发育中大脑运动皮质的非侵入性调制和机器人映射

摘要

我们演示了儿童运动皮层的调制(tDCS、HD-tDCS)和映射(机器人TMS)的协议。

摘要

使用颅内磁刺激(TMS)绘制运动皮层具有质疑运动皮层生理和可塑性的潜力,但对儿童具有独特的挑战。同样,颅内直流刺激(tDCS)可以改善成人的运动学习,但最近才应用于儿童。使用tDCS和新兴技术,如高清晰度tDCS(HD-tDCS),需要特殊的方法学考虑在发展中的大脑。机器人TMS运动映射可能赋予映射独特的优势,特别是在正在发育的大脑。在这里,我们的目标是为两种能够同时探索儿童运动皮层调制和运动图的集成方法提供实用、标准化的方法。首先,我们描述了机器人TMS电机映射的协议。以运动皮层为中心的个性化 MRI 导航 12x12 网格引导机器人管理单脉冲 TMS。每个网格点的平均电机唤起电位 (MEP) 振幅用于生成单个手部肌肉的 3D 运动图,其结果包括地图区域、体积和重心。还包括测量这两种方法的安全性和耐受性的工具。其次,我们描述了tDCS和HD-tDCS在调节运动皮层和运动学习中的应用。介绍了实验训练模式和样本结果。这些方法将推动非侵入性脑刺激在儿童中的应用。

引言

非侵入性脑刺激可以测量和调节人脑功能1,2。最常见的目标是运动皮层,部分原因是直接和可测量的生物输出(运动诱发电位),但也由于神经系统疾病的高流行导致运动系统功能障碍和残疾。这种庞大的全球疾病负担包括影响儿童(如脑瘫)的高比例,脑瘫是影响全世界约1 700万人的终身残疾^{的主要原因。}尽管这种临床相关性和神经刺激技术的多样化和不断增长的能力,在发展中的大脑中的应用才刚刚开始被定义4。需要改进儿童现有和新出现的非侵入性脑刺激方法的特征,以推动在发育中大脑的应用。

颅内磁刺激(TMS)是一种成熟的神经生理学工具,越来越多地用于成人的非侵入性、无痛、耐受性和安全性。TMS在儿童的经验相对有限,但稳步增加。TMS 提供磁场,以诱导大脑中皮质神经元群的区域激活,净输出反映在目标肌肉运动引发电位 (MEP) 中。系统应用单脉冲TMS可以定义体内运动皮层的图谱。开创性动物^研究5和新兴的人类TMS研究6已经表明,运动图如何帮助为皮质神经可塑性机制提供信息。导航运动映射是一种TMS技术,用于绘制人体运动皮层以询问功能皮质区域。电机图的变化与人类马达系统的塑料变化有关7。机器人TMS技术的最新进展为提高电机映射效率和精度带来了新的机遇。我们小组最近证明,机器人TMS电机映射是可行的,高效,并且耐受性良好的儿童8。

颅内直接电流刺激(tDCS)是一种非侵入性脑刺激,可以改变皮质兴奋性和调节人类行为。已经有很多研究研究tDCS在成人的影响(>10,000受试者),但不到2%的研究集中在发育的大脑9。将成人证据翻译到儿科应用非常复杂,由于儿童差异复杂,需要修改协议。例如,我们和其他人已经表明,与10、11岁的成年人相比,儿童经历的电场更大、更强。在儿童中实现tDCS方法的标准化对于确保安全、一致的应用、改进复制和推进该领域具有重要意义。儿童运动学习调制tDCS的经验有限,但增加12。tDCS对特定脑瘫人群的转化应用正向晚期临床试验^迈进13。通过高清晰度tDCS(HD-tDCS)进行更多焦刺激的努力,只是^在14岁儿童中首次得到研究。我们证明HD-tDCS在运动学习方面与健康^儿童14岁的传统tDCS相似。描述 HD-tDCS 方法将允许在子中复制和进一步应用此类协议。

