Summary
Dimostriamo protocolli per la modulazione (tDCS, HD-tDCS) e la mappatura (TMS robotica) della corteccia motoria nei bambini.
Abstract
Mappare la corteccia motoria con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) ha il potenziale per interrogare la fisiologia e la plasticità della corteccia motoria, ma comporta sfide uniche nei bambini. Allo stesso modo, la stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) può migliorare l'apprendimento motorio negli adulti, ma è stata applicata solo di recente ai bambini. L'uso del tDCS e delle tecniche emergenti come il tDCS ad alta definizione (HD-tDCS) richiede particolari considerazioni metodologiche nel cervello in via di sviluppo. La mappatura robotica del motore TMS può conferire vantaggi unici per la mappatura, in particolare nel cervello in via di sviluppo. Qui, miriamo a fornire un approccio pratico e standardizzato per due metodi integrati in grado di esplorare simultaneamente la modulazione della corteccia motoria e le mappe motorie nei bambini. In primo luogo, viene descritto un protocollo per la mappatura robotica del motore TMS. Le griglie 12x12 personalizzate navigate su risonanza magnetica centrate sulla corteccia motoria guidano un robot per somministrare TMS a impulso singolo. Le ampiezze di potenziale (MEP) evocate dal motore medio per ogni punto della griglia vengono utilizzate per generare mappe motorie 3D di singoli muscoli della mano con risultati tra cui l'area della mappa, il volume e il baricentro. Sono inclusi anche strumenti per misurare la sicurezza e la tollerabilità di entrambi i metodi. In secondo luogo, descriviamo l'applicazione sia di tDCS che HD-tDCS per modulare la corteccia motoria e l'apprendimento motorio. Vengono descritti un paradigma di allenamento sperimentale e i risultati del campione. Questi metodi faranno progredire l'applicazione della stimolazione cerebrale non invasiva nei bambini.
Introduction
La stimolazione cerebrale non invasiva può misurare e modulare la funzione cerebrale umana1,2. L'obiettivo più comune è stata la corteccia motoria, dovuta in parte ad una produzione biologica immediata e misurabile (potenziali evocati dal motore) ma anche all'elevata prevalenza di malattie neurologiche con conseguenti disfunzioni e disabilità del sistema motorio. Questo grande carico globale di malattie comprende un'alta percentuale di condizioni che colpiscono i bambini come la paralisi cerebrale, la principale causa di disabilità per tutta la vita che colpisce circa 17 milioni di persone in tutto il mondo3. Nonostante questa rilevanza clinica e le diverse e crescenti capacità delle tecnologie di neurostimolazione, le applicazioni nel cervello in via di sviluppo stanno solo cominciando a essere definite4. Per far progredire le applicazioni nel cervello in via di sviluppo è necessaria una migliore caratterizzazione dei metodi di stimolazione cerebrale non invasivi esistenti ed emergenti nei bambini.
La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento neurofisiologico ben consolidato che viene sempre più utilizzato per il suo profilo non invasivo, indolore, ben tollerato e di sicurezza negli adulti. L'esperienza di TMS nei bambini è relativamente limitata, ma in costante aumento. TMS fornisce campi magnetici per indurre l'attivazione regionale delle popolazioni neuronali corticali nel cervello con uscite nette riflesse nei potenziali evocati dal motore muscolare bersaglio (MEP). L'applicazione sistematica di TMS a impulso singolo può definire le mappe della corteccia motoria in vivo. Studi sugli animali seminali5 e studi sulla TMS umana emergenti6 hanno dimostrato come le mappe motorie possano aiutare a informare i meccanismi della neuroplasticità corticale. La mappatura motoria navigate è una tecnica TMS che viene utilizzata per mappare la corteccia motoria umana per interrogare le regioni corticali funzionali. I cambiamenti nella mappa motoria sono stati associati a cambiamenti di plastica del sistema motorio umano7. I recenti progressi nella tecnologia TMS robotica hanno portato nuove opportunità per migliorare l'efficienza e la precisione della mappatura dei motori. Il nostro gruppo ha recentemente dimostrato che la mappatura robotica del motore TMS è fattibile, efficiente e ben tollerata nei bambini8.
