発達中の脳における運動皮質の非侵襲的変調とロボットマッピング

要約

小児のモータ皮質の変調(tDCS、HD-tDCS)およびマッピング(ロボットTMS)のためのプロトコルを示す。

要約

経頭蓋磁気刺激(TMS)で運動皮質をマッピングすると、運動皮質の生理学と可塑性を調知る可能性がありますが、小児には独特の課題があります。同様に、経頭蓋直流刺激(tDCS)は成人の運動学習を改善することができるが、最近では小児に適用されたばかりである。tDCSおよび高精細tDCS(HD-tDCS)のような新しい技術の使用は、発達中の脳における特別な方法論的考慮を必要とする。ロボットTMSモータマッピングは、特に発達中の脳において、マッピングのためのユニークな利点を与える可能性があります。ここでは、小児の運動皮質変調と運動マップを同時に探索できる2つの統合方法に対して、実用的で標準化されたアプローチを提供することを目指す。まず、ロボットTMSモータマッピングのプロトコルについて述述えます。モーター皮質を中心とした個別化されたMRIナビゲート12x12グリッドは、シングルパルスTMSを管理するロボットをガイドします。グリッド ポイントごとの平均モータ誘発電位(MEP)振幅は、マップ面積、体積、重心などの結果を持つ個々の手筋の 3D モーター マップを生成するために使用されます。両方の方法の安全性と許容度を測定するためのツールも含まれています。第二に、tDCSとHD-tDCSの両方を用いて、モータ皮質と運動学習を調節する。実験的なトレーニングパラダイムとサンプル結果について説明します。これらの方法は、小児における非侵襲的脳刺激の適用を進める。

概要

非侵襲的な脳刺激は、人間の脳機能1、2の両方を測定し、調節することができます。最も一般的な標的は、運動体質であり、一部は即時かつ測定可能な生物学的出力(運動誘発電位)だけでなく、運動系の機能不全および障害をもたらす神経疾患の高い有病率によるものである。この大きな世界的な負担は、脳性麻痺などの小児に影響を与える状態の高い割合を含み、全世界で約1700万人に影響を与える生涯障害の主な原因3。この臨床的な関連性と神経刺激技術の多様かつ増加する能力にもかかわらず、発達中の脳のアプリケーション^は、4を定義し始めている。小児における既存および新たな非侵襲的脳刺激法の改善された特徴付けは、発達中の脳における応用を進めるために必要とされる。

経頭蓋磁気刺激(TMS)は、成人の非侵襲的、痛みのない、十分に許容され、安全プロファイルのためにますます使用されている確立された神経生理学的ツールです。子供のTMSの経験は比較的限られているが、着実に増加している。TMSは、標的筋運動誘発電位(MEP)に反射された正味出力を有する脳内皮質神経集団の局所活性化を誘導する磁場を提供する。単一パルスTMSの系統的な適用は、生体内の運動皮質の地図を定義することができる。精液動物研究5と新しいヒトTMS^研究6は、運動マップが皮質神経可塑性のメカニズムを知らせるのにどのように役立するかを示している。ナビゲートされたモータマッピングは、機能的皮質領域を調べるために人間の運動皮質をマッピングするために使用されるTMS技術です。モータマップの変化は、人間のモータシステム7のプラスチック変化に関連している。ロボットTMS技術の最近の進歩は、モータマッピングの効率と精度を向上させる新しい機会をもたらしました。私たちのグループは最近、ロボットTMSモーターマッピングが子供8で実現可能で、効率的で、十分に許容であることを実証しました。

