Modulación no invasiva y mapeo robótico de la corteza motora en el cerebro en desarrollo
Summary
Demostramos protocolos para la modulación (tDCS, HD-tDCS) y mapeo (TMS robótico) de la corteza motora en niños.
Abstract
El mapeo de la corteza motora con estimulación magnética transcraneal (TMS) tiene potencial para interrogar la fisiología de la corteza motora y la plasticidad, pero conlleva desafíos únicos en los niños. Del mismo modo, la estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS) puede mejorar el aprendizaje motor en adultos, pero solo se ha aplicado recientemente a los niños. El uso de tDCS y técnicas emergentes como tDCS de alta definición (HD-tDCS) requieren consideraciones metodológicas especiales en el cerebro en desarrollo. El mapeo robótico del motor TMS puede conferir ventajas únicas para el mapeo, particularmente en el cerebro en desarrollo. Aquí, nuestro objetivo es proporcionar un enfoque práctico y estandarizado para dos métodos integrados capaces de explorar simultáneamente la modulación de la corteza motora y los mapas motores en niños. En primer lugar, describimos un protocolo para la cartografía robótica del motor TMS. Las rejillas de 12×12 que se navegan por RMN y navegadas por RMN centradas en la corteza motora guían a un robot para administrar TMS de un solo pulso. Las amplitudes medias del potencial evocada del motor (MEP) por punto de cuadrícula se utilizan para generar mapas de motores 3D de músculos individuales de la mano con resultados como el área del mapa, el volumen y el centro de gravedad. También se incluyen herramientas para medir la seguridad y la tolerabilidad de ambos métodos. En segundo lugar, describimos la aplicación de tDCS y HD-tDCS para modular la corteza motora y el aprendizaje motor. Se describe un paradigma de entrenamiento experimental y los resultados de la muestra. Estos métodos avanzarán la aplicación de estimulación cerebral no invasiva en niños.
Introduction
La estimulación cerebral no invasiva puede medir y modular la función cerebral humana1,2. El objetivo más común ha sido la corteza motora, debido en parte a una salida biológica inmediata y medible (potenciales evocados motores), pero también la alta prevalencia de enfermedades neurológicas que resultan en disfunción y discapacidad del sistema motor. Esta gran carga mundial de morbilidad incluye una alta proporción de afecciones que afectan a los niños, como la parálisis cerebral, la principal causa de discapacidad de por vida que afecta a unos 17 millones de personas en todo el mundo3. A pesar de esta relevancia clínica y de las diversas y crecientes capacidades de las tecnologías de neuroestimulación, las aplicaciones en el cerebro en desarrollo apenas están empezando a definirse4. Se requiere una mejor caracterización de los métodos de estimulación cerebral no invasivos existentes y emergentes en niños para avanzar en las aplicaciones en el cerebro en desarrollo.
La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una herramienta neurofisiológica bien establecida que se utiliza cada vez más por su perfil no invasivo, indoloro, bien tolerado y de seguridad en adultos. La experiencia de TMS en niños es relativamente limitada, pero aumenta constantemente. TMS proporciona campos magnéticos para inducir la activación regional de las poblaciones neuronales corticales en el cerebro con salidas netas reflejadas en potenciales evocados motores musculares objetivo (MEP). La aplicación sistemática de TMS de pulso único puede definir mapas de la corteza motora in vivo. Estudios en animales seminales5 y estudios humanos emergentes TMS6 han demostrado cómo los mapas motores pueden ayudar a informar los mecanismos de neuroplasticidad cortical. El mapeo motor navegado es una técnica TMS que se utiliza para mapear la corteza motora humana para interrogar las regiones corticales funcionales. Los cambios en el mapa del motor se han asociado con los cambios plásticos del sistema motor humano7. Los recientes avances en la tecnología robótica TMS han traído nuevas oportunidades para mejorar la eficiencia y precisión de la cartografía del motor. Nuestro grupo ha demostrado recientemente que la cartografía robótica del motor TMS es factible, eficiente y bien tolerada en niñosde 8años.
La estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS) es una forma de estimulación cerebral no invasiva que puede cambiar la excitabilidad cortical y modular los comportamientos humanos. Ha habido una multitud de estudios examinando el efecto del tDCS en adultos (>10.000 sujetos) pero menos del 2% de los estudios se han centrado en el cerebro en desarrollo9. La traducción de la evidencia de adultos a las aplicaciones pediátricas es compleja, y se necesitan protocolos modificados debido a diferencias complejas en los niños. Por ejemplo, nosotros y otros hemos demostrado que los niños experimentan campos eléctricos más grandes y fuertes en comparación con los adultos10,11. La estandarización de los métodos tDCS en children es importante para garantizar una aplicación segura y coherente, mejorar la replicación y avanzar en el campo. La experiencia de modulación de aprendizaje motor tDCS en niños es limitada, pero aumenta12. Las aplicaciones traslacionales de tDCS a poblaciones específicas de parálisis cerebral están avanzando hacia ensayos clínicos de fase tardía13. Los esfuerzos hacia una mayor estimulación focal aplicada a través de tDCS de alta definición (HD-tDCS) sólo se han estudiado por primera vez en niñosde 14años. Demostramos que HD-tDCS produce mejoras similares en el aprendizaje motor como el tDCS convencional en niños sanos14. La descripción de los métodos HD-tDCS permitirá la replicación y otras aplicaciones de dichos protocolos en niños.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS también se ha explorado en poblaciones pediátricas clínicas, incluyendo accidente cerebrovascular perinatal22 y parálisis cerebral, donde los mapas motores de TMS se crearon con éxito en niños con parálisis cerebral para explorar mecanismos de plasticidad intervencionista. Utilizando unprotocolo establecido 8, los mapas motores DE TMS se recopilaron con éxito en niños en desarrollo, y actualmente se están recopilando en un ensayo clínico multicéntrico en cur…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio fue apoyado por los Institutos Canadienses de Investigación Sanitaria.
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
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