La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) è una forma di stimolazione cerebrale non invasiva che può spostare l'eccitabilità corticale e modulare i comportamenti umani. C'è stata una moltitudine di studi che esaminano l'effetto di tDCS negli adulti (>10,000 soggetti) ma meno del 2% degli studi si sono concentrati sul cervello in via di sviluppo9. La traduzione di prove per adulti alle applicazioni pediatriche è complessa e sono necessari protocolli modificati a causa di complesse differenze nei bambini. Ad esempio, noi e altri abbiamo dimostrato che i bambini sperimentano campi elettrici più grandi e più forti rispetto agli adulti10,11. La standardizzazione dei metodi tDCS nei bambini è importante per garantire un'applicazione sicura e coerente, migliorare la replica e far avanzare il campo. L'esperienza di modulazione dell'apprendimento motorio tDCS nei bambini è limitata, ma in aumento12. Le applicazioni traslazionali del tDCS a specifiche popolazioni di paralisi cerebrali stanno avanzando verso studi clinici in fase avanzata13. Gli sforzi verso una stimolazione più focale applicata attraverso tDCS ad alta definizione (HD-tDCS) sono stati appena studiati per la prima volta nei bambini14. Abbiamo dimostrato che l'HD-tDCS produce miglioramenti simili nell'apprendimento motorio come il tDCS convenzionale nei bambini sani14. La descrizione dei metodi HD-tDCS consentirà la replica e ulteriori applicazioni di tali protocolli nei bambini.
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Protocol
Tutti i metodi descritti in questo protocollo sono stati approvati dal Conjoint Health Research Ethics Board dell'Università di Calgary (REB16-2474). Il protocollo è descritto nella Figura 1.
1. Controindicazioni di stimolazione cerebrale non invasiva
- Controllare a tutti i partecipanti le controindicazioni per TMS15 e tDCS1 prima del reclutamento.
2. Mappatura motoria di stimolazione magnetica transcranica
- Preparazione della risonanza magnetica per la navigazione TMS
- Ottenere la risonanza magnetica strutturale di ciascun partecipante (T1). Se una risonanza magnetica non è ottenibile, utilizzare un modello di risonanza magnetica da Montreal Neurological Institute.
- Importare il file MRI in formato DICOM o NIFTI nel software di neuronavigazione (vedere Tabella dei materiali).
- Traiettorie di destinazione TMS
- Utilizzare il software di neuronavigazione per ricostruire la pelle e Full Brain Curvilinear utilizzando le schede.
- Selezionare Nuovo( Pelle)e Calcola pelle. Assicurarsi che il naso e la parte superiore della testa siano inclusi.
- Selezionare Nuovoe Ricurvo cervello completo. Racchiudere la casella di selezione verde all'esterno del cervello, ma all'interno del cranio. Selezionare Calcola Curvilineo. Regolare la profondità di buccia a 4,0-6,0 mm.
- Selezionare Configura punti di riferimento. Posizionare quattro punti di riferimento sulla punta del naso, nasion, e le tacche di entrambe le orecchie della pelle ricostruita. Assegnare un nome ai punti di riferimento corrispondenti alla loro anatomia.
- Selezionare la scheda Destinazioni per visualizzare il cervello curvilineo. Selezionare Nuovoe Griglia rettangolare. Posizionare griglie di coordinate uniformi 12 x 12 con spaziatura di 7 mm sulla superficie del cervello ricostruito sopra la "manopola" della corteccia motoria (giro precentrale)17.
- Utilizzare lo strumento Posizionamento di destinazione a destra per ottimizzare il posizionamento della griglia per la rotazione, l'inclinazione e la curvatura. Convertire i punti della griglia in traiettorie che guideranno il robot a posizionare la bobina TMS. Regolare l'angolo delle traiettorie in modo che siano di 45 gradi rispetto alla fessura longitudinale del cervello.
- Utilizzare lo strumento SNAP per estrapolare e ottimizzare le traiettorie in cervello curvilineo.
- Inizializzare e posizionare il braccio e il sedile del robot TMS per posizionare e calibrare il sensore della piastra di forza utilizzando il test del sensore Di forza.
- Preparazione del partecipante per la mappatura del motore
- Chiedi ai partecipanti di compilare un questionario sulla sicurezza18.