経頭蓋直流刺激(tDCS)は、皮質興奮性をシフトし、人間の行動を調節することができる非侵襲的な脳刺激の一形態である。成人におけるtDCSの効果を調べる研究は多数行われている(>10,000人の被験者)が、研究の2%未満が発達する脳9に焦点を当てている。小児科のアプリケーションへの成人の証拠の翻訳は複雑であり、子供の複雑な違いのために修正されたプロトコルが必要です。例えば、私たちと他の人は、子供たちが大人10、11に比べて大きく、より強い電界を経験することを示しています。子どものtDCSメソッドの標準化は、安全で一貫性のあるアプリケーションを確保し、レプリケーションを改善し、フィールドを進めるために重要です。小児における運動学習変調tDCSの経験は限られているが、^{増加する12.}特定の脳性麻痺集団へのtDCSの翻訳アプリケーションは、後期^{臨床試験13}に向けて進んでいる。高精細tDCS(HD-tDCS)を介して適用されるより多くの焦点刺激への努力は、^子供14で初めて研究されたばかりです。我々は、HD-tDCSが健康な子供の従来のtDCSと同様の改善を生み出す14.HD-tDCS メソッドを記述すると、子におけるレプリケーションや、このようなプロトコルのさらなる適用が可能になります。

プロトコル

このプロトコルに記載されているすべての方法は、カルガリー大学のコンジョイント健康研究倫理委員会(REB16-2474)によって承認されています。プロトコルについては、図1で説明します。