研究方案

本协议中描述的所有方法均已获得卡尔加里大学联合健康研究伦理委员会(REB16-2474)的批准。该协议如图1所示。

1. 非侵入性脑刺激禁忌症

1. 在招聘前,筛查所有参与者的 TMS¹⁵和 tDCS¹的禁忌症。

2. 颅内磁刺激运动映射

1. 为导航 TMS 准备 MRI
   1. 获取每个参与者的结构 MRI (T1)。如果 MRI 无法获得,请使用蒙特利尔神经学研究所的 MRI 模板。
   2. 以 DICOM 或 NIFTI 格式将 MRI 文件导入神经导航软件(参见材料表)。
2. TMS 目标轨迹
   1. 使用神经导航软件使用选项卡重建皮肤和全脑曲线。
   2. 选择"新建、外观和计算外观"。确保包括头部的鼻子和顶部。
   3. 选择"新建"和"全脑曲线"。将绿色选择框包裹在大脑外,但包裹在头骨内。选择"计算曲线"。将剥离深度调整到 4.0-6.0 mm。
   4. 选择"配置地标"。将四个地标放在鼻子尖处,鼻腔,以及重建皮肤的两个耳朵的凹口。命名与其解剖结构对应的地标。
   5. 选择"目标"选项卡以查看曲线大脑。选择"新建"和"矩形网格"。将均匀的12 x 12坐标网格与7毫米间距在重建的大脑表面在运动皮层(前中央陀^螺)17的"手旋钮"
   6. 使用右侧的目标定位工具优化旋转、倾斜和曲率的网格定位。将网格点转换为轨迹,引导机器人定位 TMS 线圈。调整轨迹的角度,使其与大脑的纵向裂隙为 45°。
   7. 使用SNAP工具对曲线大脑的轨迹进行外推和优化。
   8. 初始化 TMS 机械臂和座椅并将其定位到欢迎位置,并使用力传感器测试校准力板传感器。
3. 为电机映射的参与者做好准备
   1. 让参与者填写安全问卷18。
   2. 学员舒适地坐在机器人座椅上后,调整靠背和颈部。确保他们的脚是支持的。用枕头支撑他们的胳膊和手,确保他们的手在绘图期间处于静止状态。
      注:儿童和青少年在整个会议期间需要提醒,以保持手的放松。
   3. 清洁感兴趣的肌肉上的皮肤。将 Ag/AgCl 表面电极放在参与者的双手和前臂上,瞄准四个远端前肢肌肉,1) 第一背间肌 (FDI) 的腹部,2) 诱拐器花粉者布雷维斯 (APB),3) 诱拐器数字小米 (ADM) 和 4) 手腕扩展器(扩展卡皮乌尔纳里斯)。
   4. 将表面电极与肌电图 (EMG) 放大器和数据采集系统连接,并将放大器连接到使用兼容 EMG 软件的数据收集计算机。
   5. 使用地标指针共同注册参与者头上的四个地标。使用验证选项卡确保正确注册参与者的头部。
4. 确定电机映射 TMS 强度
   1. 选择最接近参与者"手旋钮"的网格点。选择"对齐到目标"按钮,将机器人持有的 TMS 线圈与目标位置对齐。在上选择"联系人"。使用接触力指示器监控接触质量。确保指示灯为绿色或黄色。
