Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Ikke-invasiv modulering og Robotic kartlegging av motor cortex i utviklingsland Brain

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

Vi viser protokoller for moduleringshjul (tDCS, HD-tDCS) og kartlegging (Robotic TMS) av motoren cortex hos barn.

Abstract

Kartlegging av motorisk cortex med Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har potensial til å forhøre motorisk cortex fysiologi og plastisitet, men bærer unike utfordringer hos barn. Tilsvarende kan Transkraniell direkte strøm stimulering (tDCS) forbedre motorisk læring hos voksne, men har først nylig blitt brukt til barn. Bruken av tDCS og nye teknikker som høy-definisjon tDCS (HD-tDCS) krever spesiell metodisk betraktninger i utviklingsland hjernen. Robot TMS motor kartlegging kan tildele unike fordeler for kartlegging, spesielt i utviklingsland hjernen. Her har vi som mål å gi en praktisk, standardisert tilnærming for to integrerte metoder i stand til samtidig å utforske motor cortex moduleringshjul og motor kart hos barn. Først beskriver vi en protokoll for robot TMS motor kartlegging. Individualisert, Mr-navigert 12x12 nett sentrert på motoren cortex guide en robot til å administrere single-Pulse TMS. Mean motor fremkalt potensial (MEP) amplituder per rutenettpunkt brukes til å generere 3D motor kart over individuelle hånd muskler med utfall inkludert kartområdet, volum, og tyngdepunkt. Verktøy for å måle sikkerhet og toleranse av begge metodene er også inkludert. For det andre beskriver vi anvendelsen av både tDCS og HD-tDCS for å modulere motor barken og motor læringen. En eksperimentell trening paradigme og sample resultater er beskrevet. Disse metodene vil fremme anvendelsen av ikke-invasiv hjerne stimulering hos barn.

Introduction

Ikke-invasiv hjerne stimulering kan både måle og modulere menneskets hjernefunksjon1,2. Den vanligste målet har vært motoren cortex, skyldes delvis en umiddelbar og målbar biologisk produksjon (motor fremkalt potensial), men også den høye utbredelsen av nevrologiske sykdommer som resulterer i motorsystemet dysfunksjon og uførhet. Denne store globale byrden av sykdom omfatter en høy andel av forholdene som berører barn som cerebral parese, den ledende årsaken til livslang funksjonshemming påvirker noen 17 000 000 personer over hele verden3. Til tross for denne kliniske relevansen og de mangfoldige og økende kapasitetene til neurostimulation teknologier, er anvendelser i utviklings hjernen bare i ferd med å bli definert4. Forbedret karakterisering av eksisterende og nye ikke-invasiv hjernen stimulering metoder hos barn er pålagt å fremme søknader i utviklingsland hjernen.

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er et veletablert nevrofysiologiske verktøy som i økende grad brukes for sin ikke-invasiv, smertefri, godt tolerert og sikkerhetsprofil hos voksne. TMS-erfaring hos barn er relativt begrenset, men stadig økende. TMS leverer magnetiske felt for å indusere Regional aktivering av kortikale neuronal populasjoner i hjernen med netto utganger reflektert i målet muskel motor fremkalt potensialer (MEP). Systematisk anvendelse av enkelt puls TMS kan definere kart av motor cortex in vivo. Banebrytende dyrestudier5 og fremvoksende menneskelig TMS studier6 har vist hvordan motor kart kan bidra til å informere mekanismer for kortikale neuroplasticity. Navigert motor kartlegging er en TMS teknikk som brukes til å kartlegge den menneskelige motor cortex å forhøre funksjonell kortikale regioner. Endringer i motor kart har vært forbundet med plast endringer av det menneskelige motorsystemet7. Nylige fremskritt innen robot-TMS-teknologi har brakt nye muligheter til å forbedre motorens kartlegging effektivitet og nøyaktighet. Vår gruppe har nylig demonstrert at robot TMS motor kartlegging er gjennomførbart, effektiv, og godt tolerert hos barn8.

