Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn
Summary
Wir demonstrieren Protokolle für die Modulation (tDCS, HD-tDCS) und Mapping (Robotik TMS) des Motorkortex bei Kindern.
Abstract
Die Kartierung des motorischen Kortex mit transkranieller Magnetstimulation (TMS) hat das Potenzial, die Physiologie und Plastizität des Motorkortex zu hinterfragt, birgt aber einzigartige Herausforderungen bei Kindern. In ähnlicher Weise kann die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) das motorische Lernen bei Erwachsenen verbessern, wurde aber erst vor kurzem auf Kinder angewendet. Der Einsatz von tDCS und neu entstehenden Techniken wie High-Definition tDCS (HD-tDCS) erfordern besondere methodische Überlegungen im sich entwickelnden Gehirn. Die Robotik-TMS-Motorkartierung kann einzigartige Vorteile für die Kartierung bieten, insbesondere im sich entwickelnden Gehirn. Hier wollen wir einen praktischen, standardisierten Ansatz für zwei integrierte Methoden bieten, die in der Lage sind, gleichzeitig motorische Kortexmodulation und Motorkarten bei Kindern zu erforschen. Zunächst beschreiben wir ein Protokoll für die Robotik-TMS-Motorzuordnung. Individualisierte, MRT-navigierte 12×12-Gitter, die auf dem Motorkortex zentriert sind, führen einen Roboter zur Verwaltung von Einpuls-TMS. Mittlere motorisch evozierte Potential (MEP) Amplituden pro Rasterpunkt werden verwendet, um 3D-Motorkarten einzelner Handmuskeln mit Ergebnissen wie Kartenbereich, Volumen und Schwerpunkt zu generieren. Werkzeuge zur Messung der Sicherheit und Verträglichkeit beider Methoden sind ebenfalls enthalten. Zweitens beschreiben wir die Anwendung von tDCS und HD-tDCS, um den Motorkortex und das Motorlernen zu modulieren. Ein experimentelles Trainingsparadigma und Beispielergebnisse werden beschrieben. Diese Methoden werden die Anwendung der nicht-invasiven Hirnstimulation bei Kindern voranbringen.
Introduction
Nicht-invasive Hirnstimulation kann sowohl die menschliche Gehirnfunktion messen als auch modulieren1,2. Das häufigste Ziel war der motorische Kortex, was zum Teil auf eine sofortige und messbare biologische Leistung (motorisch evozierte Potenziale) zurückzuführen ist, aber auch auf die hohe Prävalenz neurologischer Erkrankungen, die zu Funktionsstörungen und Behinderungen des Motorsystems führen. Diese große globale Krankheitslast umfasst einen hohen Anteil von Erkrankungen, von denen Kinder betroffen sind, wie z. B. zerebrale Lähmung, die Hauptursache für lebenslange Behinderungen, von denen weltweit etwa 17 Millionen Menschen betroffensind 3. Trotz dieser klinischen Relevanz und der vielfältigen und zunehmenden Kapazitäten von Neurostimulationstechnologien beginnen Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn erst zu definieren4. Eine verbesserte Charakterisierung bestehender und neu auftretender nicht-invasiver Hirnstimulationsmethoden bei Kindern ist erforderlich, um Anwendungen im sich entwickelnden Gehirn voranzubringen.
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein etabliertes neurophysiologisches Werkzeug, das zunehmend für sein nicht-invasives, schmerzloses, gut verträgliches und Sicherheitsprofil bei Erwachsenen eingesetzt wird. Die TMS-Erfahrung bei Kindern ist relativ begrenzt, nimmt aber stetig zu. TMS liefert Magnetfelder, um die regionale Aktivierung kortikaler neuronaler Populationen im Gehirn mit Nettoausgängen zu in Zielmuskelmotor evozierten Potentialen (MEP) zu induzieren. Die systematische Anwendung von Single-Pulse TMS kann Karten des Motorkortex in vivo definieren. Seminale Tierstudien5 und neu entstehende humane TMS-Studien6 haben gezeigt, wie motorische Karten helfen können, Mechanismen der kortikalen Neuroplastizität zu informieren. Navid Motor Mapping ist eine TMS-Technik, die verwendet wird, um den menschlichen Motorkortex zu kartieren, um funktionelle kortikale Regionen abzuhören. Änderungen in der Motorkarte wurden mit plastischen Veränderungen des menschlichen Motorsystems in Verbindung gebracht7. Jüngste Fortschritte in der Robotik-TMS-Technologie haben neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz und Genauigkeit von Motormappings gebracht. Unsere Gruppe hat vor kurzem gezeigt, dass Robotik TMS Motor Mapping ist machbar, effizient und gut verträglich bei Kindern8.
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine Form der nicht-invasiven Hirnstimulation, die die kortikale Erregbarkeit verschieben und menschliches Verhalten modulieren kann. Es gab eine Vielzahl von Studien, die die Wirkung von tDCS bei Erwachsenen untersuchten (>10.000 Probanden), aber weniger als 2% der Studien haben sich auf das sich entwickelnde Gehirn konzentriert9. Die Übersetzung von Erwachsenennachweisen in pädiatrische Anwendungen ist komplex, und aufgrund komplexer Unterschiede bei Kindern sind modifizierte Protokolle erforderlich. Zum Beispiel haben wir und andere gezeigt, dass Kinder größere und stärkere elektrische Felder im Vergleich zu Erwachsenen10,11erleben. Die Standardisierung von tDCS-Methoden in untergeordneten Kindern ist wichtig, um eine sichere und konsistente Anwendung zu gewährleisten, die Replikation zu verbessern und das Feld voranzubringen. Die Erfahrungen mit der motorischen Lernmodulation tDCS bei Kindern sind begrenzt, nehmen aber um12zu. Translationale Anwendungen von tDCS auf spezifische zerebrale Lähmungspopulationen bewegen sich in Richtung klinischer Spätphasenstudien13. Die Bemühungen um eine fokalere Stimulation durch High-Definition tDCS (HD-tDCS) wurden erst zum ersten Mal bei Kindern14untersucht. Wir haben gezeigt, dass HD-tDCS ähnliche Verbesserungen im motorischen Lernen hervorbringt wie herkömmliche tDCS bei gesunden Kindern14. Die Beschreibung von HD-tDCS-Methoden ermöglicht die Replikation und weitere Anwendungen solcher Protokolle bei untergeordneten Daten.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS wurde auch in klinischen pädiatrischen Populationen erforscht, einschließlich perinataler Schlaganfall22 und Zerebralparese, wo TMS Motorkarten erfolgreich bei Kindern mit zerebraler Lähmung erstellt wurden, um Mechanismen der interventionellen Plastizität zu erforschen. Mit Hilfe eines etablierten Protokolls8wurden TMS-Motorkarten erfolgreich bei typischerweise entwickelnden Kindern gesammelt und werden derzeit in einer laufenden multizentrischen klinischen Studie …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde von den Canadian Institutes of Health Research unterstützt.
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/ |
Riferimenti
- 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).
