Modulation non invasive et cartographie robotique du cortex moteur dans le cerveau en développement
Summary
Nous démontrons des protocoles pour la modulation (tDCS, HD-tDCS) et la cartographie (TMS robotique) du cortex moteur chez les enfants.
Abstract
Cartographier le cortex moteur avec la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a le potentiel d’interroger la physiologie et la plasticité du cortex moteur, mais comporte des défis uniques chez les enfants. De même, la stimulation transcrânienne à courant direct (TDCS) peut améliorer l’apprentissage moteur chez les adultes, mais n’a été appliquée que récemment aux enfants. L’utilisation du TDCS et des techniques émergentes comme le TDCS haute définition (HD-tDCS) exigent des considérations méthodologiques spéciales dans le cerveau en développement. La cartographie motrice robotique tMS peut conférer des avantages uniques pour la cartographie, en particulier dans le cerveau en développement. Ici, nous visons à fournir une approche pratique et standardisée pour deux méthodes intégrées capables d’explorer simultanément la modulation du cortex moteur et les cartes motrices chez les enfants. Tout d’abord, nous décrivons un protocole pour la cartographie robotique du moteur TMS. Individualisées, les grilles 12×12 orsurisées et IRM centrées sur le cortex moteur guident un robot pour administrer le TMS à impulsion unique. Les amplitudes moyennes du moteur évoqué (MEP) par point de grille sont utilisées pour générer des cartes motrices 3D des muscles de la main individuels avec des résultats tels que la zone cartographique, le volume et le centre de gravité. Des outils pour mesurer la sécurité et la tolérabilité des deux méthodes sont également inclus. Deuxièmement, nous décrivons l’application de tDCS et hD-tDCS pour moduler le cortex moteur et l’apprentissage moteur. Un paradigme de formation expérimentale et des résultats d’échantillon sont décrits. Ces méthodes feront progresser l’application de la stimulation cérébrale non invasive chez les enfants.
Introduction
La stimulation cérébrale non invasive peut à la fois mesurer et moduler la fonction cérébrale humaine1,2. La cible la plus commune a été le cortex moteur, en partie à cause d’une sortie biologique immédiate et mesurable (potentiel séquestré) mais aussi de la forte prévalence des maladies neurologiques entraînant un dysfonctionnement et une incapacité du système moteur. Cette lourde charge mondiale de morbidité comprend une forte proportion de maladies affectant des enfants tels que la paralysie cérébrale, la principale cause d’invalidité à vie affectant quelque 17 millions de personnes dans le monde3. Malgré cette pertinence clinique et les capacités diverses et croissantes des technologies de neurostimulation, les applications dans le cerveau en développement commencent à peine à être définies4. Une caractérisation améliorée des méthodes de stimulation cérébrale non invasives existantes et émergentes chez les enfants est nécessaire pour faire progresser les applications dans le cerveau en développement.
La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est un outil neurophysiologique bien établi qui est de plus en plus utilisé pour son profil de sécurité non invasif, indolore, bien toléré et de sécurité chez les adultes. L’expérience des SMT chez les enfants est relativement limitée, mais en constante augmentation. TMS fournit des champs magnétiques pour induire l’activation régionale des populations neuronales corticales dans le cerveau avec des sorties nettes reflétées dans le moteur musculaire cible évoqué potentiels (MEP). L’application systématique du TMS à impulsion unique peut définir des cartes du cortex moteur in vivo. Les études sur les animaux séminales5 et les études sur le SMT humain 6 ont montré comment les cartes motrices peuvent aider à éclairer les mécanismes de neuroplasticité corticale. La cartographie motrice naviguée est une technique de TMS qui est employée pour cartographier le cortex moteur humain pour interroger les régions corticales fonctionnelles. Des changements dans la carte moteur ont été associés aux changements en plastique du système moteur humain7. Les progrès récents de la technologie tMS robotique ont apporté de nouvelles possibilités d’améliorer l’efficacité et la précision de la cartographie motrice. Notre groupe a récemment démontré que la cartographie robotisée du moteur TMS est faisable, efficace et bien tolérée chez les enfants8.
La stimulation transcrânienne à courant direct (TDCS) est une forme de stimulation cérébrale non invasive qui peut modifier l’excitabilité corticale et moduler les comportements humains. Il y a eu une multitude d’études examinant l’effet du TDCS chez les adultes (10 000 sujets), mais moins de 2 % des études se sont concentrées sur le cerveau en développement9. La traduction des preuves adultes aux applications pédiatriques est complexe, et des protocoles modifiés sont nécessaires en raison des différences complexes chez les enfants. Par exemple, nous et d’autres avons montré que les enfants connaissent des champs électriques plus grands et plus forts par rapport aux adultes10,11. La normalisation des méthodes de TDCS chez les enfants est importante pour assurer une application sûre et cohérente, améliorer la réplication et faire progresser le domaine. L’expérience de la modulation d’apprentissage moteur tDCS chez les enfants est limitée mais augmentede 12. Les applications translationnelles du TDCS à des populations spécifiques de paralysie cérébrale progressent vers des essais cliniques de phase tardive13. Les efforts en faveur d’une stimulation plus focale appliquée par le biais de tDCS haute définition (HD-tDCS) vient tout juste d’être étudié pour la première fois chez les enfantsde 14ans. Nous avons démontré que HD-tDCS produit des améliorations semblables dans l’apprentissage moteur que tDCS conventionnels chez les enfants en bonne santé14. La description des méthodes HD-tDCS permettra la réplication et d’autres applications de tels protocoles chez les enfants.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS a également été exploré dans les populations pédiatriques cliniques, y compris l’AVC périnatal22 et la paralysie cérébrale, où les cartes motrices TMS ont été créées avec succès chez les enfants atteints de paralysie cérébrale pour explorer les mécanismes de plasticité interventionnelle. À l’aide d’un protocole établi8, les cartes motrices de TMS ont été recueillies avec succès chez les enfants en développement, et sont actuellement recueillies d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été appuyée par les Instituts de recherche en santé du Canada.
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).
