Gelişmekte olan beyin motor Cortex non-Invaziv modülasyon ve robotik haritalama
Summary
Çocuklarda motor korteksinin modülasyon (DCS, HD-tDCS) ve haritalama (robotik TMS) için protokoller gösteriyoruz.
Abstract
Transkraniyal Manyetik stimülasyon ile motor korteks haritalama (TMS) motor korteks Fizyoloji ve plastisite sorgulama potansiyeli vardır ama çocuklarda benzersiz zorluklar taşır. Benzer şekilde, Transkraniyal doğrudan akım stimülasyon (tDCS) yetişkinlerde motor öğrenimini artırabilir, ancak çocuklara son zamanlarda uygulanabilmektedir. DCS kullanımı ve yüksek çözünürlüklü DCS (HD-DCS) gibi ortaya çıkan teknikler, gelişmekte olan beyinde özel metodolojik hususlar gerektirir. Robotik TMS motor haritalama özellikle gelişmekte olan beyinde, haritalama için benzersiz avantajlar gösterebilir. Burada, çocuklarda motor korteks modülasyonu ve motor haritalarını aynı anda keşfedebilebilen iki entegre Yöntem için pratik ve standartlaştırılmış bir yaklaşım sağlamayı hedefliyoruz. İlk olarak, robotik TMS motor haritalama için bir protokol açıklanmaktadır. Bireyselleştirilmiş, MRI-Navigated 12×12 ızgaralar motor korteks rehberlik bir robot tek Pulse TMS yönetmek için merkezli. Ortalama motor uyarılmış potansiyel (MEP) ızgara noktası başına amplitüs harita alanı, hacim ve yerçekimi merkezi dahil sonuçları ile bireysel el kasları 3D motor haritaları oluşturmak için kullanılır. Her iki yöntemin de güvenliğini ve tolerabilirliğini ölçmek için araçlar da dahildir. İkinci olarak, motor korteks ve motor öğrenimini modüe etmek için hem DCS hem de HD-DCS uygulamasının uygulanması açıklanmaktadır. Deneysel bir eğitim paradigması ve örnek sonuçlar açıklanmıştır. Bu yöntemler çocuklarda non-invaziv beyin stimülasyon uygulanması ilerletmek olacaktır.
Introduction
Non-invaziv beyin stimülasyon hem ölçmek ve insan beyin fonksiyon modüle olabilir1,2. En yaygın hedef motor korteks olmuştur, kısmen hemen ve ölçülebilir biyolojik çıkış (motor uyarılmış potansiyeller) ama aynı zamanda motor sistemi disfonksiyon ve özürlülük sonuçlanan nörolojik hastalıkların yüksek prevalansı. Hastalığın bu büyük küresel yükü, serebral palsi gibi çocukları etkileyen koşullar yüksek bir oranını içerir, dünya çapında bazı 17.000.000 kişi etkileyen ömür boyu özürlü önde gelen nedeni3. Bu klinik alaka ve nörostimulasyon teknolojilerinin çeşitli ve artan kapasitelerine rağmen, gelişmekte olan beyindeki uygulamalar sadece4tanımlanmaya başlıyor. Çocuklarda mevcut ve ortaya çıkan non-invaziv beyin stimülasyon yöntemlerinin geliştirilmiş karakterizasyonu gelişmekte olan beyindeki uygulamaları ilerletmek için gereklidir.
Transkraniyal Manyetik stimülasyon (TMS), yetişkinlerde non-invaziv, ağrısız, iyi tolere edilmiş ve güvenlik profili için giderek kullanılan iyi kurulmuş bir nörofizyolojik araçtır. Çocuklarda TMS deneyimi nispeten sınırlıdır ama sürekli artmaktadır. TMS, hedef kas motoru uyarılmış potansiyelleri (MEP) yansıyan net çıkışlar ile beyinde kortikal nöronal nüfus bölgesel aktivasyonunu teşvik etmek için manyetik alanlar sunar. Tek nabız TMS sistematik uygulama içinde vivo motor korteks haritaları tanımlayabilir. Seminal hayvan çalışmaları5 ve gelişen insan TMS çalışmaları6 motor haritaları kortikal Nöroplastisite mekanizmaları bilgilendirmek nasıl yardımcı olabilir göstermiştir. Navigated motor haritalama fonksiyonel kortikal bölgeleri sorgulamak için insan motor korteks dışarı eşlemek için kullanılan bir TMS tekniktir. Motor haritasındaki değişiklikler insan motoru sistemi7‘ nin plastik değişikliklerle ilişkilidir. Robotik TMS teknolojisindeki son gelişmeler, motor haritalama verimliliğini ve doğruluğunu iyileştirmek için yeni fırsatlar getirdi. Grubumuz son zamanlarda robotik TMS motor eşlemesinin uygun, verimli ve8çocuklarda iyi tolere edildiğini göstermiştir.
Transkraniyal doğrudan akım stimülasyon (tDCS), kortikal uyarılabilirliği kaydırabilir ve insan davranışlarını modülasyona neden olmayan invaziv beyin stimülasyon biçimidir. Orada (> 10000 konular) yetişkinlerde tDCS etkisini inceleyerek çalışmalar çok sayıda olmuştur ama daha az% 2 çalışmalar gelişmekte olan beyin üzerinde duruldu9. Yetişkin kanıtların Pediatri uygulamalarına çevirisi karmaşıktır ve çocuklarda karmaşık farklılıklar nedeniyle değiştirilmiş protokoller gereklidir. Örneğin, biz ve diğerleri yetişkinler10,11ile karşılaştırıldığında daha büyük ve daha güçlü elektrik alanları tecrübe göstermiştir. Çocuklarda tDCS yöntemlerinin standardizasyonu, güvenli ve tutarlı uygulama sağlamak, çoğaltmayı iyileştirmek ve alanı ilerletmek için önemlidir. Motor öğrenme modülasyonuyla ilgili deneyimler çocuklar için sınırlıdır, ancak12artar. TDCS ‘in belirli serebral palsi nüfuslarına translasyonel uygulamaları geç faz klinik çalışmalarda13‘ e doğru ilerliyorlar. Yüksek çözünürlüklü DCS (HD-DCS) ile uygulanan daha fazla fokal stimülasyon çabaları sadece14yaşındaki çocuklarda ilk kez incelenmiştir. Biz HD-tDCS Sağlıklı çocuklarda geleneksel DCS olarak motor öğrenme benzer iyileştirmeler ürettiğini göstermiştir14. HD-tDCS yöntemlerinin tanımlanması, çocuklarda bu tür protokollerin çoğaltılmasını ve daha fazla uygulamalarını sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS aynı zamanda, perinatal inme22 ve serebral palsi de dahil olmak üzere klinik Pediatrik nüfus, incelenmiştir, TMS motor haritaları başarıyla girişimsel plastisite mekanizmaları keşfetmek için serebral palsi olan çocuklarda oluşturuldu. Kurulan bir protokol8‘ i kullanarak, TMS motor haritaları genellikle gelişen çocuklarda başarıyla toplandı ve şu anda perinatal inme ve hemiplegik serebral palsi olan çocuklar için devam eden çok merkezli klinik dene…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışmada Kanada Sağlık Araştırmaları Enstitüleri tarafından destekleniyordu.
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).
