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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Dimostriamo protocolli per la modulazione (tDCS, HD-tDCS) e la mappatura (TMS robotica) della corteccia motoria nei bambini.

Abstract

Mappare la corteccia motoria con la stimolazione magnetica transcranica (TMS) ha il potenziale per interrogare la fisiologia e la plasticità della corteccia motoria, ma comporta sfide uniche nei bambini. Allo stesso modo, la stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) può migliorare l'apprendimento motorio negli adulti, ma è stata applicata solo di recente ai bambini. L'uso del tDCS e delle tecniche emergenti come il tDCS ad alta definizione (HD-tDCS) richiede particolari considerazioni metodologiche nel cervello in via di sviluppo. La mappatura robotica del motore TMS può conferire vantaggi unici per la mappatura, in particolare nel cervello in via di sviluppo. Qui, miriamo a fornire un approccio pratico e standardizzato per due metodi integrati in grado di esplorare simultaneamente la modulazione della corteccia motoria e le mappe motorie nei bambini. In primo luogo, viene descritto un protocollo per la mappatura robotica del motore TMS. Le griglie 12x12 personalizzate navigate su risonanza magnetica centrate sulla corteccia motoria guidano un robot per somministrare TMS a impulso singolo. Le ampiezze di potenziale (MEP) evocate dal motore medio per ogni punto della griglia vengono utilizzate per generare mappe motorie 3D di singoli muscoli della mano con risultati tra cui l'area della mappa, il volume e il baricentro. Sono inclusi anche strumenti per misurare la sicurezza e la tollerabilità di entrambi i metodi. In secondo luogo, descriviamo l'applicazione sia di tDCS che HD-tDCS per modulare la corteccia motoria e l'apprendimento motorio. Vengono descritti un paradigma di allenamento sperimentale e i risultati del campione. Questi metodi faranno progredire l'applicazione della stimolazione cerebrale non invasiva nei bambini.

Introduzione

La stimolazione cerebrale non invasiva può misurare e modulare la funzione cerebrale umana1,2. L'obiettivo più comune è stata la corteccia motoria, dovuta in parte ad una produzione biologica immediata e misurabile (potenziali evocati dal motore) ma anche all'elevata prevalenza di malattie neurologiche con conseguenti disfunzioni e disabilità del sistema motorio. Questo grande carico globale di malattie comprende un'alta percentuale di condizioni che colpiscono i bambini come la paralisi cerebrale, la principale causa di disabilità per tutta la vita che colpisce circa 17 milioni di persone in tutto il mondo3. Nonostante questa rilevanza clinica e le diverse e crescenti capacità delle tecnologie di neurostimolazione, le applicazioni nel cervello in via di sviluppo stanno solo cominciando a essere definite4. Per far progredire le applicazioni nel cervello in via di sviluppo è necessaria una migliore caratterizzazione dei metodi di stimolazione cerebrale non invasivi esistenti ed emergenti nei bambini.

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento neurofisiologico ben consolidato che viene sempre più utilizzato per il suo profilo non invasivo, indolore, ben tollerato e di sicurezza negli adulti. L'esperienza di TMS nei bambini è relativamente limitata, ma in costante aumento. TMS fornisce campi magnetici per indurre l'attivazione regionale delle popolazioni neuronali corticali nel cervello con uscite nette riflesse nei potenziali evocati dal motore muscolare bersaglio (MEP). L'applicazione sistematica di TMS a impulso singolo può definire le mappe della corteccia motoria in vivo. Studi sugli animali seminali5 e studi sulla TMS umana emergenti6 hanno dimostrato come le mappe motorie possano aiutare a informare i meccanismi della neuroplasticità corticale. La mappatura motoria navigate è una tecnica TMS che viene utilizzata per mappare la corteccia motoria umana per interrogare le regioni corticali funzionali. I cambiamenti nella mappa motoria sono stati associati a cambiamenti di plastica del sistema motorio umano7. I recenti progressi nella tecnologia TMS robotica hanno portato nuove opportunità per migliorare l'efficienza e la precisione della mappatura dei motori. Il nostro gruppo ha recentemente dimostrato che la mappatura robotica del motore TMS è fattibile, efficiente e ben tollerata nei bambini8.