- Una volta che i partecipanti si sono seduti comodamente sulla sedia del robot, regolare lo schienale e il collo. Assicurarsi che i loro piedi siano supportati. Sostenere le braccia e le mani con cuscini per assicurarsi che le loro mani sono in una posizione di riposo per tutta la durata della sessione di mappatura.
NOTA: I bambini e gli adolescenti avranno bisogno di promemoria per tutta la sessione per mantenere le mani rilassate. - Pulire la pelle sul muscolo di interesse. Posizionare gli elettrodi superficiali Ag/AgCl su entrambe le mani e sugli avambracci del partecipante, prendendo di mira quattro muscoli degli arti anteriori distale, 1) la pancia del primo intero dorsalsseo (FDI), 2) abisso pollici brevis (APB), 3) reatore digiti minimi (ADM) e 4) il polso estensore (estensore carpiulnaris).
- Collegare gli elettrodi di superficie con l'amplificatore di elettromiografia (EMG) e il sistema di acquisizione dei dati e collegare l'amplificatore a un computer di raccolta dati con un software EMG compatibile.
- Coregistrare i quattro punti di riferimento sulla testa del partecipante utilizzando il puntatore punto di riferimento. Utilizzare la scheda di convalida per assicurarsi che la testa del partecipante sia correttamente registrata.
- Determinazione dell'intensità TMS di mappatura motoria
- Selezionare un punto della griglia più vicino alla "manopola" del partecipante. Selezionare il pulsante Allinea alla destinazione per allineare la bobina TMS posata dal robot a questa posizione di destinazione. Selezionare Contatto su. Monitorare la qualità del contatto utilizzando l'indicatore della forza di contatto. Assicurarsi che l'indicatore sia verde o giallo.
NOTA: Il colore rosso sull'indicatore di contatto indica che c'è troppa forza sulla testa del partecipante. Nessun colore significa che la bobina TMS non è in contatto con la testa del partecipante. In questi casi, regolare la sensibilità della piastra di forza. - Indicare al partecipante di non uscire dall'ambito del braccio del robot. Assicurarsi che i muscoli della mano del partecipante siano rilassati e rimangano fermi prima del contatto.
- Selezionare Allinea e segui in modo che la bobina rimanga centrata sul bersaglio se il partecipante si sposta.
- Utilizzare il pulsante di attivazione TMS sulla macchina TMS per fornire 5-10 impulsi TMS ad un'intensità compresa tra il 40-60% di uscita massima dello stimolatore (MSO). Ripetere questo passaggio a 5-6 punti griglia che circondano la "manopola".
- Determinare il punto della griglia che fornisce il più grande e più coerente (hotspot) motore evocato potenziale (MEP) per il muscolo FDI sinistro o destro.
- Determinare la soglia del motore a riposo (RMT) come l'intensità più bassa che produce un MEP di almeno 50 V nel muscolo FDI in stimolazioni 5/10.
- Selezionare un punto della griglia più vicino alla "manopola" del partecipante. Selezionare il pulsante Allinea alla destinazione per allineare la bobina TMS posata dal robot a questa posizione di destinazione. Selezionare Contatto su. Monitorare la qualità del contatto utilizzando l'indicatore della forza di contatto. Assicurarsi che l'indicatore sia verde o giallo.
- Mappatura del motore
- Partendo dal punto di rete più vicino all'hotspot, fornire quattro impulsi TMS a impulso singolo (1 Hz) con un interstimolo di intensità di 1 s e TMS del 120% di RMT. Un punto di griglia reattivo è determinato da 2/4 eurodeputati >50 V in qualsiasi muscoli della mano.
- Spostarsi sul punto della griglia adiacente e ripetere il passaggio precedente.
- Continuare in sequenza in modo lineare lungo i punti reattivi fino a raggiungere un punto non reattivo, che è la prima regione di confine della mappa.
- Continuare la mappatura per stabilire i punti di bordo in tutte e quattro le direzioni della griglia rettangolare.
- Registra tutti gli eurodeputati di tutti i muscoli utilizzando il software EMG per l'analisi offline.
- Dopo 3-4 punti griglia, selezionare Contatto disattivato e dare al partecipante una pausa fino a quando non si sentono pronti a continuare.