Transkraniell direkte strøm stimulering (tDCS) er en form for ikke-invasiv hjerne stimulering som kan skifte kortikale excitability og modulere menneskelig atferd. Det har vært en rekke studier som undersøker effekten av tDCS hos voksne (> 10000 fag), men mindre enn 2% av studiene har fokusert på å utvikle hjernen9. Oversettelse av voksen bevis til Pediatrics programmer er kompleks, og modifiserte protokoller er nødvendig på grunn av komplekse forskjeller hos barn. For eksempel har vi og andre vist at barn opplever større og sterkere elektriske felt sammenlignet med voksne10,11. Standardisering av tDCS metoder hos barn er viktig å sikre trygg og konsistent anvendelse, forbedre replikering, og fremme feltet. Erfaring med motor læring moduleringshjul tDCS hos barn er begrenset, men øker12. Translational anvendelser av tDCS til bestemte cerebral parese populasjoner er rykket mot sen fase kliniske studier13. Innsats mot mer fokus stimulering brukt gjennom high-definition tDCS (HD-tDCS) har nettopp blitt studert for første gang hos barn14. Vi viste at HD-tDCS produserer lignende forbedringer i motor læring som konvensjonelle tDCS i friske barn14. Beskrive HD-tDCS metoder vil muliggjøre replikering og ytterligere anvendelser av slike protokoller hos barn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle metodene som er beskrevet i denne protokollen har blitt godkjent av Conjoint helse forskningsetikk Board, University of Calgary (REB16-2474). Protokollen er beskrevet i figur 1.

