Niet-invasieve modulatie en Robotic mapping van de motorische cortex in de ontwikkelende hersenen
Summary
We demonstreren protocollen voor de modulatie (tDCS, HD-tDCS) en mapping (Robotic TMS) van de motorische cortex bij kinderen.
Abstract
Het in kaart brengen van de motorische cortex met Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) heeft potentieel om motorische cortex fysiologie en plasticiteit te ondervragen, maar draagt unieke uitdagingen bij kinderen. Op dezelfde manier kan Transcraniële directe stroom stimulatie (tDCS) het motor leren bij volwassenen verbeteren, maar is pas recentelijk toegepast op kinderen. Het gebruik van tDCS en opkomende technieken zoals high-definition tDCS (HD-tDCS) vereisen speciale methodologische overwegingen in de ontwikkelende hersenen. Robotic TMS motor mapping kan unieke voordelen toekennen voor de mapping, met name in de ontwikkelende hersenen. Hier streven we naar een praktische, gestandaardiseerde aanpak voor twee geïntegreerde methoden die tegelijkertijd de motorische cortex-modulatie en motor kaarten bij kinderen kunnen onderzoeken. Eerst beschrijven we een protocol voor Robotic TMS motor mapping. Geïndividualiseerde, MRI-navigeerde 12 x 12 roosters gecentreerd op de motor cortex begeleiden een robot om single-Pulse TMS te beheren. Mean motor Evoked potentiaal (MEP) amplitudes per rasterpunt worden gebruikt om 3D-motor kaarten van individuele hand spieren te genereren met uitkomsten inclusief kaartgebied, volume en zwaartepunt. Hulpmiddelen voor het meten van de veiligheid en verdraagbaarheid van beide methoden zijn ook opgenomen. Ten tweede beschrijven we de toepassing van zowel tDCS als HD-tDCS om de motorische cortex en het motor leren te moduleren. Een experimenteel opleidings paradigma en voorbeeldresultaten worden beschreven. Deze methoden zal de toepassing van niet-invasieve hersenstimulatie bij kinderen te voorkomen.
Introduction
Niet-invasieve hersenstimulatie kan zowel meten als de menselijke hersenfunctie1,2moduleren. De meest voorkomende doel is de motorische cortex, deels te wijten aan een onmiddellijke en meetbare biologische output (motorische evoked potentials) maar ook de hoge prevalentie van neurologische aandoeningen resulterend in motorische systeem dysfunctie en invaliditeit. Deze grote mondiale ziektelast omvat een groot deel van de aandoeningen die kinderen zoals cerebrale parese treffen, de belangrijkste oorzaak van levenslange handicaps die ongeveer 17.000.000 personen wereldwijd beïnvloeden3. Ondanks deze klinische relevantie en de diverse en toenemende capaciteiten van neurostimulatie technologieën, toepassingen in de ontwikkelende hersenen zijn alleen beginnen te worden gedefinieerd4. Een verbeterde karakterisering van bestaande en opkomende niet-invasieve hersenstimulatie methoden bij kinderen is vereist om toepassingen in de ontwikkelende hersenen te stimuleren.
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een gevestigde neurofysiologische tool wordt steeds meer gebruikt voor zijn niet-invasieve, pijnloze, goed verdragen en veiligheidsprofiel bij volwassenen. TMS-ervaring bij kinderen is relatief beperkt, maar neemt gestaag toe. TMS levert magnetische velden voor het opwekken van regionale activering van corticale neuronale populaties in de hersenen met netto-uitgangen weerspiegeld in doel spier motor Evoked mogelijkheden (MEP). Systematische toepassing van single Pulse TMS kan kaarten van de motorische cortex in vivo definiëren. Seminal Animal studies5 en EMERGING Human TMS studies6 hebben laten zien hoe motorische kaarten kunnen helpen bij het informeren van mechanismen van corticale neuroplasticiteit. Navigeerde motor mapping is een TMS-techniek die wordt gebruikt om de menselijke motorische cortex in kaart te brengen om functionele corticale regio’s te ondervragen. Veranderingen in de motorkaart zijn in verband gebracht met plastic veranderingen van het Human motor System7. Recente ontwikkelingen in Robotic TMS-technologie hebben nieuwe mogelijkheden opgeleverd om de efficiëntie en nauwkeurigheid van motor kaarten te verbeteren. Onze groep heeft onlangs aangetoond dat Robotic TMS motor mapping haalbaar is, efficiënt en goed verdragen bij kinderen8.
Transcraniële directe stroom stimulatie (tDCS) is een vorm van niet-invasieve hersenstimulatie die corticale prikkelbaarheid kan verschuiven en menselijk gedrag moduleren. Er is een veelheid van studies onderzoeken van het effect van tDCS bij volwassenen (> 10000 onderwerpen) maar minder dan 2% van de studies hebben gericht op de ontwikkeling van de hersenen9. Vertaling van volwassen bewijs voor pediatrie toepassingen is complex, en gewijzigde protocollen zijn nodig als gevolg van complexe verschillen in kinderen. Wij en anderen hebben bijvoorbeeld laten zien dat kinderen grotere en sterkere elektrische velden ervaren in vergelijking met volwassenen10,11. Standaardisatie van tDCS-methoden bij kinderen is belangrijk om een veilige en consistente toepassing te garanderen, de replicatie te verbeteren en het veld verder te gaan. Ervaring van motorische leer modulatie tDCS bij kinderen is beperkt maar stijgt12. Translationele toepassingen van tDCS naar specifieke cerebrale parese populaties gaan vooruit op klinische proeven in de late fase13. Pogingen om meer focale stimulatie toe te passen via high-definition tDCS (HD-tDCS) zijn pas voor het eerst bestudeerd bij kinderen14. We hebben aangetoond dat HD-tDCS vergelijkbare verbeteringen in het motor onderwijs oplevert als conventionele tDCS bij gezonde kinderen14. Het beschrijven van de HD-tDCS-methoden maakt replicatie en verdere toepassingen van dergelijke protocollen bij kinderen mogelijk.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS is ook onderzocht in klinische pediatrische populaties, met inbegrip van perinatale beroerte22 en cerebrale parese, waar TMS motor kaarten met succes werden gemaakt bij kinderen met cerebrale parese om mechanismen van Interventionele plasticiteit te verkennen. Met behulp van een gevestigde protocol8, TMS motor kaarten werden succesvol verzameld in typisch ontwikkelende kinderen, en worden momenteel verzameld in een lopende multicenter klinische proef voor kinderen met p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gesteund door de Canadese instituten voor gezondheidsonderzoek.
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).