- Durante la sessione di mappatura, effettuare continuamente il check-in con il partecipante per assicurarsi che siano confortevoli e/o necessitano di una pausa.
- Utilizzare una versione cartacea delle stesse griglie per virare l'ordine di simulazione per un'ulteriore analisi.
- Mappatura completa utilizzando un TMS robotico come descritto qui o manualmente (non descritto in questo manoscritto). Se si utilizza un robot TMS, si sposterà al punto di griglia selezionato dallo sperimentatore. Il robot ospiterà il movimento della testa del bambino in tempo quasi reale. Questo allevierà qualsiasi movimento aggiuntivo associato a un tecnico che tiene manualmente la bobina sulla testa del partecipante.
NOTA: Se si esegue la mappatura utilizzando un robot TMS, assicurarsi che sia sempre presente uno sperimentatore accanto al robot durante la sessione. Se il robot viene posizionato sulla testa di un partecipante e il partecipante si muove improvvisamente, il robot cercherà di seguire la testa. Se il partecipante deve muoversi, starnutire, graffiare o eseguire un'attività che coinvolge il movimento della testa, il braccio robot deve essere spostato per evitare che la testa del partecipante colpisca il braccio del robot o la bobina TMS.
- Creazione cartonella
- Utilizzando uno script di codifica personalizzato, generare mappe motorie tridimensionali (Figura 2). Contattare gli autori per lo script.
- Calcolare l'area della mappa del motore e il volume utilizzando siti di traiettoria reattiva. Calcolare il centro di gravità (COG) come media ponderata delle rappresentazioni motorie di ogni posizione delle coordinate.
NOTA: l'area della mappa viene calcolata come la spaziatura della griglia (7 mm)2 moltiplicata per il numero totale di siti reattivi. Il volume della mappa viene calcolato come la somma cumulativa della spaziatura della griglia moltiplicata per l'ampiezza MEP media in ogni sito reattivo. Una versione user-friendly dello script è in fase di sviluppo per condividere con il pubblico come open source. Nel frattempo, contattare l'autore corrispondente per ottenere l'accesso allo script.
3. Applicazione tradizionale tDCS e HD-tDCS
- Randomizzare i partecipanti a uno dei tre gruppi di intervento (sham, tDCS convenzionale, HD-tDCS).
- Chiedi al partecipante di completare il Purdue Pegboard Test (PPT) tre volte usando la mano sinistra (non dominante), stabilendo il suo punteggio di base.
- Ispezionare la qualità degli elettrodi per confermare l'integrità degli inserti in spugna tDCS e degli elettrodi in gomma.
- Accendere il dispositivo tDCS convenzionale capovolgendo l'interruttore di alimentazione su ON.
NOTA: Assicurarsi che la scarica della batteria non sia illuminata. Se è illuminato, cambiare le batterie prima di avviare la sessione.- Per i partecipanti che ricevono elettrodi di spugna convenzionali o sham tDCS, immergere leggermente due elettrodi di spugna da 25 cm2 con salina. Assicurarsi che l'intero elettrodo sia coperto ma non gocciolante. Inserire l'elettrodo di gomma negli elettrodi salini bagnati e collegare ogni elettrodo al dispositivo tDCS.
- Individuare l'hotspot contrassegnato (M1 destro) utilizzando la navigazione neuronaviga e contrassegnarlo con un marcatore non tossico. Alla fine di ogni sessione tDCS, HD-tDCS o finta, contrassegnare nuovamente l'hotspot in modo che sia visibile il giorno successivo.
- Se randomizzato al tradizionale tDCS o finto tDCS, posizionare un elettrodo di spugna imbevuto di 25 cm2 salini sopra l'hotspot contrassegnato dal partecipante (Destra M1), fungendo da anodo. Posizionare gli altri 25 cm2 spugna imbevuta di spugna sulla regione sovraorbitale contralaterale, che rappresenta il catodo. Utilizzare una "fascia" pediatrica in plastica leggera per tenere gli elettrodi in posizione.
NOTA: Assicurarsi che non vi sia alcun gocciolamento salina dall'elettrodo in quanto potrebbe evitare la corrente. - Nel gruppo sham e tDCS convenzionale, garantire la qualità del contatto "ottimale". Se la qualità del contatto è "sub-ottimale", iniettare una piccola quantità di soluzione salina sotto gli elettrodi della spugna, o assicurarsi che ci siano capelli minimi tra il cuoio capelluto e l'elettrodo.
