Modulação não invasiva e mapeamento robótico do córtex motor no cérebro em desenvolvimento

Resumo

Nós demonstramos protocolos para a modulação (tDCS, HD-tDCS) e o traço (TMS robótico) do córtice de motor nas crianças.

Resumo

O mapeamento do córtex motor com estimulação magnética transcraniana (TMS) tem potencial para interrogar a fisiologia e a plasticidade do córtex motor, mas acarreta desafios únicos em crianças. Similarmente, a estimulação transcraniana da corrente contínua (tDCS) pode melhorar a aprendizagem do motor nos adultos mas foi aplicada somente recentemente às crianças. O uso de tDCS e de técnicas emergentes como tDCS de alta definição (HD-tDCS) requer considerações metodológicas especiais no cérebro em desenvolvimento. O mapeamento robótico do motor TMS pode conferir vantagens exclusivas para o mapeamento, particularmente no cérebro em desenvolvimento. Aqui, pretendemos fornecer uma abordagem prática e padronizada para dois métodos integrados capazes de explorar simultaneamente a modulação do córtex motor e mapas de motor em crianças. Primeiramente, nós descrevemos um protocolo para o mapeamento robótico do motor TMS. Individualizados, as grades de 12x12 navegadas por RM centralizadas no córtex motor orientam um robô para administrar TMS de pulso único. As amplitudes do potencial evocado motor médio (MEP) por ponto de grade são usadas para gerar mapas de motor 3D de músculos individuais da mão com resultados que incluem a área do mapa, o volume, e o centro de gravidade. Ferramentas para medir a segurança e tolerabilidade de ambos os métodos também estão incluídos. Em segundo lugar, descrevemos a aplicação de tDCS e HD-tDCS para modular o córtex motor e a aprendizagem motora. Um paradigma de treinamento experimental e resultados da amostra são descritos. Estes métodos avançarão a aplicação da estimulação cerebral não invasora nas crianças.

Introdução

A estimulação cerebral não invasiva pode medir e modular a função cerebral humana^1,2. O alvo mais comum foi o córtex motor, em parte devido a uma saída biológica imediata e mensurável (potenciais evocados motores), mas também a alta prevalência de doenças neurológicas resultando em disfunção do sistema motor e incapacidade. Esta grande carga global da doença inclui uma alta proporção de condições que afetam crianças como a paralisia cerebral, a principal causa de incapacidade ao longo da vida afetando cerca de 17 milhões pessoas no mundo³. Apesar dessa relevância clínica e das capacidades diversificadas e crescentes das tecnologias de neuroestimulação, as aplicações no cérebro em desenvolvimento estão apenas começando a ser definidas⁴. A caracterização melhorada de métodos não-invasivos existentes e emergentes da estimulação do cérebro nas crianças é exigida para avançar aplicações no cérebro tornando-se.

A estimulação magnética transcraniana (TMS) é uma ferramenta neurophysiological bem estabelecida que está sendo usada cada vez mais para seu perfil não invasor, painless, bem tolerado e da segurança nos adultos. A experiência de TMS nas crianças é relativamente limitada mas firmemente aumentando. TMS entrega campos magnéticos para induzir a ativação regional de populações neuronal corticais no cérebro com saídas líquidas refletidas em potenciais evocados do motor do músculo do alvo (MEP). A aplicação sistemática do único pulso TMS pode definir mapas do córtice do motor in vivo. Os estudos animais seminal⁵ e os estudos humanos emergentes de TMS⁶ mostraram como os mapas do motor podem ajudar a informar mecanismos da neuroplasticidade cortical. O mapeamento motor navegado é uma técnica de TMS que seja usada para mapear para fora o córtice de motor humano para interrogar regiões corticais funcionais. As mudanças no mapa do motor foram associadas com as mudanças plásticas do sistema humano do motor⁷. Avanços recentes na tecnologia robótica TMS trouxeram novas oportunidades para melhorar a eficiência e a precisão do mapeamento motor. Nosso grupo demonstrou recentemente que o mapeamento robótico de motores TMS é viável, eficiente e bem tolerado em crianças⁸.

