. הפעל את התקן ה-tDCS המקובל על- ידי היפוך מתג ההפעלה.
    הערה: ודא שנורית הסוללה החלשה אינה דולקת. אם הוא מואר, שנה את הסוללות לפני תחילת ההפעלה.
    1. עבור משתתפים מקבלים tDCS קונבנציונאלי או המזויף, להשרות קלות 2 25 ס מ2 אלקטרודות ספוג עם תמיסת מלח. ודא שכל האלקטרודה מכוסה אך לא נוטפת. הכנס את האלקטרודה גומי לתוך אלקטרודות ספוג מלוחים ספוגים לחבר כל אלקטרודה למכשיר tDCS.
  5. אתר את נקודת המגע המסומנת (M1 מימין) תוך שימוש בחיבור העצבי וסמן אותה באמצעות סמן שאינו רעיל. בסוף כל tDCS, HD-tDCS או הפעלה מזויפת, סמן שוב את הנקודה החמה כך שהיא נראית למחרת.
    1. אם באקראי tDCS או בקרי tDCS, מקום 1 25 ס מ2 הספוג מלוחים הספוגים האלקטרודה על הנקודה החמה המסומנים של המשתתף (M1 ימין), משמש anode. מניחים את השני 25 ס מ2 האלקטרודה ספוג מלוחים שנספג על האזור supraorbital הקונסצלעות, המייצג את הקתודה. השתמש בסרט מפלסטיק בהיר לילדים "ראש" כדי להחזיק אלקטרודות במקום.
      הערה: ודא כי אין מלוחים נוטף האלקטרודה כפי שהוא יכול לכבות את הזרם.
    2. בקבוצת tDCS המזויפים והמקובלת, הקפידו על איכות מגע "אופטימלית". אם איכות איש הקשר היא "תת אופטימלית", להזריק כמות קטנה של תמיסת מלוחים תחת אלקטרודות ספוג, או לוודא שיש שיער מינימלי בין הקרקפת והאלקטרודה.
      הערה: איכות התקשרות "אופטימלית" מושגת כאשר יותר ממחצית מאיכות הנוריות של מחוון המגע מופעלת. אם פחות ממחצית מנוריות מחוון המגע מופעל, איכות איש הקשר היא מיטבית משנה. אל תתחיל בגירוי אם רק אחד משני אורות החיווי דולק.
    3. בקבוצה HD-tDCS, מתייחסים לוויאמאר, M.F., ואח '16 להגדרה המתאימה.
    4. בקבוצה HD-tDCS, הגדר את המכשיר לקביעת הסריקה כדי לבדוק את העכבה בכל האלקטרודה. ודא כי העכבה היא תחת 1 "יחידת איכות" ותיאר בעבר19,20. אם איכות המגע הוא עני, להסיר את האלקטרודה ולבדוק כי אין שיער הפרעה את הקשר של האלקטרודה, וכי עמודה רציפה של ג'ל אלקטרודה נוכח בין הקרקפת והאלקטרודה. במקרה הצורך, החילו ג'ל נוסף לאלקטרודות.
  6. הגדר את התקן tDCS ו-HD-tDCS להגדרה של מונטאז ' ' מ-1, חוזק נוכחי של mA ומשך 20 דקות.
  7. ודא שהמשתתף יושב בנוחות והם מבינים את התחושות האפשריות שהן עשויות להיתקל בהן (כגון תחושות מגרדות או עקצוץ). הזכר למשתתף לתקשר אם הם חשים אי נוחות או אם יש להם שאלות.
    1. בקבוצות tDCS ו-HD-tDCS המקובלות, ודא שמתג הדו מוגדר כפעיל.
      הערה: עבור הקבוצה המזויף, על הדו להיות מוגדר כדמה. יש להסתיר הגדרה זו מהמשתתף.
    2. לחץ על לחצן התחל של המכשיר כדי להתחיל בגירוי. ודא שמשך הזמן מוגדר כ-20 דקות, והעוצמה של 1-mA.
      הערה: בקבוצות tDCS ו-HD-tDCS המקובלות, הזרם יגיע למעלה מ-30 עד 1 מא ויימשך 20 דקות. בקבוצת ה-Dcs המזויפים, הזרם יועלה למעלה מ-30 עד 1 מעלות ומיד הגיע למעל 30 ס מ.
  8. ב 5 דקות, 10 דקות, 15 דקות, ו 20 דקות, יש את המשתתף להשלים את PPT שלוש פעמים באמצעות יד שמאל שלהם.
  9. לאחר 20 דקות, כבה את ההתקן לאחר שעוצמת החוזק מסתיימת למטה ל-0 mA.
    הערה: עבור משתתפים המקבלים tDCS או HD-tDCS, המחשב השיפוע באופן אוטומטי למטה ל-0 mA בשעה 20 דקות. עבור המשתתפים מקבל tDCS המזויף, המכונה באופן אוטומטי השיפוע מעל 30 s ל 1 mA ו מיידית הרמפה אל 0 mA מעל 30 s ב 20 דקות.
  10. הסר את האלקטרודות מהראש של המשתתף.
  11. עבור קבוצת tDCS מזויפים וקונבנציונאלי, להסיר אלקטרודות שחור מתוך הספוגים ולשטוף את האלקטרודה ספוג עם מי ברז נורמלי.
    1. בקבוצה HD-tDCS, להוריד את מחזיק האלקטרודות פלסטיק העליון ולהסיר את האלקטרודות. הסר את כיסוי האלקטרודה מהראש של המשתתפים. לשטוף ג'ל כלשהו במחזיק האלקטרודות. נקה את האלקטרודות עם מגבת נייר לחה מעט. לנגב את האלקטרודות עם מגבת נייר יבש כדי להסיר את כל ג'ל שנותר.
  12. כל המשתתפים להשלים את הTranscranial הנוכחי גירוי צד-אפקטים והסבילות לאחר כל מפגש גירוי.
  13. המשתתפים להשלים את PPT שלוש פעמים באמצעות יד שמאל שלהם.
    1. יש להחזיר את המשתתפים למחרת ולעוד ארבעה ימים רצופים (כולל של חמישה ימים) עבור גירוי מוחי לא פולשני (השאם, tDCS, או HD-tDCS) לזווג עם למידה מוטורית (PPT). חזור על שלבים 3.2-3.13 ביום 2-4. ביום 5, יש את המשתתפים להתחיל עם גירוי מוחי לא פולשני (שאם, tDCS או HD-tDCS) (שלבים 3.2-3.13 חוזרים). לאחר הפסקה (45 דקות-~ 1.5 h מאז קבלת גירוי), להתחיל מיפוי רובוטית TMS מוטוריים (שלבים 2.3-2.5.8).
      הערה: כל המשתתפים קיבלו את אותו מספר דקות להפסקות בין הערכות.
    2. לאחר 6-שבועות, להזמין את המשתתפים לחזור ולבצע את PPT בלי לקבל כל גירוי במוח לא פולשני (שלב 3.2 ואחריו רובוטית TMS מנוע מיפוי (שלב 2.5.8)).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

