Summary

Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn

Published: July 01, 2019
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Summary

Wir demonstrieren Protokolle für die Modulation (tDCS, HD-tDCS) und Mapping (Robotik TMS) des Motorkortex bei Kindern.

Abstract

Die Kartierung des motorischen Kortex mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) hat das Potenzial, die Physiologie und Plastizität des Motorkortex zu hinterfragt, birgt aber einzigartige Herausforderungen bei Kindern. In ähnlicher Weise kann die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) das motorische Lernen bei Erwachsenen verbessern, wurde aber erst vor kurzem auf Kinder angewendet. Der Einsatz von tDCS und neu entstehenden Techniken wie High-Definition tDCS (HD-tDCS) erfordern besondere methodische Überlegungen im sich entwickelnden Gehirn. Die Robotik-TMS-Motorkartierung kann einzigartige Vorteile für die Kartierung bieten, insbesondere im sich entwickelnden Gehirn. Hier wollen wir einen praktischen, standardisierten Ansatz für zwei integrierte Methoden bieten, die in der Lage sind, gleichzeitig motorische Kortexmodulation und Motorkarten bei Kindern zu erforschen. Zunächst beschreiben wir ein Protokoll für die Robotik-TMS-Motorzuordnung. Individualisierte, MRT-navigierte 12×12-Gitter, die auf dem Motorkortex zentriert sind, führen einen Roboter zur Verwaltung von Einpuls-TMS. Mittlere motorisch evozierte Potential (MEP) Amplituden pro Rasterpunkt werden verwendet, um 3D-Motorkarten einzelner Handmuskeln mit Ergebnissen wie Kartenbereich, Volumen und Schwerpunkt zu generieren. Werkzeuge zur Messung der Sicherheit und Verträglichkeit beider Methoden sind ebenfalls enthalten. Zweitens beschreiben wir die Anwendung von tDCS und HD-tDCS, um den Motorkortex und das Motorlernen zu modulieren. Ein experimentelles Trainingsparadigma und Beispielergebnisse werden beschrieben. Diese Methoden werden die Anwendung der nicht-invasiven Hirnstimulation bei Kindern voranbringen.

Introduction

Nicht-invasive Hirnstimulation kann sowohl die menschliche Gehirnfunktion messen als auch modulieren1,2. Das häufigste Ziel war der motorische Kortex, was zum Teil auf eine sofortige und messbare biologische Leistung (motorisch evozierte Potenziale) zurückzuführen ist, aber auch auf die hohe Prävalenz neurologischer Erkrankungen, die zu Funktionsstörungen und Behinderungen des Motorsystems führen. Diese große globale Krankheitslast umfasst einen hohen Anteil von Erkrankungen, von denen Kinder betroffen sind, wie z. B. zerebrale Lähmung, die Hauptursache für lebenslange Behinderungen, von denen weltweit etwa 17 Millionen Menschen betroffensind 3. Trotz dieser klinischen Relevanz und der vielfältigen und zunehmenden Kapazitäten von Neurostimulationstechnologien beginnen Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn erst zu definieren4. Eine verbesserte Charakterisierung bestehender und neu auftretender nicht-invasiver Hirnstimulationsmethoden bei Kindern ist erforderlich, um Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn voranzubringen.

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein etabliertes neurophysiologisches Werkzeug, das zunehmend für sein nicht-invasives, schmerzloses, gut verträgliches und Sicherheitsprofil bei Erwachsenen eingesetzt wird. Die TMS-Erfahrung bei Kindern ist relativ begrenzt, nimmt aber stetig zu. TMS liefert Magnetfelder, um die regionale Aktivierung kortikaler neuronaler Populationen im Gehirn mit Nettoausgängen zu in Zielmuskelmotor evozierten Potentialen (MEP) zu induzieren. Die systematische Anwendung von Single-Pulse TMS kann Karten des Motorkortex in vivo definieren. Seminale Tierstudien5 und neu entstehende humane TMS-Studien6 haben gezeigt, wie motorische Karten helfen können, Mechanismen der kortikalen Neuroplastizität zu informieren. Navid Motor Mapping ist eine TMS-Technik, die verwendet wird, um den menschlichen Motorkortex zu kartieren, um funktionelle kortikale Regionen abzuhören. Änderungen in der Motorkarte wurden mit plastischen Veränderungen des menschlichen Motorsystems in Verbindung gebracht7. Jüngste Fortschritte in der Robotik-TMS-Technologie haben neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz und Genauigkeit von Motormappings gebracht. Unsere Gruppe hat vor kurzem gezeigt, dass Robotik TMS Motor Mapping ist machbar, effizient und gut verträglich bei Kindern8.