NOTA: la qualità del contatto "ottimale" si ottiene quando sono accese più della metà delle luci dell'indicatore di contatto. Se meno della metà delle luci dell'indicatore di contatto sono accese, la qualità del contatto è non ottimale. Non iniziare la stimolazione se solo una delle due luci dell'indicatore sono accese. - Nel gruppo HD-tDCS, fare riferimento a Villamar, M.F., et al.16 per l'appropriato set-up.
- Nel gruppo HD-tDCS, impostare il dispositivo sull'impostazione Scansione per controllare l'impedimento ad ogni elettrodo. Assicurarsi che l'impedibile sia inferiore a 1 "unità di qualità" e descritto in precedenza19,20. Se la qualità del contatto è scarsa, rimuovere l'elettrodo e verificare che non vi siano peli che ostruiscono il contatto dell'elettrodo e che sia presente una colonna continua di gel di elettrodo tra il cuoio capelluto e l'elettrodo. Se necessario, applicare più gel elettrodo.
- Se randomizzato al tradizionale tDCS o finto tDCS, posizionare un elettrodo di spugna imbevuto di 25 cm2 salini sopra l'hotspot contrassegnato dal partecipante (Destra M1), fungendo da anodo. Posizionare gli altri 25 cm2 spugna imbevuta di spugna sulla regione sovraorbitale contralaterale, che rappresenta il catodo. Utilizzare una "fascia" pediatrica in plastica leggera per tenere gli elettrodi in posizione.
- Impostare il dispositivo tDCS e HD-tDCS sull'impostazione di montaggio degli anodi, 1 mA di forza corrente e durata di 20 min.
- Assicurati che il partecipante sia seduto comodamente e capisca le possibili sensazioni che può provare (come sensazioni pruriginose o formicolio). Ricorda al partecipante di comunicare se sente qualche disagio o se ha domande.
- Nei gruppi tDCS e HD-tDCS convenzionali, assicurarsi che l'interruttore sia impostato su Attivo.
NOTA: per il gruppo sham, l'interruttore deve essere impostato su Sham. Questa impostazione deve essere nascosta al partecipante. - Premere il pulsante Start del dispositivo per avviare la stimolazione. Assicurarsi che la durata sia impostata su 20 min e l'intensità a 1 mA.
NOTA: Nei gruppi tradizionali tDCS e HD-tDCS, la corrente aumenterà di oltre 30 s a 1 mA e continuerà per 20 min. Nel gruppo sham tDCS, la corrente sarà dilagata per oltre 30 s a 1 mA e immediatamente dilagata oltre 30 s.
- Nei gruppi tDCS e HD-tDCS convenzionali, assicurarsi che l'interruttore sia impostato su Attivo.
- A 5 min, 10 min, 15 min, e 20 min, hanno il partecipante completare il PPT tre volte utilizzando la mano sinistra.
- Dopo 20 min, spegnere il dispositivo dopo che l'intensità termina la rampa verso il basso a 0 mA.
NOTA: per i partecipanti che ricevono tDCS convenzionale o HD-tDCS, la macchina si abbassa automaticamente a 0 mA a 20 min. Per i partecipanti che ricevono finto tDCS, la macchina aumenterà automaticamente di oltre 30 s a 1 mA e immediatamente si allontanerà a 0 mA su 30 s a 20 min. - Rimuovere gli elettrodi dalla testa del partecipante.
- Per finto e gruppo tDCS convenzionale, rimuovere gli elettrodi neri dall'interno delle spugne e risciacquare l'elettrodo di spugna con acqua del rubinetto normale.
- Nel gruppo HD-tDCS, togliere la parte superiore del supporto dell'elettrodo di plastica e rimuovere gli elettrodi. Rimuovere il tappo dell'elettrodo dalla testa dei partecipanti. Sciacquare il gel nel supporto dell'elettrodo. Pulire l'elettrodo con un tovagliolo di carta leggermente umido. Pulire l'elettrodo con un tovagliolo di carta asciutto per rimuovere il gel rimanente.