A estimulação transcraniana de corrente contínua (tDCS) é uma forma de estimulação cerebral não invasiva que pode deslocar a excitabilidade cortical e modular os comportamentos humanos. Houve uma infinidade de estudos examinando o efeito de tDCS em adultos (> 10000 indivíduos), mas menos de 2% dos estudos têm focado no cérebro em desenvolvimento⁹. A tradução de evidências adultas para aplicações de Pediatria é complexa, e protocolos modificados são necessários devido a diferenças complexas em crianças. Por exemplo, nós e outros mostramos que as crianças experimentam campos elétricos maiores e mais fortes em comparação aos adultos^10,11. A padronização dos métodos de tDCS em crianças é importante para garantir uma aplicação segura e consistente, melhorar a replicação e avançar o campo. A experiência de tDCS de modulação de aprendizagem motora em crianças é limitada, mas aumentando¹². As aplicações translational de tDCS às populações específicas da paralisia cerebral estão avançando para testes clínicos da fase atrasada¹³. Os esforços para a estimulação mais focal aplicada através de tDCS de alta definição (HD-tDCS) apenas foram estudados pela primeira vez em crianças¹⁴. Nós demonstramos que o HD-tDCS produz melhorias similares na aprendizagem motora como tDCS convencionais em crianças saudáveis¹⁴. Descrever os métodos de DH-tDCS permitirá a replicação e outras aplicações de tais protocolos em crianças.

Protocolo

Todos os métodos descritos neste protocolo foram aprovados pelo Conselho de ética em pesquisa em saúde conjunta da Universidade de Calgary (REB16-2474). O protocolo é descrito na Figura 1.