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine Form der nicht-invasiven Hirnstimulation, die die kortikale Erregbarkeit verschieben und menschliches Verhalten modulieren kann. Es gab eine Vielzahl von Studien, die die Wirkung von tDCS bei Erwachsenen untersuchten (>10.000 Probanden), aber weniger als 2% der Studien haben sich auf das sich entwickelnde Gehirn konzentriert9. Die Übersetzung von Erwachsenennachweisen in pädiatrische Anwendungen ist komplex, und aufgrund komplexer Unterschiede bei Kindern sind modifizierte Protokolle erforderlich. Zum Beispiel haben wir und andere gezeigt, dass Kinder größere und stärkere elektrische Felder im Vergleich zu Erwachsenen10,11erleben. Die Standardisierung von tDCS-Methoden in untergeordneten Kindern ist wichtig, um eine sichere und konsistente Anwendung zu gewährleisten, die Replikation zu verbessern und das Feld voranzubringen. Die Erfahrungen mit der motorischen Lernmodulation tDCS bei Kindern sind begrenzt, nehmen aber um12zu. Translationale Anwendungen von tDCS auf spezifische zerebrale Lähmungspopulationen bewegen sich in Richtung klinischer Spätphasenstudien13. Die Bemühungen um eine fokalere Stimulation durch High-Definition tDCS (HD-tDCS) wurden erst zum ersten Mal bei Kindern14untersucht. Wir haben gezeigt, dass HD-tDCS ähnliche Verbesserungen im motorischen Lernen hervorbringt wie herkömmliche tDCS bei gesunden Kindern14. Die Beschreibung von HD-tDCS-Methoden ermöglicht die Replikation und weitere Anwendungen solcher Protokolle bei untergeordneten Daten.

Protocol

Alle in diesem Protokoll beschriebenen Methoden wurden von der Conjoint Health Research Ethics Board, University of Calgary (REB16-2474) zugelassen. Das Protokoll wird in Abbildung 1beschrieben. 1. Nichtinvasive Hirnstimulationskontraindikationen Prüfen Sie alle Teilnehmer vor der Einstellung auf Kontraindikationen für TMS15 und tDCS 1. 2. Transkranielle magnetische Stimulation Motor Mapping <ol…

Representative Results

Mit den hier vorgestellten Methoden haben wir eine randomisierte, scheingesteuerte Interventionelle Studie8abgeschlossen. Rechtshänder (n = 24, 12-18 Jahre) ohne Kontraindikationen für beide Arten der nichtinvasiven Hirnstimulation wurden rekrutiert. Die Teilnehmer wurden in dieser Studie ausdrücklich ausgeschlossen, wenn auf neuropsychotrope Medikamente oder wenn sie nicht naiv zu tDCS waren. Es gab keine Aussteiger. <p class="jove_content" fo:keep-together…

Discussion

TMS wurde auch in klinischen pädiatrischen Populationen erforscht, einschließlich perinataler Schlaganfall22 und Zerebralparese, wo TMS Motorkarten erfolgreich bei Kindern mit zerebraler Lähmung erstellt wurden, um Mechanismen der interventionellen Plastizität zu erforschen. Mit Hilfe eines etablierten Protokolls8wurden TMS-Motorkarten erfolgreich bei typischerweise entwickelnden Kindern gesammelt und werden derzeit in einer laufenden multizentrischen klinischen Studie …

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde von den Canadian Institutes of Health Research unterstützt.

Materials

1×1 SMARTscan Stimulator Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/1×1/tdcs/device
4×1 HD-tDCS Adaptor Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4×1
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/1×1/accessories/carbon-ruber-electrode
EASYpad Electrode Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/1×1/accessories/1×1-easypad
EASYstraps Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/1×1/accessories/1×1-easystrap
EMG Amplifier Bortec Biomedical http://www.bortec.ca/pages/amt_16.htm
HD1 Electrode Holder Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd1-holder Standard Base HD-Electrode Holder for High Definition tES (HD-tES)
HD-Electrode Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-electrode Sintered ring HD-Electrode.
HD-Gel Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-gel HD-GEL for High Definition tES (HD-tES)
Micro 1401 Data Acquisition System Cambridge Electronics http://ced.co.uk/products/mic3in
Purdue Pegboard Lafayette Instrument Company
Saline solution Baxter http://www.baxter.ca/en/products-expertise/iv-solutions-premixed-drugs/products/iv-solutions.page
Soterix Medical HD-Cap Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-cap
TMS Robot Axilium Robotics http://www.axilumrobotics.com/en/
TMS Stimulator and Coil Magstim Inc https://www.magstim.com/neuromodulation/

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Giuffre, A., Cole, L., Kuo, H., 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).

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