באמצעות השיטות המוצגות כאן, השלמנו אקראי, מבוקר תרמית משפט התערבותית8. יד ימין ילדים (n = 24, גילאי 12-18) ללא התוויות עבור שני סוגים של גירוי מוחי לא פולשני גויסו. המשתתפים לא נכללו באופן ספציפי במחקר זה, אם על תרופות נוירופסיכוטרופיות או אם הם לא היו תמימים tDCS. . לא היו שום מדרוטים

מפות רובוטית TMS מוטוריים הושגו לרכוש מפת מנוע בסיסית וכלה לשמש מנגנון פוטנציאלי לניטור נוירופלסטי ושינויים בקליפת המוח לאחר למידה מוטורית לזווג עם גירוי מוחי לא פולשני. באמצעות השיטות המתוארות לעיל, כל המשתתפים קיבלו שלושה רובוטי TMS מנוע מפות, 1) בסיס לפני גירוי מוחי לא פולשני (השאם, tDCS, או HD-tDCS), 2) יום 5 (Post), ו 3) על המשך 6 שבועות מעקב (זמן השמירה). כל המשתתפים קיבלו מיפוי מוטורי ביממירה (3 משתתפים קיבלו מיפוי מנוע ימני בעקבות אילוצי זמן). מפות מוטוריות הושלמו בממוצע 18 דקות עבור מפות מנוע חד צדדית ו-36 דקות עבור מיפוי ביאונה. אזור המפה המוטורית, נפח, נקודה חמה, ו-הקוג חושבו והושוו ברמת הפרט והקבוצה. בניתוח הראשוני של מפת המנוע, אזור מפת המנוע ואמצעי האחסון לא השתנו באופן משמעותי לאחר ההתערבות. בניתוח המשני שלנו, מדידת הפרופורציות המשניות של אזור המפה ואמצעי האחסון הניבו שונות קטנה באופן משמעותי (p < 0.05).

