Неинвазивная модуляция и роботизированное картирование моторного коры в развивающемся мозге
Summary
Мы демонстрируем протоколы модуляции (tDCS, HD-tDCS) и картографирования (роботизированный TMS) моторной коры у детей.
Abstract
Картирование моторной коры с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) может выспросить физиологию и пластичность моторных кор кор кор, но несет в себе уникальные проблемы у детей. Аналогичным образом, транскраниальная стимуляция прямого тока (tDCS) может улучшить моторное обучение у взрослых, но только недавно была применена к детям. Использование tDCS и новых методов, таких как tDCS высокой четкости (HD-tDCS), требует специальных методологических соображений в развивающемся мозге. Роботизированное картографирование двигателей TMS может дать уникальные преимущества для картирования, особенно в развивающемся мозге. Здесь мы стремимся обеспечить практический, стандартизированный подход для двух интегрированных методов, способных одновременно изучать модуляцию моторных кор кор ы и моторные карты у детей. Во-первых, мы описываем протокол для роботизированного картирования двигателя TMS. Индивидуальные, МРТ-навигационные 12×12 сетки сосредоточены на моторной коры руководство робота для администрирования одноимпульсных TMS. Средний двигатель вызвал потенциал (MEP) амплитуды на точку сетки используются для создания 3D моторных карт отдельных мышц рук с исходами, включая карту области, объема и центра тяжести. Инструменты для измерения безопасности и переносимости обоих методов также включены. Во-вторых, мы описываем применение как tDCS, так и HD-tDCS для модулировать моторную кору и моторное обучение. Описаны экспериментальная парадигма обучения и результаты выборки. Эти методы будут способствовать применению неинвазивной стимуляции мозга у детей.
Introduction
Неинвазивная стимуляция мозга может какизмерять, так и модулировать функцию мозга человека 1,2. Наиболее распространенной целью была моторная кора, отчасти из-за немедленного и измеримой биологической продукции (мотор вызывал потенциалы), но также и высокой распространенности неврологических заболеваний, приводящих к дисфункции двигательной системы и инвалидности. Это большое глобальное бремя болезней включает в себя высокую долю условий, затрагивающих детей, таких как церебральный паралич, основной причиной пожизненной инвалидности, затрагивающих около 17 миллионов человек во всем мире3. Несмотря на эту клиническую актуальность и разнообразные и растущие возможности нейростимуляции технологий, приложения в развивающемся мозге только начинают определяться4. Улучшенная характеристика существующих и новых неинвазивных методов стимуляции мозга у детей необходима для продвижения применения в развивающемся мозге.
Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) является устоявшимся нейрофизиологическим инструментом, все более используемым для его неинвазивного, безболезненного, хорошо переносимого и безопасного профиля у взрослых. Опыт TMS у детей относительно ограничен, но неуклонно растет. TMS обеспечивает магнитные поля, чтобы вызвать региональную активацию корковых нейронных популяций в головном мозге с чистыми выходами, отраженными в целевом мышечном двигателе, вызываемом потенциалами (MEP). Систематическое применение одного импульса TMS может определить карты моторной коры in vivo. Семинальные исследования на животных5 и новые исследования TMS человека6 показали, как моторные карты могут помочь в информировании механизмов корковой нейропластичности. Навигационный моторный отображение — это метод TMS, который используется для картирования моторной коры человека для изучения функциональных корковых областей. Изменения в моторной карте были связаны спластиковыми изменениями двигательной системы человека 7. Последние достижения в области роботизированной технологии TMS принесли новые возможности для повышения эффективности и точности картирования двигателей. Наша группа недавно продемонстрировала, что роботизированное картографирование двигателя TMS осуществимо, эффективно и хорошо переносится у детей8.
Транскраниальная стимуляция прямого тока (tDCS) является одной из форм неинвазивной стимуляции мозга, которая может смещать возбудимость коры и модулировать поведение человека. Там было множество исследований, исследующих влияние tDCS у взрослых (10000 испытуемых), но менее 2% исследований были сосредоточены на развивающихся мозга9. Перевод взрослых доказательств в педиатрии приложений является сложным, и модифицированные протоколы необходимы из-за сложных различий в детях. Например, мы и другие показали, что дети испытывают большие и сильные электрические поля по сравнению со взрослыми10,11. Стандартизация методов tDCS у детей важна для обеспечения безопасного и последовательного применения, улучшения репликации и продвижения поля. Опыт моторного обучения модуляции tDCS у детей ограничен, но увеличивается12. Переводные применения tDCS для конкретных популяций церебрального паралича продвигаются к поздней фазе клинических испытаний13. Усилия по более координационному стимулированию, применяемые с помощью tDCS высокой четкости (HD-tDCS), только что были впервые изучены у детей14. Мы продемонстрировали, что HD-tDCS производит аналогичные улучшения в моторном обучении, как обычные tDCS у здоровых детей14. Описание методов HD-tDCS позволит реплицить и дальнейшее применение таких протоколов у детей.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS также был изучен в клинических педиатрических популяций, в том числе перинатального инсульта22 и ДЦП, где TMS моторные карты были успешно созданы у детей с церебральным параличом для изучения механизмов интервенционной пластичности. Используя установленныйп…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Канадскими институтами исследований в области здравоохранения.
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).
