Ikke-invasiv modulation og robot kortlægning af motorisk cortex i udviklings hjernen
Summary
Vi demonstrerer protokoller for modulering (tDCS, HD-tDCS) og kortlægning (robot TMS) af motorisk cortex hos børn.
Abstract
Kortlægning af motor cortex med transcranial magnetisk stimulation (TMS) har potentiale til at afhøre motorisk cortex fysiologi og plasticitet, men bærer unikke udfordringer hos børn. På samme måde kan transcranial direkte strøm stimulering (tDCS) forbedre motorisk indlæring hos voksne, men er først for nylig blevet anvendt på børn. Brugen af tDCS og nye teknikker som high-definition tDCS (HD-tDCS) kræver særlige metodologiske overvejelser i udviklings hjernen. Robotic TMS motor kortlægning kan give unikke fordele for kortlægning, især i den udviklende hjerne. Her har vi til formål at give en praktisk, standardiseret tilgang til to integrerede metoder, der kan samtidig udforske motor cortex modulation og motor kort hos børn. For det første beskriver vi en protokol for robot TMS motor kortlægning. Individualiserede, MRI-navigerede 12×12 gitre centreret på motor cortex guide en robot til at administrere single-Pulse TMS. Mean motor fremkaldt potentiale (MEP) amplituder per gitterpunkt bruges til at generere 3D motor kort af individuelle hånd muskler med resultater, herunder kort område, volumen, og tyngdepunkt. Værktøjer til måling af sikkerhed og tolerabilitet af begge metoder er også inkluderet. For det andet beskriver vi anvendelsen af både tDCS og HD-tDCS for at moduere motorisk cortex og motorisk indlæring. En eksperimentel uddannelse paradigme og prøveresultater er beskrevet. Disse metoder vil fremme anvendelsen af ikke-invasiv hjerne stimulation hos børn.
Introduction
Ikke-invasiv hjerne stimulation kan både måle og moduere menneskelig hjernefunktion1,2. Det mest almindelige mål har været motorisk cortex, som delvis skyldes en umiddelbar og målbar biologisk udgang (motorisk fremkaldte potentialer), men også den høje forekomst af neurologiske sygdomme, der resulterer i motorisk dysfunktion og handicap. Denne store globale sygdomsbyrde omfatter en stor andel af sygdomme, der påvirker børn som cerebral parese, den førende årsag til livslang invaliditet påvirker nogle 17.000.000 personer på verdensplan3. På trods af denne kliniske relevans og de forskelligartede og stigende kapaciteter af Neuro stimulation teknologier, applikationer i den udvikling hjernen er kun begyndt at blive defineret4. Forbedret karakterisering af eksisterende og fremspirende ikke-invasive hjernen stimulation metoder hos børn er forpligtet til at fremme ansøgninger i den udviklende hjerne.
Transcranial magnetisk stimulation (TMS) er et veletableret neurofysiologisk værktøj, der i stigende grad anvendes til sin ikke-invasive, smertefri, veltolereret og sikkerhedsprofil hos voksne. TMS-oplevelsen hos børn er forholdsvis begrænset, men støt stigende. TMS leverer magnetiske felter til at inducere regional aktivering af kortikale neuronal populationer i hjernen med netto output afspejlet i Target Muscle motor fremkaldt potentialer (MEP). Systematisk anvendelse af Single Pulse TMS kan definere kort over motor cortex in vivo. Seminal dyreforsøg5 og EMERGING Human TMS undersøgelser6 har vist, hvordan motor kort kan hjælpe med at informere mekanismer af kortikale neuroplasticitet. Navigeret motor mapping er en TMS teknik, der bruges til at kortlægge den menneskelige motorisk cortex til afhøre funktionelle kortikale regioner. Ændringer i motor kort har været forbundet med plast ændringer af det menneskelige motorsystem7. Nylige fremskridt inden for robot-TMS-teknologien har medført nye muligheder for at forbedre effektiviteten og nøjagtigheden af motor kortlægningen. Vores gruppe har for nylig vist, at robot TMS motor kortlægning er gennemførlig, effektiv og veltolereret hos børn8.
Transcranial jævnstrøm stimulation (tDCS) er en form for ikke-invasiv hjerne stimulation, der kan flytte kortikale excitabilitet og moduere menneskelig adfærd. Der har været en lang række undersøgelser af virkningen af tDCS hos voksne (> 10000 personer), men mindre end 2% af undersøgelserne har fokuseret på udviklingen af hjernen9. Oversættelse af voksen dokumentation til Pediatrics applikationer er kompleks, og modificerede protokoller er nødvendige på grund af komplekse forskelle i børn. For eksempel har vi og andre vist, at børn oplever større og stærkere elektriske felter sammenlignet med voksne10,11. Standardisering af tDCS-metoder hos børn er vigtig for at sikre en sikker og konsekvent anvendelse, forbedre replikation og fremme marken. Erfaring med motorisk lærings modulering af tDCS hos børn er begrænset, men stigende12. Translationelle anvendelser af tDCS til specifikke cerebral parese populationer skrider frem mod sene fase kliniske forsøg13. Indsatsen mod mere fokal stimulation anvendt gennem high-definition tDCS (HD-tDCS) er kun lige blevet undersøgt for første gang hos børn14. Vi viste, at HD-tDCS producerer lignende forbedringer i motorisk indlæring som konventionelle tDCS i raske børn14. Beskrivelse af HD-tDCS-metoder vil gøre det muligt at replikere og yderligere anvendelser af sådanne protokoller hos børn.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS er også blevet udforsket i kliniske pædiatriske populationer, herunder perinatale slagtilfælde22 og cerebral parese, hvor TMS motor kort blev oprettet med succes hos børn med cerebral parese at udforske mekanismer af interventions plasticitet. Ved hjælp af en etableret protokol8, blev TMS motor kort med succes indsamlet i typisk udvikler børn, og er i øjeblikket ved at blive indsamlet i et igangværende multicenter klinisk forsøg for børn med perinatale slagtil…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af de canadiske institutter for sundhedsforskning.
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).