1. 非侵襲的な脳刺激禁忌

1. 募集前にTMS¹⁵およびtDCS¹の禁忌についてすべての参加者をスクリーニングします。

2. 経頭蓋磁気刺激モータマッピング

1. ナビゲートされた TMS の MRI の準備
   1. 各参加者の構造MRI(T1)を取得します。MRIが得られない場合は、モントリオール神経学研究所のテンプレートMRIを使用してください。
   2. DICOM または NIFTI 形式の MRI ファイルをニューロナビゲーション ソフトウェアにインポートします (材料の表を参照)。
2. TMS ターゲット軌道
   1. タブを使用して皮膚と完全な脳曲率を再構築するために神経ナビゲーションソフトウェアを使用してください。
   2. [新規]、[スキン]、および [スキンの計算]を選択します。 機首と頭の上が含まれていることを確認します。
   3. [新規]と[完全な脳の曲線表示]を選択します。緑色の選択ボックスを脳の外側ではなく頭蓋骨の内側に囲みます。[曲線を計算]を選択します。剥離深さを4.0~6.0mmに調整します。
   4. [ランドマークを構成] を選択します。鼻の先端に4つのランドマークを配置し、鼻、および再構築された皮膚の両耳の切り欠き。解剖学に対応するランドマークに名前を付けます。
   5. 曲線的な脳を表示するには、[ターゲット] タブを選択します。[新規]と [長方形のグリッド]を選択します。運動皮質の「ハンドノブ」の上に7mm間隔を持つ均一な12 x 12座標グリッドを^配置します(前中央ジャイル)17。
   6. 右側のターゲット位置決めツールを使用して、回転、傾き、曲率のグリッド位置を最適化します。グリッドポイントを軌道に変換し、ロボットがTMSコイルを配置するように導きます。彼らは脳の縦方向の裂け合いに45°であることを軌道の角度を調整します。
   7. SNAPツールを使用して、曲線脳を外挿し、軌道を最適化します。
   8. TMSロボットアームとシートを初期化して位置付けし、フォースセンサーテストを使用してフォースプレートセンサーをキャリブレーションします。
3. モータ マッピングの参加者の準備
   1. 参加者に安全^{アンケート18}に記入してもらいます。
   2. 参加者がロボットチェアに快適に座ったら、背もたれとネックレストを調整します。足が支えられていることを確認します。枕で腕と手を支え、マッピングセッションの間、手が安静位置にあることを確認します。
      注:子供や青少年は、彼らの手をリラックス保つために、セッション全体を通してリマインダーが必要になります。
   3. 目的の筋肉の上に皮膚をきれいにします。参加者の両手と前腕にAg/AgCl表面電極を配置し、4つの遠位前肢筋、1)最初の背中の相互同体(FDI)の腹、2)誘拐者ポリス・ブレビス(APB)、3)誘拐デジトリミ(ADM)、および4)手首を標的にする。エクステンソル(エクステンソルカルピウルナリス)。
   4. 表面電極を筋電図(EMG)アンプとデータ集録システムで接続し、互換性のあるEMGソフトウェアを使用してデータ収集コンピュータにアンプを接続します。
   5. ランドマーク ポインターを使用して、参加者の頭の 4 つのランドマークを共同登録します。[検証] タブを使用して、参加者の頭部が正しく登録されていることを確認します。
4. モータ マッピング TMS 強度の決定
   1. 参加者の「ハンドノブ」に最も近いグリッドポイントを選択します。ロボットが保持する TMS コイルをこのターゲット位置に合わせるには、[ターゲットに合わせる]ボタンを選択します。で[連絡先]を選択します。接触力インジケーターを使用して、接触品質を監視します。インジケータが緑または黄色であることを確認します。
      注:接触インジケータの赤い色は、参加者の頭にあまりにも多くの力があることを意味します。色がないということは、TMSコイルが参加者の頭部と接触していないことを意味します。このような場合は、フォースプレートの感度を調整します。
