Name: non-invasive modulation and robotic mapping of motor cortex in the developing brain
Uploaded: 2019-07-01T12:30:00
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Este estudo foi apoiado pelos institutos canadenses de pesquisa em saúde.

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
<ol><li>Tela todos os participantes para contra-indicações para TMS15 e tDCS1 antes do recrutamento.</li>
</ol>2. mapeamento de motor de estimulação magnética tra...

<ol>
	<li>Woods, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+technical+guide+to+tDCS,+and+related+non-invasive+brain+stimulation+tools.">A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools.</a> Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1031-1048 (2016).</li><li>Nitsche, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Facilitation+of+implicit+motor+learning+by+weak+transcranial+direct+current+stimulation+of+the+primary+motor+cortex+in+the+human.">Facilitation of implicit motor learning by weak transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex in the human.</a> Journal of Cognitive Neuroscience. 15 (4), 619-626 (2003).</li><li>Oskoui, M., Coutinho, F., Dykeman, J., Jett&#233;, N., Pringsheim, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+update+on+the+prevalence+of+cerebral+palsy:+a+systematic+review+and+meta-analysis.">An update on the prevalence of cerebral palsy: a systematic review and meta-analysis.</a> Developmental Medicine &amp; Child Neurology. 55 (6), 509-519 (2013).</li><li>Zewdie, E., Kirton, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TMS+Basics:+Single+and+Paired+Pulse+Neurophysiology.">TMS Basics: Single and Paired Pulse Neurophysiology.</a> Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).</li><li>Nudo, R. J., Milliken, G. W., Jenkins, W. M., Merzenich, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use-dependent+alterations+of+movement+representations+in+primary+motor+cortex+of+adult+squirrel+monkeys.">Use-dependent alterations of movement representations in primary motor cortex of adult squirrel monkeys.</a> The Journal of Neuroscience. 16 (2), 785-807 (1996).</li><li>Friel, K. M., Gordon, A. M., Carmel, J. B., Kirton, A., Gillick, B. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pediatric+Issues+in+Neuromodulation:+Safety,+Tolerability+and+Ethical+Considerations.">Pediatric Issues in Neuromodulation: Safety, Tolerability and Ethical Considerations.</a> Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).</li><li>Nudo, R. J., Plautz, E. J., Frost, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+adaptive+plasticity+in+recovery+of+function+after+damage+to+motor+cortex.">Role of adaptive plasticity in recovery of function after damage to motor cortex.</a> Muscle &amp; Nerve. 24 (8), 1000-1019 (2001).</li><li>Grab, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robotic+TMS+mapping+of+motor+cortex+in+the+developing+brain.">Robotic TMS mapping of motor cortex in the developing brain.</a> Journal of Neuroscience Methods. , (2018).</li><li>Bikson, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safety+of+Transcranial+Direct+Current+Stimulation:+Evidence+Based+Update+2016.">Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016.</a> Brain Stimulation. 9 (5), 641-661 (2016).</li><li>Kessler, S. K., Minhas, P., Woods, A. J., Rosen, A., Gorman, C., Bikson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dosage+considerations+for+transcranial+direct+current+stimulation+in+children:+a+computational+modeling+study.">Dosage considerations for transcranial direct current stimulation in children: a computational modeling study.</a> PloS One. 8 (9), e76112 (2013).</li><li>Ciechanski, P., Carlson, H. L., Yu, S. S., Kirton, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+Transcranial+Direct-Current+Stimulation-Induced+Electric+Fields+in+Children+and+Adults.">Modeling Transcranial Direct-Current Stimulation-Induced Electric Fields in Children and Adults.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 12, 268 (2018).</li><li>Ciechanski, P., Kirton, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+Direct-Current+Stimulation+(tDCS):+Principles+and+Emerging+Applications+in+Children.">Transcranial Direct-Current Stimulation (tDCS): Principles and Emerging Applications in Children.</a> Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).</li><li>Kirton, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+direct+current+stimulation+for+children+with+perinatal+stroke+and+hemiparesis.">Transcranial direct current stimulation for children with perinatal stroke and hemiparesis.</a> Neurology. 88 (3), 259-267 (2017).