La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) è una forma di stimolazione cerebrale non invasiva che può spostare l'eccitabilità corticale e modulare i comportamenti umani. C'è stata una moltitudine di studi che esaminano l'effetto di tDCS negli adulti (>10,000 soggetti) ma meno del 2% degli studi si sono concentrati sul cervello in via di sviluppo9. La traduzione di prove per adulti alle applicazioni pediatriche è complessa e sono necessari protocolli modificati a causa di complesse differenze nei bambini. Ad esempio, noi e altri abbiamo dimostrato che i bambini sperimentano campi elettrici più grandi e più forti rispetto agli adulti10,11. La standardizzazione dei metodi tDCS nei bambini è importante per garantire un'applicazione sicura e coerente, migliorare la replica e far avanzare il campo. L'esperienza di modulazione dell'apprendimento motorio tDCS nei bambini è limitata, ma in aumento12. Le applicazioni traslazionali del tDCS a specifiche popolazioni di paralisi cerebrali stanno avanzando verso studi clinici in fase avanzata13. Gli sforzi verso una stimolazione più focale applicata attraverso tDCS ad alta definizione (HD-tDCS) sono stati appena studiati per la prima volta nei bambini14. Abbiamo dimostrato che l'HD-tDCS produce miglioramenti simili nell'apprendimento motorio come il tDCS convenzionale nei bambini sani14. La descrizione dei metodi HD-tDCS consentirà la replica e ulteriori applicazioni di tali protocolli nei bambini.

Protocollo

Tutti i metodi descritti in questo protocollo sono stati approvati dal Conjoint Health Research Ethics Board dell'Università di Calgary (REB16-2474). Il protocollo è descritto nella Figura 1.