1. contraindicações de estimulação cerebral não invasiva

1. Tela todos os participantes para contra-indicações para TMS¹⁵ e tDCS¹ antes do recrutamento.

2. mapeamento de motor de estimulação magnética transcraniana

1. Preparando MRI para TMS navegado
   1. Obter a RM estrutural de cada participante (T1). Se um MRI é inalcançável, use um modelo MRI do Instituto Neurológico de Montreal.
   2. Importe o arquivo de MRI no formato de DICOM ou de NIfTI ao software do neuronavegação (veja tabela dos materiais).
2. Trajetórias alvo TMS
   1. Use o software do neuronavegação para reconstruir a pele e o cérebro cheio curvilinear usando as abas.
   2. Selecione novapele, pelee computação. Assegure-se de que o nariz e a parte superior da cabeça estejam incluídos.
   3. Selecione novo, e curvilinear cérebro completo. Coloque a caixa de seleção verde fora do cérebro, mas dentro do crânio. Selecione computar curvilinear. Ajuste a profundidade da casca para 4,0-6,0 mm.
   4. Selecione Configurar pontos de referência. Coloque quatro pontos de referência na ponta do nariz, Nasion, e os entalhes de ambas as orelhas da pele reconstruída. Nomeie os marcos correspondentes à sua anatomia.
   5. Selecione a guia targets para visualizar o cérebro curvilíneo. Selecione novoe grade retangular. Coloque o uniforme 12 x 12 grades de coordenadas com espaçamento de 7 mm na superfície do cérebro reconstruído sobre o "manípulo" do córtex motor (giro PreCentral)¹⁷.
   6. Use a ferramenta de posicionamento de destino à direita para otimizar o posicionamento da grade para rotação, inclinação e curvatura. Converta os pontos de grade em trajetórias que guiarão o robô para posicionar a bobina TMS. Ajuste o ângulo das trajetórias para que eles sejam 45 ° para a fissura longitudinal do cérebro.
   7. Use a ferramenta snap para extrapolar e otimizar as trajetórias para o cérebro curvilíneo.
   8. Inicialize e posicione o braço e o assento do robô TMS à posição bem-vinda e calibre o sensor da placa de força usando o teste do sensor da força.
3. Preparando o participante para o mapeamento do motor
   1. Os participantes preenchem um questionário de segurança¹⁸.
   2. Uma vez que os participantes sentados confortavelmente na cadeira do robô, ajustar o encosto e neckrest. Assegure-se de que seus pés sejam apoiados. Apoie os braços e as mãos com travesseiros para garantir que suas mãos estejam em uma posição de repouso durante a sessão de mapeamento.
      Nota: crianças e adolescentes precisarão de lembretes durante toda a sessão para manter as mãos relaxadas.
   3. Limpe a pele sobre o músculo do interesse. Coloque os eletrodos de superfície Ag/AgCl em ambas as mãos e antebraços do participante, visando quatro músculos do membro torácico distal, 1) a barriga do primeiro interosseous dorsal (IDE), 2) abdutor do do polegar brevis (APB), 3) abdutor abdutor do minimi (ADM), e 4) o pulso extensor (extensor de Carpi ulnaris).
   4. Conecte os eletrodos de superfície com amplificador eletromiográfico (EMG) e sistema de aquisição de dados e conecte o amplificador a um computador de coleta de dados com um software EMG compatível.
   5. Coregistre os quatro pontos de referência na cabeça do participante usando o ponteiro do Marco. Use a guia de validação para garantir que a cabeça do participante esteja registrada corretamente.
4. Determinando a intensidade do mapeamento do motor TMS
   1. Selecione um ponto de grade mais próximo do "botão de mão" do participante. Selecione o alinhar ao botão de destino para alinhar a bobina TMS mantida pelo robô a este local de destino. Selecione contato em. Monitore a qualidade do contato usando o indicador de força de contato. Assegure-se de que o indicador esteja verde ou amarelo.
      Nota: a cor vermelha no indicador de contato significa que há demasiada força na cabeça do participante. Nenhuma cor significa que a bobina TMS não está em contacto com a cabeça do participante. Nestes casos, ajuste a sensibilidade da placa de força.
