Ikke-invasiv modulering og Robotic kartlegging av motor cortex i utviklingsland Brain
Summary
Vi viser protokoller for moduleringshjul (tDCS, HD-tDCS) og kartlegging (Robotic TMS) av motoren cortex hos barn.
Abstract
Kartlegging av motorisk cortex med Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har potensial til å forhøre motorisk cortex fysiologi og plastisitet, men bærer unike utfordringer hos barn. Tilsvarende kan Transkraniell direkte strøm stimulering (tDCS) forbedre motorisk læring hos voksne, men har først nylig blitt brukt til barn. Bruken av tDCS og nye teknikker som høy-definisjon tDCS (HD-tDCS) krever spesiell metodisk betraktninger i utviklingsland hjernen. Robot TMS motor kartlegging kan tildele unike fordeler for kartlegging, spesielt i utviklingsland hjernen. Her har vi som mål å gi en praktisk, standardisert tilnærming for to integrerte metoder i stand til samtidig å utforske motor cortex moduleringshjul og motor kart hos barn. Først beskriver vi en protokoll for robot TMS motor kartlegging. Individualisert, Mr-navigert 12×12 nett sentrert på motoren cortex guide en robot til å administrere single-Pulse TMS. Mean motor fremkalt potensial (MEP) amplituder per rutenettpunkt brukes til å generere 3D motor kart over individuelle hånd muskler med utfall inkludert kartområdet, volum, og tyngdepunkt. Verktøy for å måle sikkerhet og toleranse av begge metodene er også inkludert. For det andre beskriver vi anvendelsen av både tDCS og HD-tDCS for å modulere motor barken og motor læringen. En eksperimentell trening paradigme og sample resultater er beskrevet. Disse metodene vil fremme anvendelsen av ikke-invasiv hjerne stimulering hos barn.
Introduction
Ikke-invasiv hjerne stimulering kan både måle og modulere menneskets hjernefunksjon1,2. Den vanligste målet har vært motoren cortex, skyldes delvis en umiddelbar og målbar biologisk produksjon (motor fremkalt potensial), men også den høye utbredelsen av nevrologiske sykdommer som resulterer i motorsystemet dysfunksjon og uførhet. Denne store globale byrden av sykdom omfatter en høy andel av forholdene som berører barn som cerebral parese, den ledende årsaken til livslang funksjonshemming påvirker noen 17 000 000 personer over hele verden3. Til tross for denne kliniske relevansen og de mangfoldige og økende kapasitetene til neurostimulation teknologier, er anvendelser i utviklings hjernen bare i ferd med å bli definert4. Forbedret karakterisering av eksisterende og nye ikke-invasiv hjernen stimulering metoder hos barn er pålagt å fremme søknader i utviklingsland hjernen.
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er et veletablert nevrofysiologiske verktøy som i økende grad brukes for sin ikke-invasiv, smertefri, godt tolerert og sikkerhetsprofil hos voksne. TMS-erfaring hos barn er relativt begrenset, men stadig økende. TMS leverer magnetiske felt for å indusere Regional aktivering av kortikale neuronal populasjoner i hjernen med netto utganger reflektert i målet muskel motor fremkalt potensialer (MEP). Systematisk anvendelse av enkelt puls TMS kan definere kart av motor cortex in vivo. Banebrytende dyrestudier5 og fremvoksende menneskelig TMS studier6 har vist hvordan motor kart kan bidra til å informere mekanismer for kortikale neuroplasticity. Navigert motor kartlegging er en TMS teknikk som brukes til å kartlegge den menneskelige motor cortex å forhøre funksjonell kortikale regioner. Endringer i motor kart har vært forbundet med plast endringer av det menneskelige motorsystemet7. Nylige fremskritt innen robot-TMS-teknologi har brakt nye muligheter til å forbedre motorens kartlegging effektivitet og nøyaktighet. Vår gruppe har nylig demonstrert at robot TMS motor kartlegging er gjennomførbart, effektiv, og godt tolerert hos barn8.
Transkraniell direkte strøm stimulering (tDCS) er en form for ikke-invasiv hjerne stimulering som kan skifte kortikale excitability og modulere menneskelig atferd. Det har vært en rekke studier som undersøker effekten av tDCS hos voksne (> 10000 fag), men mindre enn 2% av studiene har fokusert på å utvikle hjernen9. Oversettelse av voksen bevis til Pediatrics programmer er kompleks, og modifiserte protokoller er nødvendig på grunn av komplekse forskjeller hos barn. For eksempel har vi og andre vist at barn opplever større og sterkere elektriske felt sammenlignet med voksne10,11. Standardisering av tDCS metoder hos barn er viktig å sikre trygg og konsistent anvendelse, forbedre replikering, og fremme feltet. Erfaring med motor læring moduleringshjul tDCS hos barn er begrenset, men øker12. Translational anvendelser av tDCS til bestemte cerebral parese populasjoner er rykket mot sen fase kliniske studier13. Innsats mot mer fokus stimulering brukt gjennom high-definition tDCS (HD-tDCS) har nettopp blitt studert for første gang hos barn14. Vi viste at HD-tDCS produserer lignende forbedringer i motor læring som konvensjonelle tDCS i friske barn14. Beskrive HD-tDCS metoder vil muliggjøre replikering og ytterligere anvendelser av slike protokoller hos barn.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS har også blitt undersøkt i kliniske pediatric populasjoner, inkludert Perinatal slag22 og cerebral parese, der TMS motor Maps ble opprettet i barn med cerebral parese å utforske mekanismer for interventional plastisitet. Ved hjelp av en etablert protokoll8, ble TMS motor kart vellykket samlet inn i vanligvis utvikle barn, og blir for tiden samlet i en pågående multisenter klinisk studie for barn med Perinatal hjerneslag og hemiplegisk cerebral parese ( NCT03216837)…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble støttet av 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/ |
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).