1. Controindicazioni di stimolazione cerebrale non invasiva

  1. Controllare a tutti i partecipanti le controindicazioni per TMS15 e tDCS1 prima del reclutamento.

2. Mappatura motoria di stimolazione magnetica transcranica

  1. Preparazione della risonanza magnetica per la navigazione TMS
    1. Ottenere la risonanza magnetica strutturale di ciascun partecipante (T1). Se una risonanza magnetica non è ottenibile, utilizzare un modello di risonanza magnetica da Montreal Neurological Institute.
    2. Importare il file MRI in formato DICOM o NIFTI nel software di neuronavigazione (vedere Tabella dei materiali).
  2. Traiettorie di destinazione TMS
    1. Utilizzare il software di neuronavigazione per ricostruire la pelle e Full Brain Curvilinear utilizzando le schede.
    2. Selezionare Nuovo( Pelle)e Calcola pelle. Assicurarsi che il naso e la parte superiore della testa siano inclusi.
    3. Selezionare Nuovoe Ricurvo cervello completo. Racchiudere la casella di selezione verde all'esterno del cervello, ma all'interno del cranio. Selezionare Calcola Curvilineo. Regolare la profondità di buccia a 4,0-6,0 mm.
    4. Selezionare Configura punti di riferimento. Posizionare quattro punti di riferimento sulla punta del naso, nasion, e le tacche di entrambe le orecchie della pelle ricostruita. Assegnare un nome ai punti di riferimento corrispondenti alla loro anatomia.
    5. Selezionare la scheda Destinazioni per visualizzare il cervello curvilineo. Selezionare Nuovoe Griglia rettangolare. Posizionare griglie di coordinate uniformi 12 x 12 con spaziatura di 7 mm sulla superficie del cervello ricostruito sopra la "manopola" della corteccia motoria (giro precentrale)17.
    6. Utilizzare lo strumento Posizionamento di destinazione a destra per ottimizzare il posizionamento della griglia per la rotazione, l'inclinazione e la curvatura. Convertire i punti della griglia in traiettorie che guideranno il robot a posizionare la bobina TMS. Regolare l'angolo delle traiettorie in modo che siano di 45 gradi rispetto alla fessura longitudinale del cervello.
    7. Utilizzare lo strumento SNAP per estrapolare e ottimizzare le traiettorie in cervello curvilineo.
    8. Inizializzare e posizionare il braccio e il sedile del robot TMS per posizionare e calibrare il sensore della piastra di forza utilizzando il test del sensore Di forza.
  3. Preparazione del partecipante per la mappatura del motore
    1. Chiedi ai partecipanti di compilare un questionario sulla sicurezza18.
    2. Una volta che i partecipanti si sono seduti comodamente sulla sedia del robot, regolare lo schienale e il collo. Assicurarsi che i loro piedi siano supportati. Sostenere le braccia e le mani con cuscini per assicurarsi che le loro mani sono in una posizione di riposo per tutta la durata della sessione di mappatura.
      NOTA: I bambini e gli adolescenti avranno bisogno di promemoria per tutta la sessione per mantenere le mani rilassate.
    3. Pulire la pelle sul muscolo di interesse. Posizionare gli elettrodi superficiali Ag/AgCl su entrambe le mani e sugli avambracci del partecipante, prendendo di mira quattro muscoli degli arti anteriori distale, 1) la pancia del primo intero dorsalsseo (FDI), 2) abisso pollici brevis (APB), 3) reatore digiti minimi (ADM) e 4) il polso estensore (estensore carpiulnaris).
    4. Collegare gli elettrodi di superficie con l'amplificatore di elettromiografia (EMG) e il sistema di acquisizione dei dati e collegare l'amplificatore a un computer di raccolta dati con un software EMG compatibile.
    5. Coregistrare i quattro punti di riferimento sulla testa del partecipante utilizzando il puntatore punto di riferimento. Utilizzare la scheda di convalida per assicurarsi che la testa del partecipante sia correttamente registrata.
  4. Determinazione dell'intensità TMS di mappatura motoria
    1. Selezionare un punto della griglia più vicino alla "manopola" del partecipante. Selezionare il pulsante Allinea alla destinazione per allineare la bobina TMS posata dal robot a questa posizione di destinazione. Selezionare Contatto su. Monitorare la qualità del contatto utilizzando l'indicatore della forza di contatto. Assicurarsi che l'indicatore sia verde o giallo.