כל המשתתפים קיבלו אחת משלוש התערבויות לא פולשנית של גירוי במוח למשך 20 דקות (1 mA) במשך חמישה ימים רצופים. הדגמנו כי tDCS ו-HD-tDCS לשפר את שיעור הלמידה (מספר יתדות/יום) (tDCS p = 0.042, HD-tDCS p = 0.049) על 5 ימים של אימונים. קבוצות ההתערבות הפעילה (tDCS ו-HD-tDCS) היו שיפורים גדולים יותר הממוצע היומי שמאל בציון PPT (PPTL) ביום 4 ו 5 לעומת השאם (יום 4 p ≤ 0.043, יום 5 p ≤ 0.05) (איור 3). קבוצות ההתערבות הפעילה שמרו על הכישורים המוטוריים שלהם (ב-PPT) ב -6 שבועות שלאחר האימון. עם זאת, היתה ריקבון מיומנות משמעותית בקבוצה המזויף מן האימון לאחר המשך 6 שבועות (p = 0.034). מתודולוגיה זו שוכפלה ממחקר קודם21 וערכות הנתונים שולבו (איור 4). נתוני השכפול הפגינו תוצאות דומות. הייתה עלייה משמעותית בקצב הלמידה שנצפתה בקבוצת tDCS ו-HD-tDCS בהשוואה לקבוצה המודמה (tDCS p = 0.001, HD-tDCS p = 0.012).

Figure 1
איור 1: פרוטוקול ניסיון. דואר = בדיקת הרכב מסוג Purdue, TMS = TMS מיפוי מנוע tDCS = transcranial גירוי נוכחי ישיר, HD-tDCS = High-מטלות tDCS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: מפה לדוגמה TMS מוטוריים. התצוגה העליונה של שמאל מפת המנוע של FDI (A) לפני ו (ב) Post HD-tdcs התערבות. הצלב האדום מצביע על נקודה חמה, צלב כחול מציין את הרואה. סרגל הצבעים מציין את טווח MEP מ-0-2 mV. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: למידה מוטורית נצפתה בתוך התחזות, tdcs ו-HD-tdcs קבוצות. הנתון הזה פורסם מחדש מקול & ג'וליט ואח ' 2018. (א) מתכוון שינוי יומי ביד שמאל הציון הגבוה של Purdue Pegboard מתוכנית בסיסית (משולשים לבנים), tDCS (עיגולים אפורים), ו-HD-tDCS (עיגולים שחורים), (n = 24). (ב) הממוצע היומי ציון בכל נקודת זמן של PPTL. * p ≪ 0.05 עבור tdcs לעומת השאם, p < 0.05 עבור HD-tdcs לעומת השאם. קווי שגיאה מציינים שגיאה סטנדרטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: שכפול שיטות-ערכת נתונים משולבת של PPT ל -3 ימי אימונים. איור זה פורסם מחדש מקול &Amp; ג'וליט ואח '. 2018). (א) הלמידה מתעקל עבור התחזות (משולשים לבנים, n = 14), tdcs (עיגולים אפורים, n = 14) ו-HD-tdcs (עיגולים שחורים, n = 8) קבוצות. (ב) מתכוון ללמידה יומית עבור התחזות, tdcs ו-HD-tdcs מהמחקרים המשולבים. קווי שגיאה מציינים שגיאה סטנדרטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

TMS גם נחקרו באוכלוסיות של ילדים קליניים, כולל שבץ מוחי22 ושיתוק מוחין, שבו TMS מפות מוטוריים נוצרו בהצלחה אצל ילדים עם שיתוק מוחין לחקור מנגנונים של פלסטיות התערבותית. באמצעות פרוטוקול מבוסס8, מפות מוטוריות TMS נאספו בהצלחה בדרך כלל הילדים בפיתוח, וכרגע נאספים בתוך מבצעים מתמשך להיכנס לניסוי קליני לילדים עם שבץ מוחי מוחין מוחין ( NCT03216837). תיאור שיטות מיפוי מוטורית TMS יאפשר שכפול ויישומים נוספים של פרוטוקולים בילדים בריאים וילדים עם הפרעות תנועה.

מיפוי מוטוריים רובוטיים משפר TMS מיקום סליל הדיוק ומפחית את השגיאה האנושית בהשוואה טכניקות ידניות23,24. טכניקה זו מהווה יתרון רב יותר עבור אוכלוסיות ילדים אשר הגדילו את תנועות הראש ואת הסבילות הנמוכה למפגשים ארוכים12. למרות מיפוי המנוע באמצעות רובוט TMS דווחו אצל מבוגרים, הקבוצה שלנו היא הראשונה ליישם את הטכניקה הזאת באוכלוסיה של ילדים. מתודולוגיות מיפוי מנוע חדש המשתמשות במשקל סטטיסטי ובאינטרפולציה25,26 ניתן להשתמש כדי להקטין את זמן הרכישה אם בשילוב עם TMS רובוטית. ככאלה, יש לחקור את המתודולוגיות במוח המתפתח.