- Chiedi a tutti i partecipanti di compilare il questionario di stimolazione diretta-corrente transcranica Side-effects and Tolerability dopo ogni sessione di stimolazione.
- Chiedi ai partecipanti di completare il PPT tre volte usando la mano sinistra.
- Chiedere ai partecipanti di tornare il giorno successivo e per altri quattro giorni consecutivi (cinque giorni in totale) per la stimolazione cerebrale non invasiva (sham, tDCS o HD-tDCS) abbinata all'apprendimento motorio (PPT). Ripetere i passaggi da 3.2 a 3.13 del giorno 2-4. Il giorno 5, chiedi ai partecipanti di iniziare con la stimolazione cerebrale non invasiva (sham, tDCS o HD-tDCS) (i passaggi 3.2-3.13 si ripetono). Dopo una pausa (45 min-1,5 h dalla ricezione della stimolazione), avviare la mappatura robotica del motore TMS (passaggi 2.3-2.5.8).
NOTA: tutti i partecipanti hanno ricevuto lo stesso numero di minuti per le pause tra una valutazione e l'ultima. - Dopo 6 settimane, invita i partecipanti a tornare ed eseguire il PPT senza ricevere alcuna stimolazione cerebrale non invasiva (passaggio 3.2 seguito da mappatura robotica del motore TMS (passaggio 2.5.8)).
- Chiedere ai partecipanti di tornare il giorno successivo e per altri quattro giorni consecutivi (cinque giorni in totale) per la stimolazione cerebrale non invasiva (sham, tDCS o HD-tDCS) abbinata all'apprendimento motorio (PPT). Ripetere i passaggi da 3.2 a 3.13 del giorno 2-4. Il giorno 5, chiedi ai partecipanti di iniziare con la stimolazione cerebrale non invasiva (sham, tDCS o HD-tDCS) (i passaggi 3.2-3.13 si ripetono). Dopo una pausa (45 min-1,5 h dalla ricezione della stimolazione), avviare la mappatura robotica del motore TMS (passaggi 2.3-2.5.8).
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Representative Results
Utilizzando i metodi qui presentati, abbiamo completato uno studio interventistico randomizzato, controllato da sham8. Sono stati reclutati bambini con la mano destra (n - 24, età 12-18 anni) senza controindicazioni per entrambi i tipi di stimolazione cerebrale non invasiva. I partecipanti sono stati specificamente esclusi in questo studio se sui farmaci neuropsicotropici o se non erano ingenui a tDCS. Non ci sono stati abbandoni.
Le mappe motorie robotiche TMS sono state ottenute per acquisire una mappa motoria di base e fungere da potenziale meccanismo per monitorare i cambiamenti di eccitabilità neuroplastica e corticale dopo l'apprendimento motorio abbinato a stimolazione cerebrale non invasiva. Utilizzando i metodi descritti sopra, tutti i partecipanti hanno ricevuto tre mappe robotiche del motore TMS, 1) linea di base prima della stimolazione cerebrale non invasiva (sham, tDCS o HD-tDCS), 2) giorno 5 (Post) e 3) al follow-up di 6 settimane (tempo di ritenzione). Tutti i partecipanti hanno ricevuto la mappatura motoria biemispheric (3 partecipanti hanno ricevuto la mappatura motoria emisferica destra solo a causa di vincoli di tempo). Le mappe motorie sono state completate in media in 18 min per mappe motorie unilaterali e 36 min per la mappatura biemisferica. L'area della mappa del motore, il volume, l'hotspot e il COG sono stati calcolati e confrontati a livello individuale e di gruppo. Nella nostra analisi iniziale della mappa motoria, l'area e il volume della mappa motoria non sono cambiati in modo significativo a seguito dell'intervento. Nella nostra analisi secondaria, la misurazione delle proporzioni submassime dell'area e del volume della mappa ha provocato una varianza significativamente inferiore (p<0,05).
