Modulation non invasive et cartographie robotique du cortex moteur dans le cerveau en développement

Résumé

Nous démontrons des protocoles pour la modulation (tDCS, HD-tDCS) et la cartographie (TMS robotique) du cortex moteur chez les enfants.

Résumé

Cartographier le cortex moteur avec la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a le potentiel d'interroger la physiologie et la plasticité du cortex moteur, mais comporte des défis uniques chez les enfants. De même, la stimulation transcrânienne à courant direct (TDCS) peut améliorer l'apprentissage moteur chez les adultes, mais n'a été appliquée que récemment aux enfants. L'utilisation du TDCS et des techniques émergentes comme le TDCS haute définition (HD-tDCS) exigent des considérations méthodologiques spéciales dans le cerveau en développement. La cartographie motrice robotique tMS peut conférer des avantages uniques pour la cartographie, en particulier dans le cerveau en développement. Ici, nous visons à fournir une approche pratique et standardisée pour deux méthodes intégrées capables d'explorer simultanément la modulation du cortex moteur et les cartes motrices chez les enfants. Tout d'abord, nous décrivons un protocole pour la cartographie robotique du moteur TMS. Individualisées, les grilles 12x12 orsurisées et IRM centrées sur le cortex moteur guident un robot pour administrer le TMS à impulsion unique. Les amplitudes moyennes du moteur évoqué (MEP) par point de grille sont utilisées pour générer des cartes motrices 3D des muscles de la main individuels avec des résultats tels que la zone cartographique, le volume et le centre de gravité. Des outils pour mesurer la sécurité et la tolérabilité des deux méthodes sont également inclus. Deuxièmement, nous décrivons l'application de tDCS et hD-tDCS pour moduler le cortex moteur et l'apprentissage moteur. Un paradigme de formation expérimentale et des résultats d'échantillon sont décrits. Ces méthodes feront progresser l'application de la stimulation cérébrale non invasive chez les enfants.

Introduction

La stimulation cérébrale non invasive peut à la fois mesurer et moduler la fonction cérébrale humaine^1,2. La cible la plus commune a été le cortex moteur, en partie à cause d'une sortie biologique immédiate et mesurable (potentiel séquestré) mais aussi de la forte prévalence des maladies neurologiques entraînant un dysfonctionnement et une incapacité du système moteur. Cette lourde charge mondiale de morbidité comprend une forte proportion de maladies affectant des enfants tels que la paralysie cérébrale, la principale cause d'invalidité à vie affectant quelque 17 millions de personnes dans le monde³. Malgré cette pertinence clinique et les capacités diverses et croissantes des technologies de neurostimulation, les applications dans le cerveau en développement commencent à peine à être définies⁴. Une caractérisation améliorée des méthodes de stimulation cérébrale non invasives existantes et émergentes chez les enfants est nécessaire pour faire progresser les applications dans le cerveau en développement.

La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est un outil neurophysiologique bien établi qui est de plus en plus utilisé pour son profil de sécurité non invasif, indolore, bien toléré et de sécurité chez les adultes. L'expérience des SMT chez les enfants est relativement limitée, mais en constante augmentation. TMS fournit des champs magnétiques pour induire l'activation régionale des populations neuronales corticales dans le cerveau avec des sorties nettes reflétées dans le moteur musculaire cible évoqué potentiels (MEP). L'application systématique du TMS à impulsion unique peut définir des cartes du cortex moteur in vivo. Les études sur les animaux séminales⁵ et les études sur le SMT humain 6 ont montré comment les cartes motrices peuvent aider à éclairer les mécanismes de neuroplasticité corticale. La cartographie motrice naviguée est une technique de TMS qui est employée pour cartographier le cortex moteur humain pour interroger les régions corticales fonctionnelles. Des changements dans la carte moteur ont été associés aux changements en plastique du système moteur humain⁷. Les progrès récents de la technologie tMS robotique ont apporté de nouvelles possibilités d'améliorer l'efficacité et la précision de la cartographie motrice. Notre groupe a récemment démontré que la cartographie robotisée du moteur TMS est faisable, efficace et bien tolérée chez les enfants⁸.