      NOTA: Il colore rosso sull'indicatore di contatto indica che c'è troppa forza sulla testa del partecipante. Nessun colore significa che la bobina TMS non è in contatto con la testa del partecipante. In questi casi, regolare la sensibilità della piastra di forza.
    2. Indicare al partecipante di non uscire dall'ambito del braccio del robot. Assicurarsi che i muscoli della mano del partecipante siano rilassati e rimangano fermi prima del contatto.
    3. Selezionare Allinea e segui in modo che la bobina rimanga centrata sul bersaglio se il partecipante si sposta.
    4. Utilizzare il pulsante di attivazione TMS sulla macchina TMS per fornire 5-10 impulsi TMS ad un'intensità compresa tra il 40-60% di uscita massima dello stimolatore (MSO). Ripetere questo passaggio a 5-6 punti griglia che circondano la "manopola".
    5. Determinare il punto della griglia che fornisce il più grande e più coerente (hotspot) motore evocato potenziale (MEP) per il muscolo FDI sinistro o destro.
    6. Determinare la soglia del motore a riposo (RMT) come l'intensità più bassa che produce un MEP di almeno 50 V nel muscolo FDI in stimolazioni 5/10.
  5. Mappatura del motore
    1. Partendo dal punto di rete più vicino all'hotspot, fornire quattro impulsi TMS a impulso singolo (1 Hz) con un interstimolo di intensità di 1 s e TMS del 120% di RMT. Un punto di griglia reattivo è determinato da 2/4 eurodeputati >50 V in qualsiasi muscoli della mano.
    2. Spostarsi sul punto della griglia adiacente e ripetere il passaggio precedente.
    3. Continuare in sequenza in modo lineare lungo i punti reattivi fino a raggiungere un punto non reattivo, che è la prima regione di confine della mappa.
    4. Continuare la mappatura per stabilire i punti di bordo in tutte e quattro le direzioni della griglia rettangolare.
    5. Registra tutti gli eurodeputati di tutti i muscoli utilizzando il software EMG per l'analisi offline.
    6. Dopo 3-4 punti griglia, selezionare Contatto disattivato e dare al partecipante una pausa fino a quando non si sentono pronti a continuare.
    7. Durante la sessione di mappatura, effettuare continuamente il check-in con il partecipante per assicurarsi che siano confortevoli e/o necessitano di una pausa.
    8. Utilizzare una versione cartacea delle stesse griglie per virare l'ordine di simulazione per un'ulteriore analisi.
    9. Mappatura completa utilizzando un TMS robotico come descritto qui o manualmente (non descritto in questo manoscritto). Se si utilizza un robot TMS, si sposterà al punto di griglia selezionato dallo sperimentatore. Il robot ospiterà il movimento della testa del bambino in tempo quasi reale. Questo allevierà qualsiasi movimento aggiuntivo associato a un tecnico che tiene manualmente la bobina sulla testa del partecipante.
      NOTA: Se si esegue la mappatura utilizzando un robot TMS, assicurarsi che sia sempre presente uno sperimentatore accanto al robot durante la sessione. Se il robot viene posizionato sulla testa di un partecipante e il partecipante si muove improvvisamente, il robot cercherà di seguire la testa. Se il partecipante deve muoversi, starnutire, graffiare o eseguire un'attività che coinvolge il movimento della testa, il braccio robot deve essere spostato per evitare che la testa del partecipante colpisca il braccio del robot o la bobina TMS.
  6. Creazione cartonella
    1. Utilizzando uno script di codifica personalizzato, generare mappe motorie tridimensionali (Figura 2). Contattare gli autori per lo script.
    2. Calcolare l'area della mappa del motore e il volume utilizzando siti di traiettoria reattiva. Calcolare il centro di gravità (COG) come media ponderata delle rappresentazioni motorie di ogni posizione delle coordinate.
      NOTA: l'area della mappa viene calcolata come la spaziatura della griglia (7 mm)2 moltiplicata per il numero totale di siti reattivi. Il volume della mappa viene calcolato come la somma cumulativa della spaziatura della griglia moltiplicata per l'ampiezza MEP media in ogni sito reattivo. Una versione user-friendly dello script è in fase di sviluppo per condividere con il pubblico come open source. Nel frattempo, contattare l'autore corrispondente per ottenere l'accesso allo script.