   2. 参加者にロボットアームの範囲外に移動しないように指示します。参加者の手の筋肉がリラックスし、接触する前に残っていることを確認してください。
   3. 参加者が移動してもコイルがターゲットの中央に置かれたままになるように、[整列]と[フォロー]を選択します。
   4. TMS マシンの TMS トリガー ボタンを使用して、最大刺激出力 (MSO) の 40 ~ 60% の強度で 5 ~ 10 TMS パルスを提供します。「ハンドノブ」を囲む5~6グリッドポイントにこの手順を繰り返します。
   5. 左右の FDI 筋肉の最大かつ最も一貫性のある (ホットスポット) モータ呼び出し電位 (MEP) を与えるグリッド ポイントを決定します。
   6. 5/10刺激でFDI筋で少なくとも50 μVのMEPを生成する最も低い強度として休止モータ閾値(RMT)を決定します。
5. モータマッピング
   1. ホットスポットに最も近いグリッドポイントから始まり、1sの相互刺激で4つの単パルスTMSパルス(1 Hz)を送り、TMS強度は120%RMTです。応答性のグリッドポイントは、手の筋肉のいずれかで2/4 MEP>50 μVによって決定されます。
   2. 隣接するグリッドポイントに移動し、上記の手順を繰り返します。
   3. 応答しないポイント (マップの最初の境界領域) に到達するまで、応答ポイントに沿って直線的に続行します。
   4. マッピングを続行して、長方形グリッドの 4 方向すべてに境界線ポイントを設定します。
   5. オフライン分析のためのEMGソフトウェアを使用して、すべての筋肉からすべてのMEPを記録します。
   6. 3~4グリッドポイントの後、[連絡オフ]を選択し、続行する準備が整うまで休憩を参加者に与えます。
   7. マッピングセッションを通して、参加者が快適であることを確認し、休憩が必要であることを確認するために、参加者と継続的にチェックインします。
   8. 同じグリッドのハードコピーバージョンを使用して、シミュレーションの順序をタックして詳細な解析を行います。
   9. ここで説明するロボット TMS を使用した完全なマッピング、または手動で (この原稿では説明しません)。TMSロボットを使用している場合は、実験者が選択したグリッドポイントに移動します。ロボットは、ほぼリアルタイムで子供の頭の動きのために収容します。これにより、作業者の頭にコイルを手動で保持する技術者に関連する追加の動きが軽減されます。
      注:TMSロボットを使用してマッピングする場合は、セッション中に常にロボットの横に実験者がいることを確認してください。ロボットが参加者の頭の上に置かれ、参加者が突然動くと、ロボットは頭に従おうとします。参加者が頭の動きを伴う動き、くしゃみ、傷、または活動を行う必要がある場合は、参加者の頭部がロボットの腕やTMSコイルに当たるのを防ぐために、ロボットアームを動かす必要があります。
6. モータマップ作成
   1. カスタムメイドのコーディングスクリプトを使用して、3次元モーターマップを生成します(図2)。スクリプトの作成者に問い合わせください。
   2. 応答性の高い軌道サイトを使用してモータ マップの面積と体積を計算します。重心(COG)を各座標位置のモータ表現の加重平均として計算します。
      注: マップ領域は、グリッド間隔(7 mm)2に応答サイトの合計数を掛けた値として計算されます。マップ ボリュームは、各応答部位の平均 MEP 振幅を掛けたグリッド間隔の累積合計として計算されます。ユーザーフレンドリーなスクリプトのバージョンは、オープンソースとして一般の人々と共有するために開発されています。一方、対応する作成者に問い合わせ、スクリプトにアクセスしてください。

