تعديل غير الغازية ورسم الخرائط الروبوتية من القشرة الحركية في الدماغ النامية
Summary
نقوم بشرح بروتوكولات التشكيل (tDCS, HD-tDCS) ورسم الخرائط (TMS الروبوتية) من القشرة الحركية في الأطفال.
Abstract
رسم خرائط القشرة الحركية مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) لديه القدرة على استجواب علم وظائف الأعضاء القشرة الحركية واللدونة ولكن يحمل تحديات فريدة من نوعها في الأطفال. وبالمثل، يمكن للتحفيز الحالي المباشر عبر الجمجمة (tDCS) تحسين التعلم الحركي لدى البالغين ولكن لم يطبق إلا مؤخراً على الأطفال. يتطلب استخدام tDCS والتقنيات الناشئة مثل tDCS عالية الوضوح (HD-tDCS) اعتبارات منهجية خاصة في الدماغ النامي. قد يمنح رسم الخرائط الحركية الروبوتية TMS مزايا فريدة لرسم الخرائط، لا سيما في الدماغ النامي. هنا، ونحن نهدف إلى توفير نهج عملي وموحد لطريقتين متكاملتين قادرة على استكشاف في وقت واحد تعديل القشرة الحركية وخرائط المحرك في الأطفال. أولا، نحن نصف بروتوكول لرسم الخرائط الآلية TMS المحرك. شبكات 12×12 الفردية، التي تنقلها التصوير بالرنين المغناطيسي 12×12 التي تركز على القشرة الحركية توجه الروبوت لإدارة TMS أحادي ة النبض. يتم استخدام السعة المحتملة (MEP) (MEP) المتوسطة لكل نقطة شبكة لتوليد خرائط محرك ثلاثية الأبعاد لعضلات اليد الفردية مع نتائج بما في ذلك منطقة الخريطة، وحجم، ومركز الجاذبية. كما يتم تضمين أدوات لقياس سلامة ومقبولية كلتا الطريقتين. ثانيا، نحن نصف تطبيق كل من tDCS وHD-tDCS لتعديل القشرة الحركية والتعلم الحركي. ويرد وصف لنموذج التدريب التجريبي ونتائج العينات. هذه الأساليب سوف تقدم تطبيق تحفيز الدماغ غير الغازية في الأطفال.
Introduction
تحفيز الدماغ غير الغازية يمكن قياس وتعديل وظيفة الدماغ البشري1،2. وكان الهدف الأكثر شيوعا هو القشرة الحركية، ويرجع ذلك جزئيا إلى إنتاج بيولوجي فوري وقابل للقياس (الإمكانات الحركية التي أثارتها) ولكن أيضا ارتفاع انتشار الأمراض العصبية مما أدى إلى اختلال وظائف النظام الحركي والإعاقة. ويشمل هذا العبء العالمي الكبير للمرض نسبة عالية من الظروف التي تؤثر على الأطفال مثل الشلل الدماغي، وهو السبب الرئيسي للإعاقة مدى الحياة التي تؤثر على نحو 17 مليون شخص في جميع أنحاء العالم3. على الرغم من هذه الأهمية السريرية والقدرات المتنوعة والمتزايدة من تقنيات التحفيز العصبي، والتطبيقات في الدماغ النامية بدأت فقط ليتم تعريفها4. تحسين توصيف أساليب تحفيز الدماغ غير الغازية القائمة والناشئة في الأطفال مطلوبة لتعزيز التطبيقات في الدماغ النامي.
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) هو أداة عصبية فسيولوجية راسخة تستخدم بشكل متزايد لملفها غير الغازية، غير مؤلم، جيد التحمل والسلامة في البالغين. وخبرة نظام إدارة النُسط في مجال الأطفال محدودة نسبياً ولكنها تتزايد باطراد. TMS يسلم المجالات المغناطيسية للحث على التنشيط الإقليمي للسكان الخلايا العصبية القشرية في الدماغ مع صافي النواتج تنعكس في محرك العضلات المستهدفة أثار الإمكانات (MEP). التطبيق المنهجي لنبض واحد TMS يمكن أن تحدد خرائط القشرة الحركية في الجسم الحي. وقد أظهرت الدراسات الحيوانية المنوية5 والدراسات البشرية الناشئة TMS6 كيف الخرائط الحركية قد تساعد على إعلام آليات اللدونة العصبية القشرية. رسم الخرائط الحركية التنقل هو تقنية TMS التي تستخدم لرسم خريطة القشرة الحركية البشرية لاستجواب المناطق القشرية الوظيفية. وقد ارتبطت التغييرات في خريطة المحرك معالتغيرات البلاستيكية في نظام السيارات البشرية 7. وقد جلبت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا TMS الروبوتية فرصا جديدة لتحسين كفاءة رسم الخرائط الحركية ودقتها. وقد أثبتت مجموعتنا مؤخرا أن رسم الخرائط الآلية TMS الروبوتيةهو ممكن وفعال، وجيد التحمل في الأطفال 8.