3. Applicazione tradizionale tDCS e HD-tDCS

  1. Randomizzare i partecipanti a uno dei tre gruppi di intervento (sham, tDCS convenzionale, HD-tDCS).
  2. Chiedi al partecipante di completare il Purdue Pegboard Test (PPT) tre volte usando la mano sinistra (non dominante), stabilendo il suo punteggio di base.
  3. Ispezionare la qualità degli elettrodi per confermare l'integrità degli inserti in spugna tDCS e degli elettrodi in gomma.
  4. Accendere il dispositivo tDCS convenzionale capovolgendo l'interruttore di alimentazione su ON.
    NOTA: Assicurarsi che la scarica della batteria non sia illuminata. Se è illuminato, cambiare le batterie prima di avviare la sessione.
    1. Per i partecipanti che ricevono elettrodi di spugna convenzionali o sham tDCS, immergere leggermente due elettrodi di spugna da 25 cm2 con salina. Assicurarsi che l'intero elettrodo sia coperto ma non gocciolante. Inserire l'elettrodo di gomma negli elettrodi salini bagnati e collegare ogni elettrodo al dispositivo tDCS.
  5. Individuare l'hotspot contrassegnato (M1 destro) utilizzando la navigazione neuronaviga e contrassegnarlo con un marcatore non tossico. Alla fine di ogni sessione tDCS, HD-tDCS o finta, contrassegnare nuovamente l'hotspot in modo che sia visibile il giorno successivo.
    1. Se randomizzato al tradizionale tDCS o finto tDCS, posizionare un elettrodo di spugna imbevuto di 25 cm2 salini sopra l'hotspot contrassegnato dal partecipante (Destra M1), fungendo da anodo. Posizionare gli altri 25 cm2 spugna imbevuta di spugna sulla regione sovraorbitale contralaterale, che rappresenta il catodo. Utilizzare una "fascia" pediatrica in plastica leggera per tenere gli elettrodi in posizione.
      NOTA: Assicurarsi che non vi sia alcun gocciolamento salina dall'elettrodo in quanto potrebbe evitare la corrente.
    2. Nel gruppo sham e tDCS convenzionale, garantire la qualità del contatto "ottimale". Se la qualità del contatto è "sub-ottimale", iniettare una piccola quantità di soluzione salina sotto gli elettrodi della spugna, o assicurarsi che ci siano capelli minimi tra il cuoio capelluto e l'elettrodo.
      NOTA: la qualità del contatto "ottimale" si ottiene quando sono accese più della metà delle luci dell'indicatore di contatto. Se meno della metà delle luci dell'indicatore di contatto sono accese, la qualità del contatto è non ottimale. Non iniziare la stimolazione se solo una delle due luci dell'indicatore sono accese.
    3. Nel gruppo HD-tDCS, fare riferimento a Villamar, M.F., et al.16 per l'appropriato set-up.
    4. Nel gruppo HD-tDCS, impostare il dispositivo sull'impostazione Scansione per controllare l'impedimento ad ogni elettrodo. Assicurarsi che l'impedibile sia inferiore a 1 "unità di qualità" e descritto in precedenza19,20. Se la qualità del contatto è scarsa, rimuovere l'elettrodo e verificare che non vi siano peli che ostruiscono il contatto dell'elettrodo e che sia presente una colonna continua di gel di elettrodo tra il cuoio capelluto e l'elettrodo. Se necessario, applicare più gel elettrodo.
  6. Impostare il dispositivo tDCS e HD-tDCS sull'impostazione di montaggio degli anodi, 1 mA di forza corrente e durata di 20 min.
  7. Assicurati che il partecipante sia seduto comodamente e capisca le possibili sensazioni che può provare (come sensazioni pruriginose o formicolio). Ricorda al partecipante di comunicare se sente qualche disagio o se ha domande.
    1. Nei gruppi tDCS e HD-tDCS convenzionali, assicurarsi che l'interruttore sia impostato su Attivo.
      NOTA: per il gruppo sham, l'interruttore deve essere impostato su Sham. Questa impostazione deve essere nascosta al partecipante.
    2. Premere il pulsante Start del dispositivo per avviare la stimolazione. Assicurarsi che la durata sia impostata su 20 min e l'intensità a 1 mA.
      NOTA: Nei gruppi tradizionali tDCS e HD-tDCS, la corrente aumenterà di oltre 30 s a 1 mA e continuerà per 20 min. Nel gruppo sham tDCS, la corrente sarà dilagata per oltre 30 s a 1 mA e immediatamente dilagata oltre 30 s.
  8. A 5 min, 10 min, 15 min, e 20 min, hanno il partecipante completare il PPT tre volte utilizzando la mano sinistra.
  9. Dopo 20 min, spegnere il dispositivo dopo che l'intensità termina la rampa verso il basso a 0 mA.
    NOTA: per i partecipanti che ricevono tDCS convenzionale o HD-tDCS, la macchina si abbassa automaticamente a 0 mA a 20 min. Per i partecipanti che ricevono finto tDCS, la macchina aumenterà automaticamente di oltre 30 s a 1 mA e immediatamente si allontanerà a 0 mA su 30 s a 20 min.
  10. Rimuovere gli elettrodi dalla testa del partecipante.
  11. Per finto e gruppo tDCS convenzionale, rimuovere gli elettrodi neri dall'interno delle spugne e risciacquare l'elettrodo di spugna con acqua del rubinetto normale.
    1. Nel gruppo HD-tDCS, togliere la parte superiore del supporto dell'elettrodo di plastica e rimuovere gli elettrodi. Rimuovere il tappo dell'elettrodo dalla testa dei partecipanti. Sciacquare il gel nel supporto dell'elettrodo. Pulire l'elettrodo con un tovagliolo di carta leggermente umido. Pulire l'elettrodo con un tovagliolo di carta asciutto per rimuovere il gel rimanente.
  12. Chiedi a tutti i partecipanti di compilare il questionario di stimolazione diretta-corrente transcranica Side-effects and Tolerability dopo ogni sessione di stimolazione.
  13. Chiedi ai partecipanti di completare il PPT tre volte usando la mano sinistra.
    1. Chiedere ai partecipanti di tornare il giorno successivo e per altri quattro giorni consecutivi (cinque giorni in totale) per la stimolazione cerebrale non invasiva (sham, tDCS o HD-tDCS) abbinata all'apprendimento motorio (PPT). Ripetere i passaggi da 3.2 a 3.13 del giorno 2-4. Il giorno 5, chiedi ai partecipanti di iniziare con la stimolazione cerebrale non invasiva (sham, tDCS o HD-tDCS) (i passaggi 3.2-3.13 si ripetono). Dopo una pausa (45 min-1,5 h dalla ricezione della stimolazione), avviare la mappatura robotica del motore TMS (passaggi 2.3-2.5.8).
      NOTA: tutti i partecipanti hanno ricevuto lo stesso numero di minuti per le pause tra una valutazione e l'ultima.
    2. Dopo 6 settimane, invita i partecipanti a tornare ed eseguire il PPT senza ricevere alcuna stimolazione cerebrale non invasiva (passaggio 3.2 seguito da mappatura robotica del motore TMS (passaggio 2.5.8)).