אנו מתווה גישה תמציתית להחלת tDCS, HD-tDCS ו-TMS באוכלוסיית ילדים בריאה. ישנם מגוון של צעדים קריטיים לשקול ביישום של גירוי מוחי לא פולשני אצל ילדים. חשוב שילדים ו/או הוריהם יאשרו שלמשתתף אין התוויות לגירוי מוחי לא פולשני. חשוב למשתתפים להרגיש בנוח ובטוח. לעודד את המשתתפים לשאול שאלות במהלך המפגש כאשר יש צורך לקבל משוב ברציפות במהלך המפגש, במיוחד באוכלוסיית ילדים. כמו כן, חשוב לבדוק את איכות האלקטרודות ואת איכות הקרקפת של המשתתפים, כמו זה מונע יישום בטוח של tDCS. חיוני לקבל את המונטאל הנכון, עוצמת הזרם, ומשך הגירוי שנבחר במכונה לפני תחילת הגירוי. קיימים שיקולים ספציפיים עבור tDCS ו-HD-tDCS רגילים. ב-HD-tDCS, חשוב לסובב את האלקטרודה שנבחרה להיות במיקום anodal במרכז עם האלקטרודות המקיפות כדי להקטין את כמות התפלגות האלקטרודה. זה חיוני כדי לקבל את החיבור הנכון של הכבלים ליציאות anodal ו anodal במחשב 1x1 tDCS ב tDCS קונבנציונאלי כדי לאפשר את הקוטביות הנכונה להיות מוחל. הספרות הקודמת הוכיחה את החשיבות של שימוש בתמיסה מלוחים כדי לשפר את הסבילות של גירוי27. התחושה השכיחה ביותר המתוארת במחקר שלנו היהגירוד (56%) אנו לא דיווחו על תופעות לוואי באוכלוסיה שלנו באמצעות שיטות שתוארו על12,14.

קיימים מגוון שינויים שונים לבצע בעת השלמת היישום של tDCS ו-HD-tDCS. חשוב להיות איכות המגע טוב כדי להקטין את ההתנגדות של הזרם על פני הקרקפת. אם איכות איש הקשר היא ירודה, פתרון מלוחים יותר ניתן להחיל כדי להקטין את ההתנגדות של tDCS קונבנציונאלי. עם זאת, חשוב תחילה להבטיח כי קשר האלקטרודה טוב עם הקרקפת נוכחת. ב-HD-tDCS, חיוני כי הקרקפת יהיה חשוף כדי לאפשר איכות טובה יותר של האלקטרודה. שיער אולי צריך להיות מוברש עוד יותר את הדרך ג'ל האלקטרודה יותר להחיל כדי לשפר את איכות המגע. ודא שאיכות איש הקשר מפוקחת באופן רציף במהלך ההפעלה.

מחקרי הדוגמנות הנוכחית הציעו הבדל בכוח הנוכחי מנוסים על פני קבוצות גיל בהתאם לחומר הלבן ונפח שדרתי10,11. מגבלה של שיטה זו היא שאנחנו לא לבצע מידול הנוכחי פוטנציאליים על כל משתתף כדי להחיל כוח הנוכחי שיגרום לעוצמת השדה החשמלי העצבי הדומה על פני המשתתפים.

שיטה זו היא צעד חשוב הבא ביישום של גירוי מוחי לא פולשני ברפואת ילדים. הרחבנו את תקופת ההכשרה שלנו משלושה ימים עד חמישה ימים ונצפתה שיפורים דומים במיומנות. HD-tDCS יש רק הוחל באוכלוסיית ילדים באמצעות השיטה שלנו, הדגמנו כי יש מיומנות מוטורית דומה ללמוד tDCS קונבנציונאלי. HD-tDCS משרה זרם מיקוד יותר, שיפור מיקוד ומשתמע28. השיטות המתוארות במאמר זה יאפשרו לשכפול ולמחקר נוסף של HD-tDCS בילדים.

שיטות אלה מורחבות כיום לאוכלוסיית משיכה. פרוטוקול tDCS ו-HD-tDCS הותאם לאוכלוסיה זו וזמן ההכשרה הורחב כדי לפתח עוד ניסויים קליניים בשבץ מוחי. זה חיוני כדי לייעל את היישום של tDCS ברפואת ילדים כדי לקדם את היישום הטיפולי אצל ילדים עם שבץ מוחי ולכן לשפר את התוצאות של פונקציה מוטורית. עבור מיפוי מנועי TMS, חשוב להבטיח כי המשתתף מוכנס בנוחות, עם הזרועות והידיים בתנוחה רגועה. בעקבות הפעלת מיפוי מוטורי מלא, רק 15% מהמשתתפים חוו כאב ראש מתון ומגביל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין כל גילוי.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי המכונים הקנדיים לחקר הבריאות.

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

מדעי המוח סוגיה 149 tDCS HD-tDCS TMS למידה מוטורית גירוי מוחי לא פולשני נוירופלסטיות התפתחותית נוירופיזיולוגיה מיפוי מנועי רפואת ילדים
אפנון לא פולשני ומיפוי רובוטי של קליפת מנוע במוח המתפתח
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