      注: 接触指示器上的红色表示参与者头部的力过大。无颜色表示 TMS 线圈未与参与者的头部接触。在这些情况下,调整力板灵敏度。
   2. 指示学员不要超出机械臂的范围。确保参与者的手部肌肉放松,并在接触前保持静止。
   3. 选择"对齐"和"跟随",这样,如果参与者移动,线圈将居中于目标。
   4. 使用 TMS 机器上的 TMS 触发按钮以 40-60% 最大刺激器输出 (MSO) 的强度提供 5-10 TMS 脉冲。重复此步骤到围绕"手旋钮"的 5-6 个网格点。
   5. 确定为左或右 FDI 肌肉提供最大和最一致(热点)电机引发电位 (MEP) 的网格点。
   6. 确定休息电机阈值 (RMT) 为在 5/10 刺激中产生 FDI 肌肉中至少 50 μV 的 MEP 的最低强度。
5. 电机映射
   1. 从最接近热点的网格点开始,以 1 秒的交互作用提供四个单脉冲 TMS 脉冲 (1 Hz),TMS 强度为 120% RMT。响应式网格点由任何手部肌肉中的 2/4 MEP >50 μV 决定。
   2. 移动到相邻的网格点,然后重复上述步骤。
   3. 沿响应点以线性方式继续,直到到达无响应点,即地图的第一个边界区域。
   4. 继续映射以在矩形网格的所有四个方向上建立边界点。
   5. 使用 EMG 软件记录所有肌肉的所有 MEP 进行离线分析。
   6. 在 3-4 个网格点后,选择"联系关闭"并让参与者休息,直到他们准备好继续。
   7. 在整个映射会话中,请与参与者不断签入,以确保他们舒适和/或需要休息。
   8. 使用相同网格的硬拷贝版本来附加模拟顺序以进行进一步分析。
   9. 使用此处或手动描述的机器人 TMS 完成映射(本手稿中未说明)。如果使用 TMS 机器人,它将移动到实验者选择的网格点。该机器人将适应儿童头部运动近实时。这将减轻与技术人员手动将线圈固定在学员头上相关的任何额外移动。
      注:如果使用 TMS 机器人进行映射,请确保在会话期间始终有实验者在机器人旁边。如果机器人被放置在参与者的头上,而参与者突然移动,则机器人将尝试跟随他们的头。如果参与者必须移动、打喷嚏、刮伤或执行涉及其头部移动的活动,则必须移动机械臂以防止学员的头部击中机器人的手臂或 TMS 线圈。
6. 电机映射创建
   1. 使用定制的编码脚本,生成三维电机映射(图2)。有关脚本的作者。"
   2. 使用响应式轨迹站点计算电机地图区域和体积。将重心 (COG) 计算为每个坐标位置的电机表示的加权平均值。
      注: 地图面积的计算方式为网格间距 (7 mm)²乘以响应式站点的总数。地图体积的计算方式为网格间距的累积总和乘以每个响应站点的平均 MEP 振幅。正在开发一个用户友好的脚本版本,以便作为开源与公众共享。同时,联系相应的作者以访问脚本。