</li><li>Cole, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+High-Definition+and+Conventional+Transcranial+Direct-Current+Stimulation+on+Motor+Learning+in+Children.">Effects of High-Definition and Conventional Transcranial Direct-Current Stimulation on Motor Learning in Children.</a> Front Neurosci. , (2018).</li><li>Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Screening+questionnaire+before+TMS:+an+update.">Screening questionnaire before TMS: an update.</a> Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).</li><li>Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Technique+and+considerations+in+the+use+of+4x1+ring+high-definition+transcranial+direct+current+stimulation+(HD-tDCS).">Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS).</a> Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).</li><li>Yousry, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Localization+of+the+motor+hand+area+to+a+knob+on+the+precentral+gyrus.+A+new+landmark.">Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark.</a> Brain. 120 (Pt 1), 141-157 (1997).</li><li>Garvey, M. A., Mall, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation+in+children.">Transcranial magnetic stimulation in children.</a> Clinical Neurophysiology. 119 (5), 973-984 (2008).</li><li>Borckardt, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+pilot+study+investigating+the+effects+of+fast+left+prefrontal+rTMS+on+chronic+neuropathic+pain.">A pilot study investigating the effects of fast left prefrontal rTMS on chronic neuropathic pain.</a> Pain Medicine (Malden, Mass.). 10 (5), 840-849 (2009).</li><li>Villamar, M. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focal+modulation+of+the+primary+motor+cortex+in+fibromyalgia+using+4&#215;1-ring+high-definition+transcranial+direct+current+stimulation+(HD-tDCS):+immediate+and+delayed+analgesic+effects+of+cathodal+and+anodal+stimulation.">Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4&#215;1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation.</a> The Journal of Pain. 14 (4), 371-383 (2013).</li><li>Ciechanski, P., Kirton, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+Direct-Current+Stimulation+Can+Enhance+Motor+Learning+in+Children.">Transcranial Direct-Current Stimulation Can Enhance Motor Learning in Children.</a> Cerebral Cortex. 27 (5), 2758-2767 (2017).</li><li>Kirton, A., Andersen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+stimulation+and+constraint+for+hemiparesis+after+perinatal+stroke:+The+PLASTIC+CHAMPS+trial.">Brain stimulation and constraint for hemiparesis after perinatal stroke: The PLASTIC CHAMPS trial.</a> European Journal of Paediatric Neurology. 19 (S1), S10 (2015).</li><li>Ginhoux, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+custom+robot+for+Transcranial+Magnetic+Stimulation:+First+assessment+on+healthy+subjects.">A custom robot for Transcranial Magnetic Stimulation: First assessment on healthy subjects.</a> 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 5352-5355 (2013).</li><li>Grau, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conscious+brain-to-brain+communication+in+humans+using+non-invasive+technologies.">Conscious brain-to-brain communication in humans using non-invasive technologies.</a> PloS One. 9 (8), e105225 (2014).</li><li>Julkunen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+estimating+cortical+motor+representation+size+and+location+in+navigated+transcranial+magnetic+stimulation.">Methods for estimating cortical motor representation size and location in navigated transcranial magnetic stimulation.</a> Journal of Neuroscience Methods. 232, 125-133 (2014).</li><li>van de Ruit, M., Perenboom, M. J., Grey, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TMS+brain+mapping+in+less+than+two+minutes.">TMS brain mapping in less than two minutes.</a> Brain Stimulation. 8 (2), 231-239 (2015).</li><li>Dundas, J. E., Thickbroom, G. W., Mastaglia, F. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perception+of+comfort+during+transcranial+DC+stimulation:+effect+of+NaCl+solution+concentration+applied+to+sponge+electrodes.">Perception of comfort during transcranial DC stimulation: effect of NaCl solution concentration applied to sponge electrodes.</a> Clinical Neurophysiology. 118 (5), 1166-1170 (2007).</li><li>Alam, M., Truong, D. Q., Khadka, N., Bikson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+and+polarity+precision+of+concentric+high-definition+transcranial+direct+current+stimulation+(HD-tDCS).">Spatial and polarity precision of concentric high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS).</a> Physics in Medicine and Biology. 61 (12), 4506-4521 (2016).</li></ol>

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 ...