3. 従来のtDCSおよびHD-tDCSアプリケーション

1. 参加者を3つの介入グループ(シャム、従来のtDCS、HD-tDCS)のいずれかにランダム化します。
2. 参加者に左手(非支配的)を使用してパーデューペグボードテスト(PPT)を3回完了させ、ベースラインスコアを設定します。
3. 電極の品質を検査し、tDCSスポンジインサートとゴム電極の完全性を確認します。
4. 電源スイッチをONに切り替えて、従来の tDCS デバイスの電源を入れます。
   メモ:低バッテリライトが点灯していないことを確認します。点灯している場合は、セッションを開始する前にバッテリを交換してください。
   1. 従来またはシャムtDCSを受け取る参加者のために、軽く生理生理塩水で25 cm²スポンジ電極を2つ浸します。電極全体が覆われているが、滴り落ちていないことを確認します。生理生理生理にゴム電極を挿入し、各電極をtDCS装置に接続します。
5. ニューロナビゲーションを使用してマークされたホットスポット(右M1)を見つけ、非毒性マーカーでマークします。各 tDCS、HD-tDCS、またはシャム セッションの終了時に、ホットスポットを次の日に表示できるように再度マークします。
   1. 従来のtDCSまたはシャムtDCSにランダム化した場合は、参加者のマークされたホットスポット(右M1)の上に25cm2の生理食液浸したスポンジ電極を1つ置き、陽極として機能します。他の25 cm²生理生殖水浸しスポンジ電極をカソードを表す反対方眼窩領域に置きます。軽いプラスチック小児科の「ヘッドバンド」を使用して、電極を所定の位置に保持します。
      注: 電流をシャントする可能性があるため、電極から生理生理が滴り落ちていないことを確認します。
   2. シャムおよび従来のtDCSグループでは、「最適な」接触品質を確保します。接触品質が「最適でない」場合は、スポンジ電極の下に少量の生理食液を注入するか、頭皮と電極の間に最小限の毛があることを確認してください。
      注:接触インジケータライトの品質の半分以上が点灯している場合、「最適な」接触品質が達成されます。接触インジケーターライトの半分未満が点灯している場合、接触品質は最適ではありません。インジケーターライトの 2 つのうちの 1 つだけが点灯している場合は、刺激を開始しないでください。
   3. HD-tDCSグループでは、適切なセットアップについては、ヴィラマール、M.F.、^ら16を参照してください。
   4. HD-tDCS グループで、デバイスを[スキャン]設定に設定して、各電極のインピーダンスを確認します。インピーダンスが1つの「品質単位」の下にあり、前述の19、20であることを確認してください。接触品質が悪い場合は、電極を取り外し、電極の接触を妨げる毛髪がないことを確認し、頭皮と電極の間に連続的な電極柱が存在することを確認します。必要に応じて、より多くの電極ゲルを適用します。
6. tDCS および HD-tDCS デバイスをアノード モンタージュ設定、1 mA 電流強度、および 20 分の継続時間に設定します。
7. 参加者が快適に座っていることを確認し、彼らが経験する可能性のある感覚(かゆみやヒリヒリ感など)を理解していることを確認します。不快感を感じた場合や質問がある場合は、参加者に伝えなさい。
   1. 従来の tDCS および HD-tDCS グループでは、トグルが[アクティブ]に設定されていることを確認します。
      注: シャム グループの場合、トグルは[シャム"に設定する必要があります。この設定は、参加者から非表示にする必要があります。
   2. デバイスのスタートボタンを押して刺激を開始します。継続時間が 20 分に設定され、強度が 1 mA に設定されていることを確認します。
      注:従来のtDCSおよびHD-tDCSグループでは、電流は30s~1 mAを超えて上昇し、20分間続きます。シャムtDCSグループでは、電流は30sから1 mAに上昇し、すぐに30sを超えて傾斜します。
8. 5分、10分、15分、20分で、参加者に左手を使って3回PPTを完了しさせる。
9. 20 分後、強度が 0 mA に下がった後、デバイスの電源を切ります。
   注:従来のtDCSまたはHD-tDCSのいずれかを受け取った参加者のために、マシンは自動的に20分で0 mAに傾斜します。シャムtDCSを受け取った参加者のために、マシンは自動的に30 sから1 mAに上がり、すぐに20分で30s以上の0 mAに傾斜します。
10. 参加者の頭から電極を取り外します。
11. シャムおよび従来のtDCS群の場合は、スポンジ内部から黒色の電極を取り出し、通常の水道水でスポンジ電極をすすぎます。
    1. HD-tDCSグループでは、プラスチック製電極ホルダー上部を取り外し、電極を取り外します。参加者の頭から電極キャップを取り外します。電極ホルダー内のゲルをすすいで下します。わずかに湿ったペーパータオルで電極をきれいにします。乾いたペーパータオルで電極を拭き取り、残りのゲルを取り除きます。
12. 各刺激セッションの後、すべての参加者に経頭蓋直流刺激副作用と耐容性アンケートを完了してもらいます。
13. 参加者に左手を使ってPPTを3回完了しさせる。
    1. 参加者に翌日に戻し、非侵襲的な脳刺激(シャム、tDCS、またはHD-tDCS)と運動学習(PPT)を組み合わせた4日間(合計5日間)を返しさせる。2~4日目に手順3.2-3.13を繰り返します。5日目に、参加者に非侵襲的な脳刺激(シャム、tDCSまたはHD-tDCS)から始めさ(ステップ3.2-3.13を繰り返す)。休憩後(刺激を受けてから45分~1.5時間)、ロボットTMSモータマッピングを開始します(ステップ2.3-2.5.8)。
       注: すべての参加者は、評価間の休憩に同じ分数を受け取りました。
    2. 6週間後、非侵襲的な脳刺激を受けずにPPTを戻して実行してもらいます(ステップ3.2、ロボットTMSモーターマッピング(ステップ2.5.8))。

結果

ここで提示した方法を使用して、ランダム化された、シャム制御の介入試験8を完了しました。両方のタイプの非侵襲的な脳刺激に対する禁忌のない右利きの小児(n=24、12-18歳)を募集した。参加者は、神経向精神薬の場合、またはtDCSにナイーブではなかった場合、この研究で特に除外されました.ドロップアウトはありませんでした。

ディスカッション

TMSはまた、周産期^脳卒中22および脳性麻痺を含む臨床小児集団においても探索され、そこでTMSモーターマップは脳性麻痺の小児で正常に作成され、介入可塑性のメカニズムを探索した。確立されたプロトコル8を使用して、TMSモーターマップは、一般的に発達している小児で正常に収集され、現在、周産期脳卒中および片麻痺性脳性麻痺を持つ小児のための?...

資料

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/