Icke-invasiv modulering och robot kartläggning av motoriska cortex i hjärnans utveckling
Summary
Vi demonstrerar protokoll för modulering (tDCS, HD-tDCS) och kartläggning (Robotic TMS) av motoriska cortex hos barn.
Abstract
Kartläggning av motoriska cortex med transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har potential att förhöra motoriska cortex fysiologi och plasticitet men bär unika utmaningar hos barn. På samma sätt kan transkrala direkt ström stimulering (tDCS) förbättra motoriska inlärning hos vuxna men har bara nyligen tillämpats på barn. Användningen av tDCS och nya tekniker som High-Definition tDCS (HD-tDCS) kräver särskilda metodologiska överväganden i hjärnans utveckling. Robotic TMS motor kartläggning kan ge unika fördelar för kartläggning, särskilt i hjärnans utveckling. Här strävar vi efter att tillhandahålla en praktisk, standardiserad metod för två integrerade metoder som samtidigt kan utforska motoriska cortex-modulering och motor kartor hos barn. Först beskriver vi ett protokoll för Robotic TMS motor Mapping. Individualiserade, MRI-navigerade 12×12 rutnät centrerad på motoriska cortex guide en robot för att administrera Single-Pulse TMS. Medel motor framkallat potential (MEP) amplituder per rutnät punkt används för att generera 3D-motor kartor över enskilda hand muskler med resultat inklusive karta område, volym, och tyngdpunkten. Verktyg för att mäta säkerhet och tolerabilitet av båda metoderna ingår också. För det andra beskriver vi tillämpningen av både tDCS och HD-tDCS att modulera motoriska cortex och motoriska lärande. Ett experimentellt utbildnings paradigm och provresultat beskrivs. Dessa metoder kommer att främja tillämpningen av icke-invasiv hjärn stimulering hos barn.
Introduction
Icke-invasiv hjärnstimulering kan både mäta och modulera människans hjärnfunktion1,2. Det vanligaste målet har varit motoriska cortex, delvis på grund av en omedelbar och mätbar biologisk produktion (motorievoked potentialer) men också den höga prevalensen av neurologiska sjukdomar som resulterar i motoriskt system dysfunktion och funktionshinder. Denna stora globala sjukdomsbörda omfattar en stor andel av de villkor som drabbar barn såsom cerebral pares, den främsta orsaken till livslångt handikapp som drabbar cirka 17 000 000 personer över hela världen3. Trots denna kliniska relevans och de varierande och ökande kapaciteterna av neurostimulationsteknik, är applikationer i den framkallande hjärnan endast början som ska definieras4. Förbättrad karakterisering av befintliga och framväxande icke-invasiva hjärnan stimulering metoder hos barn är skyldiga att främja tillämpningar i hjärnans utveckling.
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett väletablerat neurofysiologiskt verktyg som alltmer används för dess icke-invasiva, smärtfri, tolereras väl och säkerhetsprofil hos vuxna. TMS erfarenhet hos barn är relativt begränsad men stadigt ökande. TMS levererar magnetiska fält för att inducera regional aktivering av kortikala neuronala populationer i hjärnan med nettoresultat återspeglas i målet muskel motor framkallade potentialer (MEP). Systematisk tillämpning av Single Pulse TMS kan definiera kartor över motoriska cortex in vivo. Seminal djurstudier5 och framväxande Human TMS studier6 har visat hur motor kartor kan hjälpa till att informera mekanismerna för kortikal neuroplasticitet. Navigerad motor kartläggning är en TMS teknik som används för att kartlägga människans motoriska cortex att förhöra funktionella kortikala regioner. Förändringar i motor karta har förknippats med plast förändringar av människans motorsystem7. Senaste framstegen i Robotic TMS teknik har medfört nya möjligheter att förbättra motorns kartläggning effektivitet och noggrannhet. Vår grupp har nyligen visat att Robotic TMS motor kartläggning är genomförbar, effektiv och tolereras väl hos barn8.
Transcranial rikta ström stimulering (tDCS) är en form av icke-invasiv hjärnstimulering som kan skifta kortikala retbarhet och modulera mänskliga beteenden. Det har varit en mängd studier som undersöker effekten av tDCS hos vuxna (> 10000 patienter) men mindre än 2% av studierna har fokuserat på att utveckla hjärnan9. Översättning av vuxna bevis till pediatrik applikationer är komplex, och modifierade protokoll behövs på grund av komplexa skillnader hos barn. Till exempel har vi och andra visat att barn upplever större och starkare elektriska fält jämfört med vuxna10,11. Standardisering av tDCS-metoder hos barn är viktigt för att säkerställa en säker och konsekvent tillämpning, förbättra replikeringen och främja fältet. Erfarenhet av Motorisk inlärning modulering tDCS hos barn är begränsad men ökar12. Translationella tillämpningar av tDCS till specifika cerebral pares populationer avancerar mot sena fas kliniska prövningar13. Insatser mot mer fokal stimulering tillämpas genom High-Definition tDCS (HD-tDCS) har bara studerats för första gången hos barn14. Vi visade att HD-tDCS ger liknande förbättringar i motoriskt lärande som konventionella tDCS hos friska barn14. Beskriva HD-tDCS metoder kommer att möjliggöra replikering och ytterligare tillämpningar av sådana protokoll i barn.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS har också undersökts i kliniska pediatriska populationer, inklusive perinatal stroke22 och cerebral pares, där TMS motor kartor framgångsrikt skapades hos barn med cerebral pares att utforska mekanismerna för interventionell plasticitet. Med hjälp av en etablerad protokoll8, TMS motor kartor samlades framgångsrikt i typiskt utveckla barn, och för närvarande samlas i en pågående multicenter klinisk prövning för barn med perinatal stroke och hemiplegic cerebr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av de kanadensiska instituten för hälsoforskning.
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).