La stimulation transcrânienne à courant direct (TDCS) est une forme de stimulation cérébrale non invasive qui peut modifier l'excitabilité corticale et moduler les comportements humains. Il y a eu une multitude d'études examinant l'effet du TDCS chez les adultes (10 000 sujets), mais moins de 2 % des études se sont concentrées sur le cerveau en développement⁹. La traduction des preuves adultes aux applications pédiatriques est complexe, et des protocoles modifiés sont nécessaires en raison des différences complexes chez les enfants. Par exemple, nous et d'autres avons montré que les enfants connaissent des champs électriques plus grands et plus forts par rapport aux adultes^10,11. La normalisation des méthodes de TDCS chez les enfants est importante pour assurer une application sûre et cohérente, améliorer la réplication et faire progresser le domaine. L'expérience de la modulation d'apprentissage moteur tDCS chez les enfants est limitée mais augmente^{de 12}. Les applications translationnelles du TDCS à des populations spécifiques de paralysie cérébrale progressent vers des essais cliniques de phase tardive¹³. Les efforts en faveur d'une stimulation plus focale appliquée par le biais de tDCS haute définition (HD-tDCS) vient tout juste d'être étudié pour la première fois chez les enfants^{de 14}ans. Nous avons démontré que HD-tDCS produit des améliorations semblables dans l'apprentissage moteur que tDCS conventionnels chez les enfants en bonne santé¹⁴. La description des méthodes HD-tDCS permettra la réplication et d'autres applications de tels protocoles chez les enfants.

Protocole

Toutes les méthodes décrites dans ce protocole ont été approuvées par le Joint Health Research Ethics Board de l'Université de Calgary (REB16-2474). Le protocole est décrit à la figure 1.