Tutti i partecipanti hanno ricevuto uno dei tre interventi di stimolazione cerebrale non invasiva per una durata di 20 min (1 mA) per cinque giorni consecutivi. Abbiamo dimostrato che tDCS e HD-tDCS migliorano il tasso di apprendimento (numero di pioli/giorno) (tDCS p-0.042, HD-tDCS p-0.049) in 5 giorni di allenamento. I gruppi di intervento attivi (tDCS e HD-tDCS) hanno avutomiglioramenti maggiori nel punteggio PPT (PPT L) medio giornaliero al giorno 4 e 5 rispetto alla farsa (giorno 4 p-0,043, giorno 5 p-0,05) (Figura 3). I gruppi di intervento attivi hanno mantenuto le loro capacità motorie (sul PPT) in 6 settimane dopo l'allenamento. Tuttavia, c'è stato un notevole decadimento delle abilità nel gruppo finto dal post-allenamento al follow-up di 6 settimane (p-0,034). Questa metodologia è stata replicata da uno studio precedente21 e i set di dati sono stati combinati (Figura 4). I dati di replica hanno dimostrato risultati simili. Si è verificato un aumento significativo del tasso di apprendimento osservato nel gruppo tDCS e HD-tDCS rispetto al gruppo sham (tDCS p - 0,001, HD-tDCS p - 0,012).
Figura 1: Protocollo di prova. Test di pegno ptT, TMS, mappatura motoria TMS tDCS, stimolazione a corrente diretta transcranica, HD-tDCS - tDCS ad alta definizione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Esempio di mappa del motore TMS. Vista dall'alto del motore FDI sinistro (A) Pre e (B) post intervento HD-tDCS. La croce rossa indica l'hotspot, la croce blu indica COG. La barra dei colori indica l'intervallo di MEP da 0 a 2 mV. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Apprendimento motorio osservato nei gruppi sham, tDCS e HD-tDCS. Questa cifra è stata ripubblicata da Cole & Giuffre et al. 2018. (A) Cambio medio giornaliero nel punteggio Di pegboard Purdue della mano sinistra rispetto alla linea di base in finzione (triangoli bianchi), tDCS (cerchi grigi) e HD-tDCS (cerchi neri), (n - 24). (B) Punteggio medio giornaliero a ogni punto cronologico di PPTL. s<0.05 per tDCS vs. Le barre di errore indicano un errore standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Replica dei metodi - set di dati PPTL combinato per 3 giorni di training. Questa cifra è stata ripubblicata da Cole & Giuffre et al. 2018). (A) Le curve di apprendimento per i gruppi fasmi (triangoli bianchi, n - 14), tDCS (cerchi grigi, n - 14) e HD-tDCS (cerchi neri, n - 8). (B) Media apprendimento quotidiano per finti, tDCS e HD-tDCS dagli studi combinati. Le barre di errore indicano un errore standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
TMS è stato esplorato anche in popolazioni pediatriche cliniche, tra cui ictus perinatale22 e paralisi cerebrale, dove le mappe motorie TMS sono state create con successo in bambini con paralisi cerebrale per esplorare i meccanismi di plasticità interventiva. Utilizzando un protocollo stabilito8, le mappe motorie TMS sono state raccolte con successo nei bambini in genere in via di sviluppo, e sono attualmente in fase di raccolta in uno studio clinico multicentro in corso per i bambini con ictus periato e paralisi cerebrale emiplegica ( NCT03216837). La descrizione dei metodi di mappatura motoria TMS consentirà la replicazione e ulteriori applicazioni di protocolli in bambini sani e bambini con disturbi del movimento.
La mappatura robotica dei motori migliora la precisione di posizionamento della bobina TMS e riduce l'errore umano rispetto alle tecniche manuali23,24. Questa tecnica è più vantaggiosa per le popolazioni pediatriche che hanno aumentato i movimenti della testa e la tollerabilità inferiore per lunghe sessioni12. Anche se la mappatura motoria con un robot TMS è stata riportata negli adulti, il nostro gruppo è il primo ad applicare questa tecnica in una popolazione pediatrica. Nuove metodologie di mappatura motoria che utilizzano la ponderazione statistica e l'interpolazione25,26 possono essere utilizzate per ridurre il tempo di acquisizione se combinato con TMS robotico. Come tale, metodologie dovrebbero essere ulteriormente esplorate nel cervello in via di sviluppo.