1. ikke-invasiv hjerne stimulering kontraindikasjoner

  1. Screen alle deltakerne for kontraindikasjoner for TMS15 og tDCS1 før rekruttering.

2. Transkraniell magnetisk stimulering motor kartlegging

  1. Klargjør Mr for navigert TMS
    1. Få tak i hver deltakers strukturelle MRI (T1). Hvis en MRI er uovertrufne, bruk en mal MRI fra Montreal nevrologisk Institute.
    2. Importer MRI-filen i DICOM-eller NIFTI-format til neuronavigation programvare (se tabell over materialer).
  2. TMS mål baner
    1. Bruk neuronavigation programvare for å rekonstruere huden og full Brain krumlinjet bruke tabs.
    2. Velg ny, hudog Beregn hud. Sørg for at nesen og toppen av hodet er inkludert.
    3. Velg ny, og full Brain krumlinjet. Legg den grønne valgboks utenfor hjernen, men innsiden av skallen. Velg Beregn krumlinjet. Juster skallet dybden til 4,0-6.0 mm.
    4. Velg Konfigurer landemerker. Plasser fire landemerker på spissen av nesen, nasion, og hakkene av begge ørene av rekonstruert hud. Navngi landemerkene som tilsvarer deres anatomi.
    5. Velg mål -fanen for å vise krumlinjet hjerne. Velg nyttog rektangulært rutenett. Plasser ensartet 12 x 12 koordinat nett med 7 mm avstand på overflaten av rekonstruert hjerne over "handknob" av motorisk cortex (precentral gyrus)17.
    6. Bruk mål plasseringsverktøyet til høyre for å optimalisere rutenett plasseringen for rotasjon, helling og krumning. Konverter rutenettet punkter i baner som vil lede roboten til å posisjonere TMS coil. Juster vinkelen på baner slik at de er 45 ° til den langsgående sprekken i hjernen.
    7. Bruk snap Tool til å ekstrapolere og optimalisere baner til krumlinjet hjernen.
    8. Initialiser og plasser robotarmen til TMS og setet i Velkommen posisjon og Kalibrer kraft plate sensoren med Force sensor test.
  3. Klargjøre deltakeren for motor kartlegging
    1. Få deltakerne til å fylle ut et sikkerhets spørreskjema18.
    2. Når deltakerne sitter komfortabelt i roboten stolen, justere rygg og neckrest. Sørg for at føttene deres støttes. Støtt armene og hendene med puter for å sikre at hendene er i hvileposisjon så lenge tilordnings økten varer.
      Merk: barn og ungdom vil trenge påminnelser gjennom hele økten for å holde hendene avslappet.
    3. Rengjør huden over muskel av interesse. Plasser AG/AgCl overflate elektroder på begge hender og underarmer av deltakeren, rettet mot fire forlemen muskler, 1) buken på den første rygg interosseous (FDI), 2) bortfører pollicis Brevis (APB), 3) bortfører digiti Minimi (ADM), og 4) håndleddet extensor (extensor Carpi ulnaris).
    4. Koble overflaten elektroder med Elektromyografi (EMG) forsterker og datainnsamlingssystem og koble forsterkeren til en datainnsamling datamaskin med en kompatibel EMG programvare.
    5. Co-registrere de fire landemerkene på hodet til deltakeren ved hjelp av landemerket pekeren. Bruk validerings kategorien for å sikre at deltakerens hode er riktig registrert.
  4. Bestemme motor kartlegging TMS intensitet
    1. Velg et rutenettpunkt nærmest deltakerens "handknob". Velg knappen Juster til mål for å justere TMS-spolen som holdes av roboten, til denne målplasseringen. Velg kontakt på. Overvåk kontakt kvaliteten ved hjelp av kontakt styrke indikatoren. Kontroller at indikatoren er grønn eller gul.
      Merk: den røde fargen på kontakt indikatoren betyr at det er for mye kraft på deltakerens hode. Ingen farge betyr at TMS spolen ikke er i kontakt med deltakerens hode. I slike tilfeller justerer du følsomheten på kraft platen.