3. 常规tDCS和HD-tDCS应用

1. 将参与者随机化为三个干预组之一(sham、传统tDCS、HD-tDCS)。
2. 让学员用左手(非主导)完成普渡板测试 (PPT) 三次,确定其基准分数。
3. 检查电极质量以确认 tDCS 海绵刀片和橡胶电极的完整性。
4. 通过将电源开关翻转到ON来打开传统的 tDCS 设备。
   注:确保电池电量不足指示灯未亮起。如果指示灯亮起,则在开始会话之前更换电池。
   1. 对于接受常规或假 tDCS 的参与者,用盐水轻轻浸泡两个 25 厘米²海绵电极。确保覆盖整个电极,但不滴水。将橡胶电极插入盐水浸泡的海绵电极,并将每个电极连接到 tDCS 设备。
5. 使用神经导航定位标记的热点(右 M1),并用无毒标记标记。在每个 tDCS、HD-tDCS 或假会话的末尾,再次标记热点,以便第二天可见。
   1. 如果随机到传统的tDCS或假tDCS,将一个25^厘米2盐水浸泡的海绵电极放在参与者的标记热点(右M1)上,作为阳极。将其他 25 厘米²盐水浸泡的海绵电极放在代表阴极的反向超轨道区域。使用轻塑料小儿科"头带"将电极固定到位。
      注:确保电极没有盐水滴落,因为它可能会分流电流。
   2. 在假和传统的tDCS组中,确保"最佳"的接触质量。如果接触质量"次优",在海绵电极下注入少量盐水溶液,或确保头皮和电极之间的头发最小。
      注:当超过一半的接触指示灯质量亮起时,可实现"最佳"接触质量。如果接触指示灯不到一半,则接触质量不理想。如果两个指示灯中只有一个亮起,请勿开始刺激。
   3. 在 HD-tDCS 组中,请参阅 Villamar、M.F.等^16,以进行适当的设置。
   4. 在 HD-tDCS 组中,将器件设置为扫描设置,以检查每个电极的阻抗。确保阻抗低于1个"质量单元",并说明之前19,20。如果接触质量差,拆下电极,检查是否有毛发阻碍电极的接触,以及头皮和电极之间是否存在连续的电极凝胶柱。如果需要,请涂抹更多电极凝胶。
6. 将 tDCS 和 HD-tDCS 器件设置为阳极蒙太奇设置、1 mA 电流强度和 20 分钟持续时间。
7. 确保参与者舒适地坐着,并了解他们可能经历的感觉(如瘙痒或刺痛感)。提醒学员,如果他们感到不适或有任何问题,请进行沟通。
   1. 在传统的tDCS和HD-tDCS组中,确保切换设置为"活动"。
      注: 对于沙姆组,切换应设置为"沙姆"。此设置应从参与者中隐藏。
   2. 按设备的"开始"按钮开始刺激。确保持续时间设置为 20 分钟,强度设置为 1 mA。
      注:在传统的tDCS和HD-tDCS组中,电流将上升超过30秒至1 mA,并持续20分钟。在假tDCS组中,电流将上升超过30s到1 mA,并立即下降超过30s。
8. 在 5 分钟、10 分钟、15 分钟和 20 分钟时,让参与者用左手完成 PPT 三次。
9. 20 分钟后,在强度结束之前关闭设备,降至 0 mA。
   注:对于接收传统 tDCS 或 HD-tDCS 的参与者,机器将在 20 分钟内自动降到 0 mA。对于接受假 tDCS 的参与者,机器将自动提升超过 30 s 到 1 mA,并在 20 分钟内立即升到 0 mA 以上。
10. 从参与者的头部拆下电极。
11. 对于假和传统的tDCS组,从海绵内部取出黑色电极,用普通自来水冲洗海绵电极。
    1. 在 HD-tDCS 组中,取下塑料电极支架顶部并拆下电极。从参与者的头部取下电极盖。冲洗电极支架中的任何凝胶。用稍微潮湿的纸巾清洁电极。用干纸巾擦拭电极,去除任何残留的凝胶。
12. 让所有参与者在每次刺激后完成颅内直流刺激副作用和耐受性问卷。
13. 让学员用左手完成 PPT 三次。
    1. 让参与者在第二天返回,并连续四天(共五天)进行非侵入性脑刺激(沙姆、tDCS 或 HD-tDCS)与运动学习 (PPT) 配对。在第 2-4 天重复步骤 3.2-3.13。在第5天,让参与者从非侵入性脑刺激开始(沙姆、tDCS或HD-tDCS)(重复步骤3.2-3.13)。休息后(接受刺激后 45 分钟 -1.5 小时),启动机器人 TMS 电机映射(步骤 2.3-2.5.8)。
       注:所有参与者在评估之间的休息时间都获得相同的分钟数。
    2. 6周后,邀请参与者返回并执行PPT,而不受任何非侵入性脑刺激(步骤3.2,然后是机器人TMS运动映射(步骤2.5.8)。

结果

使用这里介绍的方法,我们完成了一个随机的,假控制的介入试验8。右手儿童(n = 24,12-18岁),这两种非侵入性脑刺激均无禁忌症。在这项研究中,如果参与者使用神经性精神药物或对tDCS不天真,则被明确排除在外。没有辍学。

机器人TMS运动图获得基线运动图,并作为一种潜在的机制,监测神经塑性及皮质兴奋性变化后...

讨论

TMS还在临床小儿科人群中进行了探索,包括围产期^中风22和脑瘫,其中TMS运动图成功地在脑瘫儿童中创建,以探索介入可塑性机制。使用既定的协议8,TMS运动图成功地收集了在典型的发育的儿童,目前正在收集围产期中风和半脑瘫儿童的多中心临床试验(NCT03216837)。描述TMS运动映射方法将允许在健康儿童和运动障碍儿童中复制和进一步应用协议。

?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1x1 SMARTscan Stimulator	Soterix Medical Inc.	https://soterixmedical.com/research/1x1/tdcs/device
4x1 HD-tDCS Adaptor	Soterix Medical Inc.	https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4x1
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/1x1/accessories/carbon-ruber-electrode
EASYpad Electrode	Soterix Medical Inc.	https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easypad
EASYstraps	Soterix Medical Inc.	https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-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/