A estimulação cerebral não invasiva pode medir e modular a função cerebral humana1,2. 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 adultos10,11. 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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1x1 SMARTscan Stimulator</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/1x1/tdcs/device</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4x1 HD-tDCS Adaptor</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4x1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brainsight Neuronavigation</td>
			<td>Roge Resolution</td>
			<td>https://www.rogue-resolutions.com/catalogue/neuro-navigation/brainsight-tms-navigation/</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon Rubber Electrode</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/carbon-ruber-electrode</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EASYpad Electrode</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easypad</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EASYstraps</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easystrap</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EMG Amplifier</td>
			<td>Bortec Biomedical</td>
			<td>http://www.bortec.ca/pages/amt_16.htm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HD1 Electrode Holder</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd1-holder</td>
			<td>Standard Base HD-Electrode Holder for High Definition tES (HD-tES)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HD-Electrode</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-electrode</td>
			<td>Sintered ring HD-Electrode.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HD-Gel</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-gel</td>
			<td>HD-GEL for High Definition tES (HD-tES)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro 1401 Data Acquisition System</td>
			<td>Cambridge Electronics http://ced.co.uk/products/mic3in</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Purdue Pegboard</td>
			<td>Lafayette Instrument Company</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Saline solution</td>
			<td>Baxter</td>
			<td>http://www.baxter.ca/en/products-expertise/iv-solutions-premixed-drugs/products/iv-solutions.page</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soterix Medical HD-Cap</td>
			<td>Soterix Medical Inc.</td>
			<td>https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-cap</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TMS Robot</td>
			<td>Axilium Robotics</td>
			<td>http://www.axilumrobotics.com/en/</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TMS Stimulator and Coil</td>
			<td>Magstim Inc</td>
			<td>https://www.magstim.com/neuromodulation/</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

non-invasive modulation and robotic mapping of motor cortex in the developing brain

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.

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.
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Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain

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

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

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries ...