    2. Be deltakeren om ikke å bevege seg utenfor rekkevidden til robotarmen. Sørg for at deltakerens hånd muskler er avslappet og fortsatt før kontakt.
    3. Velg Juster og følg slik at spolen forblir sentrert på målet hvis deltakeren beveger seg.
    4. Bruk trigger knappen TMS på TMS-maskinen til å levere 5-10 TMS-pulser med en intensitet mellom 40-60% maksimal stimulator-utdata (MSO). Gjenta dette trinnet til 5-6 Grid-punkter rundt "handknob".
    5. Bestem rutenettet-punkt som gir den største og mest konsekvente (hotspot) motor fremkalt potensial (MEP) for venstre eller høyre FDI muskel.
    6. Bestem hvile motor terskelen (RMT) som den laveste intensiteten som produserer en MEP på minst 50 μV i FDI muskelen i 5/10 stimuleringer.
  5. Motor kartlegging
    1. Med utgangspunkt i rutenett punktet nærmest hotspot, kan du levere fire TMS-pulser med én puls (1 Hz) ved en interstimulus på 1 s og TMS-intensitet på 120% RMT. En responsiv Grid-punkt bestemmes av 2/4 MEPs > 50 μV i noen av hånd musklene.
    2. Gå til det tilstøtende rutenett punktet, og gjenta trinnet ovenfor.
    3. Fortsett sekvensielt i en lineær måte langs responsive punkter til et ikke-responsivt punkt er nådd, som er den første grenseregionen på kartet.
    4. Fortsett å kartlegge for å etablere grense punktene i alle fire retninger i det rektangulære rutenettet.
    5. Ta opp alle MEPs fra alle musklene ved hjelp av EMG programvare for offline analyse.
    6. Etter 3-4 rutenett punkter, velg kontakt av og gi deltakeren en pause før de føler seg klar til å fortsette.
    7. Gjennom kartlegging økten, kontinuerlig sjekke inn med deltakeren for å sikre at de er komfortable og/eller trenger en pause.
    8. Bruk en kopi versjon av de samme rutenettene til å takle simuleringen for videre analyse.
    9. Komplett kartlegging ved hjelp av en robot TMS som beskrevet her eller manuelt (ikke beskrevet i dette manuskriptet). Hvis du bruker en TMS-robot, vil den gå til rutenettet som er valgt av eksperimentator. Roboten vil romme for barnet hodet bevegelse i nær sanntid. Dette vil lindre ytterligere bevegelse forbundet med en tekniker manuelt holde spolen på deltakerens hode.
      Merk: Hvis du tilordner ved hjelp av en TMS-robot, må du sørge for at det er en eksperimentator ved siden av roboten til enhver tid under økten. Hvis roboten er plassert på en deltakers hode og deltakeren plutselig beveger seg, vil roboten prøve å følge hodet. Hvis deltakeren må flytte, NYSE, scratch, eller utføre en aktivitet som involverer bevegelse av hodet, må roboten armen flyttes for å hindre at deltakeren hodet fra treffer roboten arm eller TMS coil.
  6. Motor kart opprettelse
    1. Ved hjelp av en skreddersydd koding script, generere tredimensjonale motor kart (figur 2). Kontakt forfatterne for skriptet.
    2. Beregn motor kartområdet og volum ved hjelp av responsive banen nettsteder. Beregn tyngdepunkt (COG) som vektet gjennomsnitt av motor representasjoner av hvert koordinat sted.
      Merk: kartområdet beregnes som rutenettavstanden (7 mm)2 multiplisert med det totale antallet responsive nettsteder. Kart volum beregnes som den kumulative summen av rutenettavstand multiplisert med gjennomsnittlig MEP amplitude på hvert responsivt område. En brukervennlig versjon av skriptet er utviklet for å dele med publikum som åpen kildekode. I mellomtiden kan du kontakte den tilsvarende forfatteren for å få tilgang til skriptet.