   2. Instrua o participante a não se deslocar para fora do escopo do braço do robô. Assegure-se de que os músculos das mãos do participante estejam relaxados e permaneçam ainda antes do contato.
   3. Selecione alinhar e siga para que a bobina permaneça centralizada no alvo se o participante se mover.
   4. Use o botão do disparador TMS na máquina TMS para entregar 5-10 pulsos de TMS em uma intensidade entre a saída máxima do estimulador de 40-60% (mso). Repita este passo para 5-6 pontos de grade em torno do "manípulo".
   5. Determine o ponto de grade que dá o maior e mais consistente (hotspot) motor evocado potencial (MEP) para o músculo FDI esquerdo ou direito.
   6. Determine o limiar motor de repouso (RMT) como a menor intensidade que produz um PEMÁX de pelo menos 50 μV no músculo IDE em 5/10 estimulações.
5. Mapeamento do motor
   1. Partindo do ponto de grade o mais próximo ao hotspot, entregue quatro pulsos do único-pulso TMS (1 hertz) em um interestímulo de 1 s e de intensidade TMS de 120% RMT. Um ponto de grelha responsivo é determinado por 2/4 eurodeputados > 50 μV em qualquer dos músculos das mãos.
   2. Mova para o ponto de grade adjacente e repita a etapa acima.
   3. Continue sequencialmente de forma linear ao longo de pontos responsivos até que um ponto não responsivo seja atingido, que é a primeira região de borda do mapa.
   4. Continue o mapeamento para estabelecer os pontos de borda em todas as quatro direções da grade retangular.
   5. Registre todos os deputados de todos os músculos usando o software EMG para análise offline.
   6. Depois de 3-4 pontos de grade, selecione entrar em contato e dê uma pausa ao participante até que eles se sintam prontos para continuar.
   7. Ao longo da sessão de mapeamento, Verifique continuamente com o participante para garantir que eles são confortáveis e/ou precisam de uma pausa.
   8. Use uma versão de cópia impressa das mesmas grades para dar aderência à ordem de simulação para análise posterior.
   9. Mapeamento completo usando um TMS robótico como descrito aqui ou manualmente (não descrito neste manuscrito). Se estiver usando um robô TMS, ele se moverá para o ponto de grade selecionado pelo experimentador. O robô irá acomodar para o movimento da cabeça da criança em tempo real próximo. Isso aliviará qualquer movimento adicional associado a um técnico segurando manualmente a bobina na cabeça do participante.
      Nota: se o mapeamento usando um robô TMS, assegure-se de que há um experimentador ao lado do robô em todas as vezes durante a sessão. Se o robô é colocado na cabeça de um participante e o participante de repente se move, o robô tentará seguir sua cabeça. Se o participante deve mover, espirrar, arranhar, ou realizar uma atividade envolvendo o movimento de sua cabeça, o braço do robô deve ser movido para evitar a cabeça do participante de bater o braço do robô ou bobina TMS.
6. Criação do mapa do motor
   1. Usando um script de codificação feito medida, gere mapas de motor tridimensionais (Figura 2). Entre em contato com os autores para o roteiro.
   2. Calcule a área e o volume do mapa do motor usando sites de trajetória responsivo. Calcule o centro de gravidade (COG) como média ponderada das representações motoras de cada local de coordenadas.
      Nota: a área do mapa é calculada como o espaçamento da grelha (7 mm)² multiplicado pelo número total de sites responsivos. O volume do mapa é calculado como a soma cumulativa do espaçamento da grade multiplicado pela amplitude média do MEP em cada site responsivo. Uma versão amigável do script está sendo desenvolvida para compartilhar com o público como código aberto. Enquanto isso, entre em contato com o autor correspondente para obter acesso ao script.