Risultati

Utilizzando i metodi qui presentati, abbiamo completato uno studio interventistico randomizzato, controllato da sham8. Sono stati reclutati bambini con la mano destra (n - 24, età 12-18 anni) senza controindicazioni per entrambi i tipi di stimolazione cerebrale non invasiva. I partecipanti sono stati specificamente esclusi in questo studio se sui farmaci neuropsicotropici o se non erano ingenui a tDCS. Non ci sono stati abbandoni.

Discussione

TMS è stato esplorato anche in popolazioni pediatriche cliniche, tra cui ictus perinatale22 e paralisi cerebrale, dove le mappe motorie TMS sono state create con successo in bambini con paralisi cerebrale per esplorare i meccanismi di plasticità interventiva. Utilizzando un protocollo stabilito8, le mappe motorie TMS sono state raccolte con successo nei bambini in genere in via di sviluppo, e sono attualmente in fase di raccolta in uno studio clinico multicentro in corso ...

Divulgazioni

Gli autori non hanno divulgazioni.

Riconoscimenti

Questo studio è stato sostenuto dal Canadian Institutes of Health Research.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
1x1 SMARTscan StimulatorSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/1x1/tdcs/device
4x1 HD-tDCS AdaptorSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4x1
Brainsight NeuronavigationRoge Resolutionhttps://www.rogue-resolutions.com/catalogue/neuro-navigation/brainsight-tms-navigation/
Carbon Rubber ElectrodeSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/carbon-ruber-electrode
EASYpad ElectrodeSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easypad
EASYstrapsSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easystrap
EMG AmplifierBortec Biomedicalhttp://www.bortec.ca/pages/amt_16.htm
HD1 Electrode HolderSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd1-holderStandard Base HD-Electrode Holder for High Definition tES (HD-tES)
HD-ElectrodeSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-electrodeSintered ring HD-Electrode.
HD-GelSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-gelHD-GEL for High Definition tES (HD-tES)
Micro 1401 Data Acquisition SystemCambridge Electronics http://ced.co.uk/products/mic3in
Purdue PegboardLafayette Instrument Company
Saline solutionBaxterhttp://www.baxter.ca/en/products-expertise/iv-solutions-premixed-drugs/products/iv-solutions.page
Soterix Medical HD-CapSoterix Medical Inc.https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-cap
TMS RobotAxilium Roboticshttp://www.axilumrobotics.com/en/
TMS Stimulator and CoilMagstim Inchttps://www.magstim.com/neuromodulation/

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