Modulazione non invasiva e mappatura robotica della Corteccia motoria nel cervello in via di sviluppo
Summary
Dimostriamo protocolli per la modulazione (tDCS, HD-tDCS) e la mappatura (TMS robotica) della corteccia motoria nei bambini.
Abstract
Mappare la corteccia motoria con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) ha il potenziale per interrogare la fisiologia e la plasticità della corteccia motoria, ma comporta sfide uniche nei bambini. Allo stesso modo, la stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) può migliorare l’apprendimento motorio negli adulti, ma è stata applicata solo di recente ai bambini. L’uso del tDCS e delle tecniche emergenti come il tDCS ad alta definizione (HD-tDCS) richiede particolari considerazioni metodologiche nel cervello in via di sviluppo. La mappatura robotica del motore TMS può conferire vantaggi unici per la mappatura, in particolare nel cervello in via di sviluppo. Qui, miriamo a fornire un approccio pratico e standardizzato per due metodi integrati in grado di esplorare simultaneamente la modulazione della corteccia motoria e le mappe motorie nei bambini. In primo luogo, viene descritto un protocollo per la mappatura robotica del motore TMS. Le griglie 12×12 personalizzate navigate su risonanza magnetica centrate sulla corteccia motoria guidano un robot per somministrare TMS a impulso singolo. Le ampiezze di potenziale (MEP) evocate dal motore medio per ogni punto della griglia vengono utilizzate per generare mappe motorie 3D di singoli muscoli della mano con risultati tra cui l’area della mappa, il volume e il baricentro. Sono inclusi anche strumenti per misurare la sicurezza e la tollerabilità di entrambi i metodi. In secondo luogo, descriviamo l’applicazione sia di tDCS che HD-tDCS per modulare la corteccia motoria e l’apprendimento motorio. Vengono descritti un paradigma di allenamento sperimentale e i risultati del campione. Questi metodi faranno progredire l’applicazione della stimolazione cerebrale non invasiva nei bambini.
Introduction
La stimolazione cerebrale non invasiva può misurare e modulare la funzione cerebrale umana1,2. L’obiettivo più comune è stata la corteccia motoria, dovuta in parte ad una produzione biologica immediata e misurabile (potenziali evocati dal motore) ma anche all’elevata prevalenza di malattie neurologiche con conseguenti disfunzioni e disabilità del sistema motorio. Questo grande carico globale di malattie comprende un’alta percentuale di condizioni che colpiscono i bambini come la paralisi cerebrale, la principale causa di disabilità per tutta la vita che colpisce circa 17 milioni di persone in tutto il mondo3. Nonostante questa rilevanza clinica e le diverse e crescenti capacità delle tecnologie di neurostimolazione, le applicazioni nel cervello in via di sviluppo stanno solo cominciando a essere definite4. Per far progredire le applicazioni nel cervello in via di sviluppo è necessaria una migliore caratterizzazione dei metodi di stimolazione cerebrale non invasivi esistenti ed emergenti nei bambini.
La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento neurofisiologico ben consolidato che viene sempre più utilizzato per il suo profilo non invasivo, indolore, ben tollerato e di sicurezza negli adulti. L’esperienza di TMS nei bambini è relativamente limitata, ma in costante aumento. TMS fornisce campi magnetici per indurre l’attivazione regionale delle popolazioni neuronali corticali nel cervello con uscite nette riflesse nei potenziali evocati dal motore muscolare bersaglio (MEP). L’applicazione sistematica di TMS a impulso singolo può definire le mappe della corteccia motoria in vivo. Studi sugli animali seminali5 e studi sulla TMS umana emergenti6 hanno dimostrato come le mappe motorie possano aiutare a informare i meccanismi della neuroplasticità corticale. La mappatura motoria navigate è una tecnica TMS che viene utilizzata per mappare la corteccia motoria umana per interrogare le regioni corticali funzionali. I cambiamenti nella mappa motoria sono stati associati a cambiamenti di plastica del sistema motorio umano7. I recenti progressi nella tecnologia TMS robotica hanno portato nuove opportunità per migliorare l’efficienza e la precisione della mappatura dei motori. Il nostro gruppo ha recentemente dimostrato che la mappatura robotica del motore TMS è fattibile, efficiente e ben tollerata nei bambini8.
La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) è una forma di stimolazione cerebrale non invasiva che può spostare l’eccitabilità corticale e modulare i comportamenti umani. C’è stata una moltitudine di studi che esaminano l’effetto di tDCS negli adulti (>10,000 soggetti) ma meno del 2% degli studi si sono concentrati sul cervello in via di sviluppo9. La traduzione di prove per adulti alle applicazioni pediatriche è complessa e sono necessari protocolli modificati a causa di complesse differenze nei bambini. Ad esempio, noi e altri abbiamo dimostrato che i bambini sperimentano campi elettrici più grandi e più forti rispetto agli adulti10,11. La standardizzazione dei metodi tDCS nei bambini è importante per garantire un’applicazione sicura e coerente, migliorare la replica e far avanzare il campo. L’esperienza di modulazione dell’apprendimento motorio tDCS nei bambini è limitata, ma in aumento12. Le applicazioni traslazionali del tDCS a specifiche popolazioni di paralisi cerebrali stanno avanzando verso studi clinici in fase avanzata13. Gli sforzi verso una stimolazione più focale applicata attraverso tDCS ad alta definizione (HD-tDCS) sono stati appena studiati per la prima volta nei bambini14. Abbiamo dimostrato che l’HD-tDCS produce miglioramenti simili nell’apprendimento motorio come il tDCS convenzionale nei bambini sani14. La descrizione dei metodi HD-tDCS consentirà la replica e ulteriori applicazioni di tali protocolli nei bambini.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS è stato esplorato anche in popolazioni pediatriche cliniche, tra cui ictus perinatale22 e paralisi cerebrale, dove le mappe motorie TMS sono state create con successo in bambini con paralisi cerebrale per esplorare i meccanismi di plasticità interventiva. Utilizzando un protocollo stabilito8, le mappe motorie TMS sono state raccolte con successo nei bambini in genere in via di sviluppo, e sono attualmente in fase di raccolta in uno studio clinico multicentro in corso …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto dal Canadian Institutes of Health Research.
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/ |
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