אפנון לא פולשני ומיפוי רובוטי של קליפת מנוע במוח המתפתח
Summary
אנו מדגימים פרוטוקולים עבור אפנון (tDCS, HD-tDCS) ומיפוי (רובוטית TMS) של קליפת המנוע אצל ילדים.
Abstract
מיפוי קליפת המוח עם גירוי מגנטי transcranial (TMS) יש פוטנציאל לחקור את הפיזיולוגיה המעטפת המוטורית ופלסטיות אך נושאת אתגרים ייחודיים אצל ילדים. באופן דומה, transcranial ישיר גירוי הנוכחי (tDCS) יכול לשפר למידה מוטורית אצל מבוגרים אבל רק לאחרונה הוחל על ילדים. השימוש ב-tDCS ובטכניקות המתעוררים כגון tDCS בהבחנה גבוהה (HD-tDCS) מחייבים שיקולים מתודולוגיים מיוחדים במוח המתפתח. מיפוי רובוטי TMS מוטורי עשוי להעניק יתרונות ייחודיים למיפוי, במיוחד במוח המתפתח. כאן, אנו שואפים לספק גישה מעשית, סטנדרטית עבור שתי שיטות משולבות מסוגל במקביל לחקור אפנון קליפת מנוע ומפות מנוע אצל ילדים. ראשית, אנו מתארים פרוטוקול עבור מיפוי רובוטי TMS מוטוריים. אישית, MRI-נווט 12×12 רשתות ממורכז על מדריך קליפת המוח רובוט לנהל את הדופק בודד TMS. מתכוון פוטנציאל המנוע מעורר (MEP) המוני לנקודת הרשת משמשים כדי ליצור מפות מנוע תלת-ממד של שרירי היד בודדים עם תוצאות כולל אזור המפה, נפח, ומרכז של כוח הכבידה. כלים למדידת בטיחות וסבילות של שתי השיטות כלולים גם כן. שנית, אנו מתארים את היישום של שני tDCS ו-HD-tDCS לווסת את קליפת מנוע ולמידה מוטורית. פרדיגמה של הדרכה ניסיונית ותוצאות מדגם מתוארות. שיטות אלה יקדם את היישום של גירוי מוחי לא פולשני אצל ילדים.
Introduction
גירוי מוחי לא פולשני יכול למדוד ולווסת את תפקוד המוח האנושי1,2. המטרה השכיחה ביותר היתה קליפת המנוע, בשל חלק לפלט ביולוגי מיידי ומדידה (מנוע מעורר פוטנציאל) אבל גם את השכיחות הגבוהה של מחלות נוירולוגיות וכתוצאה מערכת תפקוד מוטורי ונכות. זה נטל גלובלי גדול של מחלות כולל שיעור גבוה של תנאים המשפיעים על ילדים כגון שיתוק מוחין, הגורם המוביל של נכות לכל החיים המשפיעים על כמה 17,000,000 אנשים ברחבי העולם3. למרות הרלוונטיות הקלינית הזאת והיכולות המגוונות והגדלות של הטכנולוגיות הנוירוגירויים, יישומים במוח המתפתח רק מתחילים להיות מוגדרים4. אפיון משופר של שיטות הגירוי המוחי הקיימות והמתעוררים בילדים נדרשים לקדם את היישומים במוח המתפתח.
גירוי מגנטי Transcranial (TMS) הוא כלי מבוסס נוירופיסיולוגי המשמש יותר ויותר בשימוש בפרופיל הלא פולשני, כאבים, נסבל היטב ובטיחות בקרב מבוגרים. חוויית TMS אצל ילדים היא מוגבלת יחסית, אך בהתמדה הולך. TMS מספק שדות מגנטיים כדי לגרום הפעלה אזורית של אוכלוסיות נוירואליות במוח עם יציאות net המשתקף מנוע שריר היעד מעורר פוטנציאל (MEP). יישום שיטתי של פעימה בודדת TMS יכול להגדיר מפות של קליפת המנוע בvivo. מחקרים בעלי חיים הזרע5 והמתעוררים TMS מחקרים האדם6 הראו כיצד מפות מנוע עשוי לסייע ליידע מנגנונים של נוירופלסטיטיות הקורטיקלית. מיפוי מנוע ניוואל הוא טכניקה TMS המשמש כדי למפות את קליפת המוח האנושי לחקור אזורים קורטיקלית פונקציונלי. שינויים במפת המנוע שויך שינויים פלסטיים של מערכת המנוע האנושי7. הפיתוחים האחרונים בטכנולוגיה TMS רובוטית הביאו הזדמנויות חדשות כדי לשפר את יעילות מיפוי מנוע ודיוק. הקבוצה שלנו לאחרונה הוכיחה כי מיפוי רובוטי TMS מוטוריים הוא אפשרי, יעיל, ונסבל היטב אצל ילדים8.
Transcranial ישירה הגירוי הנוכחי (tDCS) היא צורה של גירוי מוחי פולשני שיכול לנוע באופן מרגש ולווסת את התנהגויות אנושיות. יש כבר המון מחקרים לבחון את ההשפעה של tDCS בוגרים (> 10000 נושאים) אבל פחות 2% מחקרים התמקדו המוח המתפתח9. תרגום של ראיות מבוגרות ליישומי רפואת ילדים הוא מורכב, ופרוטוקולים שהשתנו נחוצים עקב הבדלים מורכבים אצל ילדים. לדוגמה, אנחנו ואחרים הצגנו שילדים חווים שדות חשמל גדולים וחזקים יותר לעומת מבוגרים10,11. סטנדרטיזציה של שיטות tDCS בילדים חשוב להבטיח יישום בטוח ועקבי, לשפר את השכפול ולקדם את השדה. ניסיון של אפנון למידה מוטורית של tDCS אצל ילדים הוא מוגבל אך הגדלת12. יישומים טרנסלtional של tDCS לאוכלוסיות שיתוק מוחין ספציפי מתקדמים לעבר ניסויים קליניים בשלב מאוחר13. המאמצים לגירוי ממוקד יותר להחיל דרך tDCS בהבחנה גבוהה (HD-tDCS) רק רק נחקרו בפעם הראשונה ילדים14. הדגמנו כי HD-tDCS מייצרת שיפורים דומים בלמידה מוטורית כמו tDCS קונבנציונאלי בילדים בריאים14. המתארת שיטות HD-tDCS יאפשרו שכפול ויישומים נוספים של פרוטוקולים כאלה בילדים.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS גם נחקרו באוכלוסיות של ילדים קליניים, כולל שבץ מוחי22 ושיתוק מוחין, שבו TMS מפות מוטוריים נוצרו בהצלחה אצל ילדים עם שיתוק מוחין לחקור מנגנונים של פלסטיות התערבותית. באמצעות פרוטוקול מבוסס8, מפות מוטוריות TMS נאספו בהצלחה בדרך כלל הילדים בפיתוח, וכרגע נאספים בתוך מב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי המכונים הקנדיים לחקר הבריאות.
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).