3. konvensjonell tDCS og HD-tDCS applikasjon

  1. Tilfeldig deltakerne til en av tre intervensjon grupper (humbug, konvensjonelle tDCS, HD-tDCS).
  2. Har deltakeren fullføre Purdue Oppbevaringstavle test (PPT) tre ganger ved hjelp av sin venstre hånd (ikke-dominerende), etablere sin Baseline score.
  3. Inspiser elektrode kvaliteten for å bekrefte integriteten til tDCS svamp inserts og gummi elektroder.
  4. Slå på den konvensjonelle tDCS-enheten ved å vende strømbryteren til på.
    Merk: Sørg for at lampen for svakt batteri ikke lyser. Hvis den lyser, skifter du batteriene før du starter økten.
    1. For deltakere som mottar konvensjonelle eller humbug tDCS, lett suge 2 25 cm2 svamp elektroder med saltvann. Sørg for at hele elektroden er tildekket, men ikke drypper. Sett gummi elektroden inn i saltvann gjennomvåt svamp elektroder og koble hver elektrode til tDCS enheten.
  5. Finn det markerte aktiveringspunktet (høyre M1) ved hjelp av neuronavigation, og Merk det med en ikke-giftig markør. På slutten av hver tDCS, HD-tDCS eller humbug økt, Merk hotspot igjen slik at den er synlig neste dag.
    1. Hvis randomisert til konvensjonelle tDCS eller humbug tDCS, sted 1 25 cm2 Saline-gjennomvåt svamp elektroden over deltakerens merket hotspot (høyre M1), som fungerer som anode. Plasser den andre 25 cm2 Saline-gjennomvåt svamp elektroden på kontralateral supraorbital regionen, representerer den bilderør. Bruk en lett plast pediatric "hodebånd" å holde elektroder på plass.
      Merk: Sørg for at det ikke er noe saltvann som drypper fra elektroden, da det kan shunt strøm.
    2. I humbug og konvensjonelle tDCS gruppen, sikre "optimal" kontakt kvalitet. Hvis kontakt kvaliteten er "sub-optimal", injisere en liten mengde av saltvann under svamp elektroder, eller sørge for at det er minimalt hår mellom hodebunnen og elektroden.
      Merk: "optimal" kontakt kvalitet oppnås når mer enn halvparten av kvaliteten på kontakten indikatorlysene er på. Hvis mindre enn halvparten av kontakt indikatorene lyser, er kontakt kvaliteten sub-optimal. Ikke start stimulering hvis bare én av to av indikatorlampene er på.
    3. I HD-tDCS-gruppen, se Villamar, M.F., et al.16 for riktig oppsett.
    4. I HD-tDCS-gruppen setter du enheten til skanne innstillingen for å kontrollere impedans på hver elektrode. Kontroller at impedans er under 1 "kvalitet enhet" og beskrevet tidligere19,20. Hvis kontakt kvaliteten er dårlig, Fjern elektroden og kontroller at det ikke er hår som hindrer kontakt av elektroden, og at en kontinuerlig kolonne av elektrode gel er til stede mellom hodebunnen og elektroden. Om nødvendig, Påfør mer elektrode gel.
  6. Sett tDCS og HD-tDCS enheten til anode Montage innstillingen, 1 mA gjeldende styrke, og 20 min varighet.
  7. Sørg for at deltakeren sitter godt og forstår de mulige følelsene de kan oppleve (for eksempel kløe eller prikking). Minn deltakeren på å kommunisere hvis de føler ubehag eller hvis de har spørsmål.
    1. I de konvensjonelle tDCS-og HD-tDCS-gruppene kontrollerer du at veksleknappen er satt til aktiv.
      Merk: for humbug gruppen, veksleknappen bør settes til humbug. Denne innstillingen bør skjules for deltakeren.
    2. Trykk på enhetens Start knapp for å starte stimulering. Sørg for at varigheten er satt til 20 min, og intensiteten til 1 mA.
      Merk: i de konvensjonelle tDCS-og HD-tDCS-gruppene vil strømmen rampen opp over 30 s til 1 mA og fortsette i 20 min. I humbug tDCS gruppen, vil strømmen bli ramped opp over 30 s til 1 mA og umiddelbart ramped ned over 30 s.
  8. På 5 min, 10 min, 15 min, og 20 min, har deltakeren fullføre PPT tre ganger ved hjelp av sin venstre hånd.
  9. Etter 20 minutter, slå av enheten etter at intensiteten er ferdig gradvis ned til 0 mA.
    Merk: for deltakere som mottar enten konvensjonelle tDCS eller HD-tDCS, vil maskinen automatisk trappe ned til 0 mA ved 20 min. For deltakere som mottar humbug tDCS, vil maskinen automatisk rampen opp over 30 s til 1 mA og umiddelbart rampen ned til 0 mA over 30 s på 20 min.
  10. Fjern elektrodene fra deltakerens hode.
  11. For humbug og konvensjonelle tDCS gruppe, fjerne sorte elektroder fra innsiden av svamper og skyll svamp elektroden med vanlig vann fra springen.
    1. I HD-tDCS-gruppen, ta av plast elektrodeholderen toppen og fjern elektrodene. Fjern elektrode lokket fra deltakernes hode. Skyll eventuell gel i elektrodeholderen. Rengjør elektroden med et litt fuktig papir håndkle. Tørk av elektroden med et tørt papir håndkle for å fjerne eventuelle gjenværende gel.
  12. La alle deltakerne fylle ut Transkraniell direkte-gjeldende stimulering side-effekter og toleranse spørreskjema etter hver stimulering økt.
  13. Har deltakerne fullføre PPT tre ganger ved hjelp av sin venstre hånd.
    1. Få deltakerne tilbake neste dag og i ytterligere fire påfølgende dager (fem dager totalt) for ikke-invasiv hjerne stimulering (humbug, tDCS, eller HD-tDCS) sammen med motor læring (PPT). Gjenta trinn 3,2-3.13 på dag 2-4. På dag 5, la deltakerne begynne med ikke-invasiv hjerne stimulering (humbug, tDCS eller HD-tDCS) (trinn 3,2-3.13 gjentas). Etter en pause (45 min-~ 1.5 h siden mottar stimulering), start robot TMS motor kartlegging (trinn 2.3-2.5.8).
      Merk: alle deltakere fikk samme antall minutter for pauser mellom testene.
    2. Etter 6-uker, inviterer deltakerne til å returnere og utføre PPT uten å få noen ikke-invasiv hjernen stimulering (trinn 3,2 etterfulgt av robot TMS motor kartlegging (trinn 2.5.8)).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved hjelp av metodene som presenteres her, fullførte vi en randomisert, humbug-kontrollerte interventional prøve8. Høyrehendt barn (n = 24, i alderen 12-18) uten kontraindikasjoner for begge typer av ikke-invasiv hjerne stimulering ble rekruttert. Deltakerne ble spesielt ekskludert i denne studien hvis på neuropsychotropic medisinering eller om de ikke var naiv til tDCS. Det var ingen utfall.