التحفيز الحالي المباشر عبر الجمجمة (tDCS) هو شكل من أشكال تحفيز الدماغ غير الغازية التي يمكن أن تحول الإثارة القشرية وتعديل السلوكيات البشرية. كان هناك العديد من الدراسات التي تدرس تأثير tDCS في البالغين (>10,000 المواضيع) ولكن أقل من 2% من الدراسات ركزت على الدماغ النامية9. ترجمة أدلة الكبار إلى تطبيقات طب الأطفال معقدة، وهناك حاجة إلى بروتوكولات معدلة بسبب الاختلافات المعقدة في الأطفال. على سبيل المثال، لقد أظهرنا نحن وآخرون أن الأطفال يعانون من مجالات كهربائية أكبر وأقوى مقارنة بالبالغين10و11. توحيد أساليب tDCS في الأطفال مهم لضمان التطبيق الآمن والمتسق، وتحسين النسخ المتماثل، والنهوض بالميدان. تجربة التعلم الحركي tDCS في الأطفال محدودة ولكن زيادة12. تطبيقات الترجمة من tDCS إلى مجموعات محددة من الشلل الدماغي تتقدم نحو مرحلة متأخرة التجارب السريرية13. الجهود الرامية إلى تحفيز أكثر تنسيقا تطبيقها من خلال عالية الوضوح tDCS (HD-tDCS) وقد درست فقط فقط لأول مرة في الأطفال14. أظهرنا أن HD-tDCS تنتج تحسينات مماثلة في التعلم الحركي كما tDCS التقليدية في الأطفال الأصحاء14. وصف أساليب HD-tDCS سيسمح النسخ المتماثل والتطبيقات الإضافية لهذه البروتوكولات في الأطفال.
Protocol
Representative Results
Discussion
كما تم استكشاف TMS في مجموعات الأطفال السريرية، بما في ذلك السكتة الدماغية في الفترة ما حول العين22 والشلل الدماغي، حيث تم إنشاء خرائط المحرك TMS بنجاح في الأطفال الذين يعانون من الشلل الدماغي لاستكشاف آليات اللدونة التدخلية. باستخدام بروتوكول8 المعمول به ، تم جمع خ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد حظيت هذه الدراسة بدعم المعاهد الكندية للبحوث الصحية.
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/ |
References
- Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1031-1048 (2016).
- 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).
- 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).
- Zewdie, E., Kirton, A. TMS Basics: Single and Paired Pulse Neurophysiology. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Grab, J. G., et al. Robotic TMS mapping of motor cortex in the developing brain. Journal of Neuroscience Methods. , (2018).
- Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimulation. 9 (5), 641-661 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kirton, A., et al. Transcranial direct current stimulation for children with perinatal stroke and hemiparesis. Neurology. 88 (3), 259-267 (2017).
- Cole, L., et al. Effects of High-Definition and Conventional Transcranial Direct-Current Stimulation on Motor Learning in Children. Front Neurosci. , (2018).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
- Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
- 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).
- Garvey, M. A., Mall, V. Transcranial magnetic stimulation in children. Clinical Neurophysiology. 119 (5), 973-984 (2008).
- 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).
- 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).
- Ciechanski, P., Kirton, A. Transcranial Direct-Current Stimulation Can Enhance Motor Learning in Children. Cerebral Cortex. 27 (5), 2758-2767 (2017).
- 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).
- 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).
- Grau, C., et al. Conscious brain-to-brain communication in humans using non-invasive technologies. PloS One. 9 (8), e105225 (2014).
- Julkunen, P. Methods for estimating cortical motor representation size and location in navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 232, 125-133 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