1. Contre-indications non invasives de stimulation cérébrale

1. Examinez tous les participants pour les contre-indications pour tMS¹⁵ et tDCS¹ avant le recrutement.

2. Cartographie motrice de stimulation magnétique transcrânienne

1. Préparation de l'IRM pour le SMT navigué
   1. Obtenir l'IRM structurelle de chaque participant (T1). Si une IRM est impossible à obtenir, utilisez un modèle d'IRM de l'Institut neurologique de Montréal.
   2. Importer le fichier IRM en format DICOM ou NIFTI vers le logiciel de neuronavigation (voir Tableau des matériaux).
2. Trajectoires cibles TMS
   1. Utilisez le logiciel de neuronavigation pour reconstruire Skin et Full Brain Curvilinear à l'aide des onglets.
   2. Sélectionnez New, Skin, et Compute Skin. Assurez-vous que le nez et le haut de la tête sont inclus.
   3. Sélectionnez Nouveau, et Full Brain Curvilinear. Enfermer la boîte de sélection verte à l'extérieur du cerveau, mais à l'intérieur du crâne. Sélectionnez Compute Curvilinear. Ajuster la profondeur de la pelure à 4,0-6,0 mm.
   4. Sélectionnez Configurez les repères. Placez quatre repères à la pointe du nez, la nasion, et les encoches des deux oreilles de la peau reconstruite. Nommez les repères correspondant à leur anatomie.
   5. Sélectionnez l'onglet Cibles pour afficher le cerveau curviligne. Sélectionnez Nouveau, et Rectangular Grid. Placez des grilles de coordonnées uniformes de 12 x 12 avec un espacement de 7 mm à la surface du cerveau reconstruit au-dessus de la « poignée de main » du cortex moteur (gyrus précentral)¹⁷.
   6. Utilisez l'outil de positionnement cible sur la droite pour optimiser le positionnement de la grille pour la rotation, l'inclinaison et la courbure. Convertissez les points de grille en trajectoires qui guideront le robot pour positionner la bobine TMS. Ajustez l'angle des trajectoires de sorte qu'elles sont à 45 degrés de la fissure longitudinale du cerveau.
   7. Utilisez l'outil SNAP pour extrapoler et optimiser les trajectoires vers le cerveau curviligne.
   8. Initialiser et positionner le bras et le siège du robot TMS pour accueillir la position et calibrer le capteur de plaque de force à l'aide du test du capteur deforce.
3. Préparation du participant à la cartographie motrice
   1. Demandez aux participants de remplir un questionnaire de sécurité¹⁸.
   2. Une fois que les participants se sont assis confortablement dans la chaise robotisée, ajustez le dossier et le dossier. Assurez-vous que leurs pieds sont soutenus. Soutenez leurs bras et leurs mains avec des oreillers pour vous assurer que leurs mains sont en position de repos pendant toute la durée de la séance de cartographie.
      REMARQUE : Les enfants et les adolescents auront besoin de rappels tout au long de la séance pour garder les mains détendues.
   3. Nettoyer la peau sur le muscle d'intérêt. Placez les électrodes de surface Ag/AgCl sur les deux mains et les avant-bras du participant, ciblant quatre muscles distal des membres antérieurs, 1) le ventre du premier interosseous dorsal (FDI), 2) le pollicis pollicis ravisseur (APB), 3) le digiti minimi (ADM) d'abducteur extenseur (extensor carpi ulnaris).
   4. Connectez les électrodes de surface avec l'amplificateur d'électromyographie (EMG) et le système d'acquisition de données et connectez l'amplificateur à un ordinateur de collecte de données avec un logiciel EMG compatible.
   5. Co-enregistrer les quatre points de repère sur la tête du participant à l'aide du pointeur de repère. Utilisez l'onglet de validation pour vous assurer que la tête du participant est correctement enregistrée.
4. Détermination de la cartographie motrice de l'intensité du SMT
   1. Sélectionnez un point de grille le plus proche de la « poignée de main » du participant. Sélectionnez le bouton Alignement à la cible pour aligner la bobine TMS retenue par le robot à cet emplacement cible. Sélectionnez Contact sur. Surveillez la qualité du contact à l'aide de l'indicateur de force de contact. Assurez-vous que l'indicateur est vert ou jaune.