Illustreremo un approccio conciso per applicare tDCS, HD-tDCS e TMS in una popolazione pediatrica sana. Ci sono una varietà di passaggi critici da considerare nell'applicazione della stimolazione cerebrale non invasiva nei bambini. È fondamentale che i bambini e/o i loro genitori confermino che il partecipante non ha controindicazioni per la stimolazione cerebrale non invasiva. È importante che i partecipanti si sentano a proprio agio e al sicuro. Incoraggiare i partecipanti a porre domande durante la sessione in quanto è necessario ottenere continuamente un feedback per tutta la sessione, soprattutto in una popolazione pediatrica. Inoltre, è importante controllare la qualità degli elettrodi e la qualità del cuoio capelluto dei partecipanti, in quanto ciò impedisce l'applicazione sicura del tDCS. È fondamentale avere il montaggio anodale corretto, l'intensità della corrente e la durata della stimolazione selezionate sulla macchina prima di iniziare la stimolazione. Esistono considerazioni specifiche per tDCS e HD-tDCS convenzionali. In HD-tDCS, è fondamentale ruotare l'elettrodo scelto per essere in posizione anodale centrale con gli elettrodi circostanti per diminuire la quantità di ripartizione degli elettrodi. È fondamentale avere la corretta connessione dei cavi alle porte anodale e cahodali sulla macchina 1x1 tDCS nel tDCS convenzionale per consentire l'applicazione della polarità corretta. La letteratura precedente ha dimostrato l'importanza di utilizzare soluzione salina per migliorare la tollerabilità della stimolazione27. La sensazione più comune descritta nel nostro studio è stata il prurito (56%)14. Non abbiamo riportato effetti negativi nella nostra popolazione utilizzando i nostri metodi descritti12,14.
Ci sono una varietà di diverse modifiche da apportare quando si perfeziona l'applicazione di tDCS e HD-tDCS. È importante avere una buona qualità di contatto per diminuire la resistenza della corrente in tutto il cuoio capelluto. Se la qualità del contatto è scarsa, è possibile applicare una soluzione più salina per ridurre la resistenza nel tDCS convenzionale. Tuttavia, è importante prima garantire che sia presente un buon contatto con l'elettrodo con il cuoio capelluto. In HD-tDCS, è essenziale che il cuoio capelluto sia esposto per consentire una migliore qualità dell'elettrodo. I capelli potrebbero aver bisogno di essere ulteriormente spazzolati fuori strada e più gel elettrodo applicato per migliorare la qualità del contatto. Assicurarsi che la qualità del contatto venga continuamente monitorata per tutta la sessione.
Gli attuali studi di modellazione hanno suggerito una differenza nella forza attuale sperimentata in tutte le fasce di età a seconda della materia bianca e del volume CSF10,11. Una limitazione di questo metodo è che non abbiamo eseguito la modellazione corrente su ogni partecipante per applicare una forza attuale che indurrebbe una forza del campo elettrico neuronale comparabile tra i partecipanti.
Questo metodo è un importante passo avanti nell'applicazione della stimolazione cerebrale non invasiva in pediatria. Abbiamo prolungato il nostro periodo di formazione da tre giorni a cinque giorni e osservato miglioramenti simili nelle abilità. HD-tDCS è stato applicato solo in una popolazione pediatrica utilizzando il nostro metodo e abbiamo dimostrato che c'è un apprendimento di abilità motorie simile al tDCS convenzionale. HD-tDCS induce una corrente più focale, migliorando il targeting e l'implicazione28. I metodi descritti in questo documento consentiranno la replica e l'ulteriore studio dell'HD-tDCS nei bambini.
Questi metodi sono attualmente in fase di estensione a una popolazione di ictus peritale. Il protocollo tDCS e HD-tDCS è stato adattato a questa popolazione e il tempo di formazione è stato esteso per sviluppare ulteriormente studi clinici nell'ictus peritale. È fondamentale ottimizzare l'applicazione del tDCS in pediatria per far avanzare l'applicazione terapeutica nei bambini con ictus perinatale e quindi migliorare i risultati delle funzioni motorie. Per la mappatura del motore TMS, è importante assicurarsi che il partecipante sia comodamente seduto, con le braccia e le mani in posizione rilassata. Dopo la completa sessione di mappatura motoria, solo il 15% dei partecipanti ha avvertito lievi cefalee autolimitanti.
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Disclosures
Gli autori non hanno divulgazioni.
Acknowledgments
Questo studio è stato sostenuto dal Canadian Institutes of Health Research.
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
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