Roboter TMS motor kart ble innhentet for å erverve en Baseline motor kart og å tjene som en potensiell mekanisme for å overvåke neuroplastic og kortikale excitability endringer etter motor læring sammen med ikke-invasiv hjernen stimulering. Ved hjelp av metodene beskrevet ovenfor, fikk alle deltakerne tre robot TMS motor kart, 1) Baseline før ikke-invasiv hjerne stimulering (humbug, tDCS eller HD-tDCS), 2) dag 5 (post), og 3) på 6-ukers oppfølging (oppbevaringstid). Alle deltakerne fikk bihemispheric motor kartlegging (3 deltakere fikk rett hemispheric motor kartlegging bare på grunn av tidspress). Motor kart ble gjennomført i gjennomsnitt i 18 min for ensidige motor kart og 36 min for bihemispheric kartlegging. Motor kartområdet, volum, hotspot, og COG ble beregnet og sammenlignet på individ-og gruppenivå. I vår første motor kart analyse, motor kartområde og volum endret ikke vesentlig etter intervensjon. I vår sekundære analyse resulterte måling av submaksimal proporsjoner av kart areal og volum i betydelig mindre varians (p < 0,05).

Alle deltakerne fikk en av tre ikke-invasiv hjerne stimulering intervensjoner for en varighet på 20 min (1 mA) i fem påfølgende dager. Vi viste at tDCS og HD-tDCS forbedre frekvensen av læring (antall plugger/dag) (tDCS p = 0.042, HD-tDCS p = 0.049) over 5 dager med trening. De aktive gruppene for intervensjon (tDCS og HD-tDCS) hadde større forbedringer i gjennomsnittlig venstre PPT-poengsum (PPTL) på dag 4 og 5 sammenlignet med humbug (dag 4 p ≤ 0.043, dag 5 p ≤ 0,05) (Figur 3). Den aktive intervensjon gruppene beholdt sin motoriske ferdigheter (på PPT) på 6-ukers post-trening. Men det var betydelig dyktighet forfall i humbug gruppen fra post-trening til 6-ukers oppfølging (p = 0.034). Denne metodikken har blitt kopiert fra en tidligere studie21 og datasettene ble kombinert (Figur 4). Rep like Rings dataene viste lignende resultater. Det var en betydelig økning i frekvensen av læring observert i tDCS og HD-tDCS gruppe i forhold til humbug gruppen (tDCS p = 0,001, HD-tDCS p = 0,012).

Figure 1
Figur 1: prøve protokollen. TOS = Purdue oppbevaringstavle test, TMS = TMS motor kartlegging tDCS = Transkraniell direkte strøm stimulering, HD-tDCS = høy-definitorisk tDCS. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: et eksempel på et motor kart fra TMS. Top visning av venstre FDI motor kart (A) pre og (B) post HD-tDCS intervensjon. Røde Kors indikerer hotspot, blå kryss indikerer COG. Fargelinjen indikerer omfanget av MEP fra 0-2 mV. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: motor læring observert i humbug, tDCS og HD-tDCS grupper. Dette tallet har blitt publisert på nytt fra Cole & Giuffre et al. 2018. (A) betyr daglig endring i venstre hånd Purdue oppbevaringstavle score fra Baseline i humbug (hvite trekanter), tDCS (grå sirkler), og HD-tDCS (svart sirkler), (n = 24). (B) daglig bety score på hver gang PUNKTET av PPTL. * p < 0,05 for tDCS vs humbug, # p < 0,05 for HD-tDCS vs humbug. Feilfelt angir standard feil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: replikering av metoder kombinert PPTL datasett for 3 dager med trening. Dette tallet har blitt publisert på nytt fra Cole &Amp; Giuffre et al. 2018). (A) læring kurver for humbug (hvite trekanter, n = 14), tDCS (Gray sirkler, n = 14), og HD-tDCS (svart sirkler, n = 8) grupper. (B) betyr daglig læring for humbug, tDCS, og HD-tDCS fra de kombinerte studiene. Feilfelt angir standard feil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

TMS har også blitt undersøkt i kliniske pediatric populasjoner, inkludert Perinatal slag22 og cerebral parese, der TMS motor Maps ble opprettet i barn med cerebral parese å utforske mekanismer for interventional plastisitet. Ved hjelp av en etablert protokoll8, ble TMS motor kart vellykket samlet inn i vanligvis utvikle barn, og blir for tiden samlet i en pågående multisenter klinisk studie for barn med Perinatal hjerneslag og hemiplegisk cerebral parese ( NCT03216837). Beskrive TMS motor kartlegging metoder vil tillate replikering og videre anvendelser av protokoller i friske barn og barn med bevegelsesforstyrrelser.

Robotic motor Mapping forbedrer TMS coil plassering nøyaktighet og reduserer menneskelige feil i forhold til manuelle teknikker23,24. Denne teknikken er mer fordelaktig for pediatric populasjoner som har økt hodebevegelser og lavere toleranse for lange økter12. Selv om motor kartlegging ved hjelp av en TMS robot har blitt rapportert hos voksne, er vår gruppe den første til å bruke denne teknikken i en pediatric befolkningen. Ny motor kartlegging metoder som bruker statistisk vekting og interpolering25,26 kan brukes til å redusere oppkjøpet tid hvis kombinert med Robotic TMS. Som sådan, metoder bør bli ytterligere utforsket i utviklingsland hjernen.