      REMARQUE : La couleur rouge sur l'indicateur de contact signifie qu'il y a trop de force sur la tête du participant. Aucune couleur ne signifie que la bobine TMS n'est pas en contact avec la tête du participant. Dans ces cas, ajustez la sensibilité de la plaque de force.
   2. Demandez au participant de ne pas se déplacer en dehors de la portée du bras du robot. Assurez-vous que les muscles de la main du participant sont détendus et restent immobiles avant le contact.
   3. Sélectionnez Aligner et Suivre afin que la bobine reste centrée sur la cible si le participant se déplace.
   4. Utilisez le bouton de déclenchement TMS sur la machine TMS pour fournir 5-10 impulsions TMS à une intensité comprise entre 40-60% de sortie maximale de stimulateur (MSO). Répétez cette étape à 5-6 points de grille entourant la «poignée de main».
   5. Déterminez le point de grille qui donne le potentiel le plus grand et le plus cohérent (hotspot) évoqué (MEP) pour le muscle de l'IED gauche ou droit.
   6. Déterminez le seuil moteur de repos (RMT) comme l'intensité la plus basse qui produit un MEP d'au moins 50 V dans le muscle d'IED dans 5/10 stimulations.
5. Cartographie motrice
   1. À partir du point de grille le plus proche du point d'accès, délivrez quatre impulsions TMS à impulsion unique (1 Hz) à un interstimulus de 1 s et une intensité TMS de 120 % DE RMT. Un point de grille réactif est déterminé par 2/4 eurodéputés dans l'un ou l'autre des muscles de la main.
   2. Déplacez-vous vers le point de grille adjacent et répétez l'étape ci-dessus.
   3. Continuer de façon séquentielle de façon linéaire le long des points sensibles jusqu'à ce qu'un point non réactif soit atteint, qui est la première région frontalière de la carte.
   4. Continuer la cartographie pour établir les points frontaliers dans les quatre directions de la grille rectangulaire.
   5. Enregistrez tous les eurodéputés de tous les muscles à l'aide du logiciel EMG pour l'analyse hors ligne.
   6. Après 3-4 points de grille, sélectionnez Contact off et donnez au participant une pause jusqu'à ce qu'il se sente prêt à continuer.
   7. Tout au long de la séance de cartographie, vérifiez continuellement auprès du participant pour s'assurer qu'il est à l'aise et/ou qu'il a besoin d'une pause.
   8. Utilisez une version papier des mêmes grilles pour coller l'ordre de simulation pour une analyse plus approfondie.
   9. Cartographie complète à l'aide d'un TMS robotique tel que décrit ici ou manuellement (non décrit dans ce manuscrit). Si vous utilisez un robot TMS, il se déplacera vers le point de grille sélectionné par l'expérimentateur. Le robot s'adaptera au mouvement de la tête d'enfant en temps quasi réel. Cela permettra d'atténuer tout mouvement supplémentaire associé à un technicien tenant manuellement la bobine sur la tête du participant.
      REMARQUE : Si vous cartographiez à l'aide d'un robot TMS, assurez-vous qu'il y a un expérimentateur à côté du robot en tout temps pendant la session. Si le robot est placé sur la tête d'un participant et que le participant se déplace soudainement, le robot essaiera de suivre sa tête. Si le participant doit se déplacer, éternuer, gratter ou effectuer une activité impliquant le mouvement de sa tête, le bras du robot doit être déplacé pour empêcher la tête du participant de heurter le bras ou la bobine TMS du robot.
6. Création de cartes motrices
   1. À l'aide d'un script de codage sur mesure, générer des cartes motrices tridimensionnelles (figure2). Contactez les auteurs pour le script.
   2. Calculer la zone et le volume de la carte motrice à l'aide de sites de trajectoire suspicieux. Calculer le centre de gravité (COG) comme moyenne pondérée des représentations motrices de chaque emplacement de coordonnées.
      REMARQUE : La zone de la carte est calculée comme l'espacement de la grille (7 mm)² multiplié par le nombre total de sites réactifs. Le volume de la carte est calculé comme la somme cumulative de l'espacement de la grille multipliée par l'amplitude moyenne de l'eurodéputé à chaque site réactif. Une version conviviale du script est en cours de développement pour partager avec le public en tant qu'open source. Pendant ce temps, contactez l'auteur correspondant pour avoir accès au script.