3. convencional tDCS e HD-tDCS aplicação

1. Randomize os participantes para um dos três grupos de intervenção (Sham, tDCS convencionais, HD-tDCS).
2. Fazer com que o participante Complete o Purdue pegboard Test (PPT) três vezes usando sua mão esquerda (não dominante), estabelecendo sua pontuação basal.
3. Inspecione a qualidade do eletrodo para confirmar a integridade das inserções de esponja de tDCS e eletrodos de borracha.
4. Gire sobre o dispositivo convencional de tDCS lanç o interruptor de poder a sobre.
   Nota: Certifique-se de que a luz da bateria fraca não está iluminada. Se estiver iluminado, troque as pilhas antes de iniciar a sessão.
   1. Para os participantes que recebem tDCS convencionais ou Sham, mergulhe levemente 2 25 cm² eletrodos de esponja com soro fisiológico. Assegure-se de que todo o eléctrodo está coberto mas não pingando. Insira o eletrodo de borracha nos eletrodos de esponja embebido em soro fisiológico e conecte cada eletrodo ao dispositivo de tDCS.
5. Localize o ponto de acesso marcado (M1 à direita) usando a neuronavença e marque-o com um marcador não tóxico. No final de cada tDCS, HD-tDCS ou sessão Sham, marque o HotSpot novamente para que ele seja visível no dia seguinte.
   1. Se randomizado para tDCS convencionais ou tDCS Sham, coloque 1 25 cm² eletrodo de esponja embebido em soro fisiológico sobre o ponto de acesso marcado do participante (direita M1), servindo como o ânodo. Coloque o outro eletrodo de esponja embebido em soro fisiológico de 25 cm² na região supraorbital contralateral, representando o cáde. Use um "headband" pediatra plástico claro para prender os elétrodos no lugar.
      Nota: Assegure-se de que não há gotejamento de soro fisiológico do eletrodo, pois pode shunt a corrente.
   2. No grupo tDCS simulado e convencional, assegure a qualidade de contato "ideal". Se a qualidade de contato é sub-optimal, injetar uma pequena quantidade de solução salina os eletrodos de esponja, ou garantir que há um mínimo de cabelo entre o couro cabeludo e eletrodo.
      Nota: a qualidade de contacto "óptima" é alcançada quando mais da metade da qualidade das luzes indicadoras de contacto estão acesas. Se menos da metade das luzes indicadoras de contacto estiverem acesas, a qualidade do contacto é subóptima. Não comece a estimulação se apenas uma das duas luzes indicadoras estiverem acesas.
   3. No grupo DH-tDCS, consultar Villamar, M.F., et al.¹⁶ para a respectiva definição.
   4. No grupo HD-tDCS, defina o dispositivo para a configuração de digitalização para verificar a impedância em cada eletrodo. Assegure-se de que a impedância esteja 1 unidade da qualidade e descrita previamente^19,20. Se a qualidade de contato é fraca, retire o eletrodo e verifique se não há pêlos obstruindo o contato do eletrodo, e que uma coluna contínua de eletrodo de gel está presente entre o couro cabeludo e eletrodo. Se necessário, aplique mais gel de eletrodo.
6. Ajuste o dispositivo de tDCS e de HD-tDCS ao ajuste da montagem do ânodo, à força atual de 1 miliampère, e à duração de 20 minutos.
7. Assegure-se de que o participante esteja confortavelmente sentado e compreenda as possíveis sensações que podem vivenciar (como sensações de coceira ou formigamento). Lembre ao participante para se comunicar se sentir algum desconforto ou se tiver alguma dúvida.
   1. Nos grupos tDCS e HD-tDCS convencionais, certifique-se de que a alternância está definida como ativa.
      Nota: para o grupo Sham, a alternância deve ser definida como Sham. Essa configuração deve ser ocultada do participante.
   2. Pressione o botão Iniciar do dispositivo para iniciar a estimulação. Assegure-se de que a duração esteja definida para 20 min e a intensidade para 1 mA.
      Nota: nos grupos tDCS e HD-tDCS convencionais, a corrente irá subir mais de 30 s para 1 mA e continuar durante 20 min. No grupo de tDCS Sham, a corrente será ramped acima sobre 30 s a 1 miliampère e imediatamente ramped para baixo sobre 30 s.
8. A 5 min, 10 min, 15 min, e 20 min, tem o participante completar o PPT três vezes usando sua mão esquerda.
9. Depois de 20 min, desligue o aparelho após a intensidade terminar a rampa para baixo para 0 mA.
   Nota: para os participantes que recebem tDCS convencionais ou HD-tDCS, a máquina será automaticamente rampa para baixo para 0 mA a 20 min. Para os participantes que recebem tDCS Sham, a máquina será automaticamente rampa acima sobre 30 s para 1 mA e imediatamente rampa para baixo para 0 mA mais de 30 s em 20 min.
10. Retire os eléctrodos da cabeça do participante.
11. Para o grupo tDCS simulado e convencional, remova os eletrodos pretos de dentro das esponjas e enxague o eletrodo de esponja com água da torneira normal.
    1. No grupo de HD-tDCS, retire a parte superior plástica do suporte do elétrodo e remova os elétrodos. Retire a tampa do eléctrodo da cabeça dos participantes. Enxague qualquer gel no suporte do eléctrodo. Limpe o eletrodo com uma toalha de papel levemente úmida. Limpe o eletrodo com uma toalha de papel seco para remover qualquer gel remanescente.
12. Todos os participantes concluem o questionário de efeitos colaterais de estimulação de corrente contínua transcraniana e de tolerabilidade após cada sessão de estimulação.
13. Tenha os participantes completar o PPT três vezes usando sua mão esquerda.
    1. Os participantes retornarão no dia seguinte e por mais quatro dias consecutivos (total de cinco dias) para estimulação cerebral não invasiva (Sham, tDCS ou HD-tDCS) emparelhado com a aprendizagem motora (PPT). Repita os passos 3.2-3.13 no dia 2-4. No dia 5, os participantes começam com estimulação cerebral não invasiva (Sham, tDCS ou HD-tDCS) (as etapas 3.2-3.13 são repetidas). Após uma ruptura (45 min-~ 1.5 h desde receber a estimulação), comece o mapeamento robótico do motor TMS (etapas 2.3-2.5.8).
       Nota: todos os participantes receberam o mesmo número de minutos para intervalos entre as avaliações.
    2. Após 6 semanas, convide os participantes a retornarem e realizarem o PPT sem receber nenhuma estimulação cerebral não invasiva (etapa 3,2 seguida pelo mapeamento robótico do motor TMS (Step 2.5.8)).

Resultados

Usando os métodos aqui apresentados, completamos um ensaio intervencionista randomizado, controlado por Sham-⁸. Crianças destros (n = 24, idades 12-18) sem contra-indicações para ambos os tipos de estimulação cerebral não invasiva foram recrutadas. Os participantes foram especificamente excluídos neste estudo se em medicação drogas ou se eles não eram ingênuos para tDCS. Não houve desistências.

Discussão

TMS foi explorado igualmente em populações pediatras clínicas, incluindo o curso perinatal²² e a paralisia cerebral, onde o motor Maps de TMS foi criado com sucesso nas crianças com paralisia cerebral para explorar mecanismos da plasticidade do intervencionista. Usando um protocolo estabelecido⁸, os mapas de motor TMS foram coletados com sucesso em crianças tipicamente tornando-se, e estão sendo recolhidos atualmente em um ensaio clínico multicêntrico em curso para ...

Materiais

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/