Vi skisserer en konsis tilnærming til å anvende tDCS, HD-tDCS, og TMS i en sunn pediatric befolkningen. Det finnes en rekke kritiske trinn for å vurdere i anvendelsen av ikke-invasiv hjernen stimulering hos barn. Det er avgjørende at barn og/eller deres foreldre bekrefter at deltakeren ikke har kontraindikasjoner for ikke-invasiv hjerne stimulering. Det er viktig for deltakerne å føle seg komfortabel og trygg. Oppfordre deltakerne til å stille spørsmål gjennom hele økten, da det er nødvendig å kontinuerlig innhente tilbakemeldinger gjennom hele økten, spesielt i en pediatrisk populasjon. I tillegg er det viktig å inspisere kvaliteten på elektrodene og kvaliteten på deltakernes hodebunn, da dette utelukker sikker bruk av tDCS. Det er viktig å ha riktig anodal montasje, gjeldende intensitet, og varigheten av stimulering valgt på maskinen før stimulering. Det er spesielle hensyn for konvensjonelle tDCS og HD-tDCS. I HD-tDCS er det avgjørende å rotere elektroden som er valgt til å være i sentrum anodal posisjon med de omkringliggende elektrodene for å redusere mengden av elektrode sammenbrudd. Det er viktig å ha riktig tilkobling av kablene til de anodal og cathodal portene på 1x1 tDCS-maskin i konvensjonelle tDCS for å muliggjøre riktig polaritet. Tidligere litteratur har vist viktigheten av å bruke saltoppløsning for å forbedre toleransen av stimulering27. Den vanligste følelsen beskrevet i vår studie var kløe (56%)14. Vi har rapportert ingen bivirkninger i befolkningen vår ved hjelp av våre metoder beskrevet12,14.

Det finnes en rekke forskjellige modifikasjoner for å gjøre når perfeksjonere anvendelsen av tDCS og HD-tDCS. Det er viktig å ha god kontakt kvalitet for å redusere motstanden i strømmen over hodebunnen. Hvis kontakt kvaliteten er dårlig, kan mer saltoppløsning brukes til å redusere motstanden i konvensjonelle tDCS. Det er imidlertid viktig å først sørge for at god elektrode kontakt med hodebunnen er til stede. I HD-tDCS er det viktig at hodebunnen blir utsatt for å gi bedre kvalitet på elektroden. Hair kan trenge å bli ytterligere børstet ut av veien og mer elektrode gel påføres for å forbedre kontakt kvaliteten. Kontroller at kontakt kvaliteten overvåkes kontinuerlig gjennom hele økten.

Nåværende modellerings studier har foreslått en forskjell i dagens styrke oppleves på tvers av aldersgrupper avhengig av hvit materie og CSF volum10,11. En begrensning av denne metoden er at vi ikke utfører potensielle nåværende modellering på hver deltaker for å bruke en nåværende styrke som ville indusere sammenlignbare neuronal elektrisk feltstyrke på tvers av deltakerne.

Denne metoden er et viktig neste trinn i anvendelsen av ikke-invasiv hjernen stimulering i Pediatrics. Vi har utvidet vår trening periode fra tre dager til fem dager og observert lignende forbedringer i dyktighet. HD-tDCS har bare vært brukt i en pediatric befolkningen ved hjelp av vår metode, og vi har vist at det er lignende motoriske ferdigheter læring til konvensjonelle tDCS. HD-tDCS induserer en mer fokal strøm, bedre målretting og underforstått28. Metodene som er beskrevet i dette dokumentet vil muliggjøre replikering og videre studier av HS-tDCS hos barn.

Disse metodene blir nå utvidet til en Perinatal strøk populasjon. TDCS og HD-tDCS-protokollen er tilpasset denne populasjonen og treningstiden har blitt utvidet til å videreutvikle kliniske studier i Perinatal slag. Det er avgjørende å optimalisere anvendelsen av tDCS i Pediatrics å fremme terapeutisk anvendelse hos barn med Perinatal slag og dermed forbedre motorisk funksjon utfall. For TMS-motor kartlegging er det viktig å sørge for at deltakeren sitter godt på plass, med armene og hendene i en avslappet posisjon. Etter full motor kartlegging økt, bare 15% av deltakerne opplevde mild selv-begrensende hodepine.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen avsløringer.

Acknowledgments

Denne studien ble støttet av 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/

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

Nevrovitenskap tDCS HD-tDCS TMS motor læring ikke-invasiv hjernen stimulering utviklingsmessige neuroplasticity nevrofysiologi motor kartlegging Pediatrics
Ikke-invasiv modulering og Robotic kartlegging av motor cortex i utviklingsland Brain
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