3. Application tDCS et HD-tDCS conventionnelles

1. Randomisez les participants à l'un des trois groupes d'intervention (faux, tDCS conventionnel, HD-tDCS).
2. Demandez au participant de terminer le purdue Pegboard Test (PPT) trois fois à l'aide de sa main gauche (non dominante), établissant ainsi son score de base.
3. Inspecter la qualité des électrodes pour confirmer l'intégrité des inserts d'éponge tDCS et des électrodes en caoutchouc.
4. Allumez le dispositif tDCS conventionnel en retournant le commutateur d'alimentation à ON.
   REMARQUE : Assurez-vous que la faible lumière de la batterie n'est pas allumée. S'il est éclairé, changez les piles avant de commencer la session.
   1. Pour les participants recevant des tDCS conventionnels ou fictifs, trempez légèrement deux électrodes éponges de 25 cm² avec saline. Assurez-vous que toute l'électrode est couverte, mais pas goutte à goutte. Insérez l'électrode en caoutchouc dans les électrodes éponge imbibées saline et connectez chaque électrode au dispositif tDCS.
5. Localisez le point névralgique marqué (droit M1) à l'aide de la neuronavigation et marquez-le à l'aide d'un marqueur non toxique. À la fin de chaque tDCS, HD-tDCS ou session fictive, marquez à nouveau le hotspot afin qu'il soit visible le lendemain.
   1. S'il est randomisé selon le tDCS conventionnel ou le faux tDCS, placez une électrode éponge imbibée de 25 cm² au-dessus du point névralgique marqué du participant (Right M1), servant d'anode. Placez l'autre électrode éponge imbibée de 25 cm² sur la région supraorbitale contralatérale, représentant la cathode. Utilisez un « bandeau » pédiatrique en plastique léger pour maintenir les électrodes en place.
      REMARQUE : Assurez-vous qu'il n'y a pas de goutte saline de l'électrode car elle peut shunt le courant.
   2. Dans le groupe tDCS fictif et conventionnel, assurez-vous d'assurer une qualité de contact « optimale ». Si la qualité de contact est " sous-optimale ", injectez une petite quantité de solution saline sous les électrodes éponges, ou assurez-vous qu'il y a un minimum de poils entre le cuir chevelu et l'électrode.
      REMARQUE : La qualité de contact « optimale » est atteinte lorsque plus de la moitié de la qualité des voyants d'indicateur de contact sont allumées. Si moins de la moitié des voyants de l'indicateur de contact sont allumés, la qualité du contact est sous-optimale. Ne commencez pas la stimulation si seulement un des deux feux indicateurs sont allumés.
   3. Dans le groupe HD-tDCS, consultez Villamar, M.F., et coll.¹⁶ pour la mise en place appropriée.
   4. Dans le groupe HD-tDCS, réglez l'appareil sur le réglage Scan pour vérifier l'impédance à chaque électrode. Assurez-vous que l'impédance est inférieure à 1 "unité de qualité" et décrit précédemment^19,20. Si la qualité du contact est mauvaise, retirez l'électrode et vérifiez qu'il n'y a pas de poils obstruant le contact de l'électrode, et qu'une colonne continue de gel d'électrode est présente entre le cuir chevelu et l'électrode. Si nécessaire, appliquer plus de gel d'électrode.
6. Réglez le dispositif tDCS et HD-tDCS au réglage de montage d'anode, 1 mA de force actuelle, et 20 min de durée.
7. Assurez-vous que le participant est assis confortablement et qu'il comprend les sensations possibles qu'il peut éprouver (comme des démangeaisons ou des picotements). Rappelez au participant de communiquer s'il ressent un malaise ou s'il a des questions.
   1. Dans les groupes tDCS et HD-tDCS conventionnels, assurez-vous que la bascule est réglé sur Active.
      REMARQUE: Pour le groupe de faux, la bascule doit être réglé sur Sham. Ce paramètre doit être caché au participant.
   2. Appuyez sur le bouton Démarrer de l'appareil pour démarrer la stimulation. Assurez-vous que la durée est fixée à 20 min et l'intensité à 1 mA.
      REMARQUE : Dans les groupes tDCS et HD-tDCS conventionnels, le courant s'étend de plus de 30 s à 1 mA et se poursuivra pendant 20 min. Dans le groupe tDCS faux, le courant sera montée en puissance de plus de 30 s à 1 mA et immédiatement monté vers le bas plus de 30 s.
8. À 5 min, 10 min, 15 min et 20 min, demandez au participant de compléter le PPT trois fois à l'aide de sa main gauche.
9. Après 20 min, éteignez l'appareil après que l'intensité se termine rampant jusqu'à 0 mA.
   REMARQUE : Pour les participants recevant des tDCS conventionnels ou HD-tDCS, la machine descendra automatiquement jusqu'à 0 mA à 20 min. Pour les participants recevant tDCS faux, la machine sera automatiquement montée en puissance de plus de 30 s à 1 mA et immédiatement rampe vers le bas à 0 mA plus de 30 s à 20 min.
10. Retirez les électrodes de la tête du participant.
11. Pour le groupe tDCS fictif et conventionnel, retirez les électrodes noires de l'intérieur des éponges et rincez l'électrode éponge avec de l'eau du robinet normale.
    1. Dans le groupe HD-tDCS, enlevez le dessus du support d'électrode en plastique et retirez les électrodes. Retirez le bouchon d'électrode de la tête des participants. Rincer n'importe quel gel dans le porte-électrode. Nettoyer l'électrode avec un essuie-tout légèrement humide. Essuyez l'électrode avec un essuie-tout sec pour enlever le gel restant.
12. Demandez à tous les participants de remplir le questionnaire sur les effets secondaires et la tolérabilité de la stimulation directe transcrânienne après chaque séance de stimulation.
13. Demandez aux participants de remplir le PPT trois fois à l'aide de leur main gauche.
    1. Demandez aux participants de revenir le lendemain et pendant quatre autres jours consécutifs (cinq jours au total) pour une stimulation cérébrale non invasive (faux, TDCS ou HD-tDCS) jumelée à l'apprentissage moteur (TPP). Répétez les étapes 3.2-3.13 le jour 2-4. Le jour 5, demandez aux participants de commencer par une stimulation cérébrale non invasive (faux, tDCS ou HD-tDCS) (les étapes 3.2-3.13 sont répétées). Après une pause (45 min-1,5 h depuis la stimulation), commencez la cartographie robotique du moteur TMS (étapes 2.3-2.5.8).
       REMARQUE : Tous les participants ont reçu le même nombre de minutes pour les pauses entre les évaluations.
    2. Après 6 semaines, invitez les participants à revenir et à effectuer le PPT sans recevoir de stimulation cérébrale non invasive (étape 3.2 suivie de la cartographie robotique du moteur TMS (étape 2.5.8)).

Résultats

En utilisant les méthodes présentées ici, nous avons terminé un essai interventionnel randomisé et contrôlé par une erreur⁸. Des enfants droitiers (n ' 24 ans, âgés de 12 à 18 ans) sans contre-indication s'ils contre-indications pour les deux types de stimulation cérébrale non invasive ont été recrutés. Les participants ont été spécifiquement exclus dans cette étude s'ils prenaient des médicaments neuropsychotropes ou s'ils n'étaient pas naïfs...

Discussion

TMS a également été exploré dans les populations pédiatriques cliniques, y compris l'AVC périnatal²² et la paralysie cérébrale, où les cartes motrices TMS ont été créées avec succès chez les enfants atteints de paralysie cérébrale pour explorer les mécanismes de plasticité interventionnelle. À l'aide d'un protocole établi⁸, les cartes motrices de TMS ont été recueillies avec succès chez les enfants en développement, et sont actuellement recueillies d...

matériels

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/