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

Nicht-invasive Hirnstimulation kann sowohl die menschliche Gehirnfunktion messen als auch modulieren^1,2. 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 betroffen^{sind 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 Erwachsenen^10,11erleben. 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.