Nosso protocolo envolve o uso do primeiro robô TMS pediátrico do mundo para mapear o córtex motor em crianças saudáveis e também em crianças que tiveram lesões cerebrais precoces, como derrame perinatal. O protocolo integra a ressonância magnética com a neuronavigação, que nos permite adquirir mapas com maior precisão e precisão, reduzir os tempos de sessão de mapeamento. Ajuda a eliminar o erro humano e aumenta a segurança e a tolerabilidade dos pacientes jovens.O mapeamento motor ainda não é usado para fins diagnósticos ou prognósticos, no entanto, é uma nova técnica que mede como o cérebro muda e se reconecta após o dano ao cérebro ter ocorrido ou após uma intervenção. Técnicas semelhantes com diferentes alvos podem ser usadas para mapeamento da área de linguagem. O mapeamento linguístico e motor pode ser importante para o planejamento pré-cirúrgico.Comece usando as abas do software de neuronavigação para reconstruir a pele e o curvilíneo do cérebro completo. Selecione pele nova, pele e computação. Certifique-se de que o nariz e a parte superior da cabeça estão incluídos.Em seguida, selecione o novo e completo curvilíneo cerebral. Inclua a caixa de seleção verde fora do cérebro, mas dentro do crânio. Selecione o curvilinear computacional.Ajuste a profundidade da casca para 4,0 a 6,0 milímetros. Selecione configurar pontos de referência. Coloque quatro pontos de referência na ponta do nariz, na naion, e os entalhes de ambas as orelhas da pele reconstruída.Nomeie os marcos correspondentes à sua anatomia. Selecione a guia do alvo para visualizar o cérebro curvilíneo. Selecione grade nova e retangular.Coloque o uniforme 12 por 12 grades coordenadas com sete milímetros de espaçamento na superfície do cérebro reconstruído sobre o peito de mão do córtex motor. Em seguida, 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 da trajetória para que estejam 45 graus na fissura longitudinal ou no cérebro. Use a ferramenta snap para extrapolar e otimizar as trajetórias ao cérebro curvilíneo. Finalmente, inicialize e posicione o braço e o assento do robô TMS para receber a posição e calibrar o sensor de placa de força usando quatro testes de sensor.Comece escoltando o participante até a sala de testes e fazendo com que ele preencha um questionário de segurança. Em seguida, coloque o participante na cadeira robô e ajuste o encondo e o descanso do pescoço. Certifique-se de que seus pés são apoiados.Apoie os braços e as mãos com travesseiros durante a sessão de mapeamento. Limpe a pele sobre o músculo de interesse. Coloque eletrodos de superfície de cloreto de prata em ambas as mãos e antebraços do participante visando quatro músculos forequibrados distais.A barriga do primeiro interosseos dorsal, abduzidor pollicis brevis, abduzidor digiti minimi, e o extensor de pulso. Conecte o amplificador a um computador de coleta de dados com software EMG compatível. Em seguida, eletrodos de superfície para a eletromiografia, ou EMG, amplificador e um sistema de aquisição de dados, certificando-se de que o eletrodo do solo está conectado também.Co-registre os quatro marcos na cabeça do participante usando os ponteiros de referência e use a guia de validação para garantir que a cabeça dos participantes esteja devidamente registrada. Em seguida, selecione um ponto de grade mais próximo do peito de mão do participante. Selecione o botão de alinhar para o alvo para alinhar a bobina TMS mantida pelo robô a este local alvo.Selecione contato. Monitore a qualidade do contato usando o indicador de força de contato e certifique-se de que o indicador esteja verde ou amarelo. Instrua o participante a não se mover fora do escopo do braço robô.Certifique-se de que os músculos da mão do participante estão relaxados e permaneçam parados antes do contato. Selecione alinhar e seguir para que a bobina permaneça centrada no alvo se o participante se mover. Use o botão de gatilho TMS na máquina TMS para fornecer de cinco a 10 pulsos TMS em uma intensidade entre 40 a 60% de saída máxima do estimulador.Por último, determine o ponto de grade que dá o maior e mais consistente motor evocado potencial para o músculo FDI esquerdo ou direito. Determine o limiar motor de repouso como a menor intensidade que produz e mep de pelo menos 50 microvolts no músculo FDI em cinco de 10 estimulação. Comece fornecendo quatro pulsos TMS de pulso único em um interestimulo de um segundo e intensidade de 120% RMT no ponto de grade se aproxima do ponto de acesso.Em seguida, repita no ponto de grade adjacente. Continue sequencialmente de forma linear ao longo de pontos responsivos até que um ponto não responsivo seja alcançado, o que designa a primeira região de pensionista do mapa. Em seguida, continue mapeando para estabelecer os pontos do pensionista em todas as quatro direções da grade retangular.Registo todos os MEPs de todos os músculos usando o software EMG para análise off-line. Após três a quatro pontos de grade, selecione o contato e dê uma folga ao participante até que ele se sinta pronto para continuar. Em seguida, use uma versão impressa das mesmas grades para rastrear a ordem de estimulação para análise suplementar.Mapeamento completo usando um TMS robótico. Finalmente, use um script de codificação personalizado para gerar mapas motorizados 3D disponíveis entrando em contato com o autor. Calcule a área do mapa do motor e o volume usando locais de trajetória responsiva.Calcule o centro de gravidade como média ponderada das representações motoras de cada local de coordenada. Esses resultados indicaram que o TDCS e o HD-tDCS melhoraram a taxa de aprendizado ao longo de cinco dias de treinamento. Os grupos de intervenção ativa apresentaram maiores melhorias na média diária da pontuação de PPT da mão esquerda no quarto e quinto dia em comparação com a farsa.Essa metodologia foi replicada a partir de um estudo anterior e os conjuntos de dados foram combinados. Os dados de replicação demonstraram resultados semelhantes de tal forma que houve um aumento significativo na taxa de aprendizado observada no grupo tDCS e HD-tDCS em comparação com o grupo sham. Planejar o procedimento é tão importante quanto realizá-lo.Grades e trajetórias devem ser cuidadosamente sobrepostas em uma ressonância magnética. Se usar modelos cerebrais, várias amostras devem ser retiradas da cabeça dos participantes. Este procedimento pode ser concluído antes e pós-intervenção para responder à mudança do mapa do motor resultante.A realização da avaliação após este procedimento pode indicar a relação entre as medidas do mapa motor e o resultado da função. Usando este protocolo, os pesquisadores podem aprender como gerar mapas motorizados com precisão, tempo, bem como com segurança em crianças que usam TMS robóticos. O grande desafio inclui guiar o robô e alinhá-lo para as áreas-alvo.As trajetórias devem ser predeterminadas com precisão. Praticar o alinhamento da bobina com múltiplas combinações de parâmetros de inclinação e rotação ajuda a otimizar o design da trajetória da bobina. Nenhum dos instrumentos é perigoso.É importante observar constantemente o robô enquanto ele está tocando a cabeça do participante, pois o robô reagirá a qualquer movimento da cabeça.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Imagem Funcional do Cortex Auditivo em gatos adultos usando de alta campo fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

Neurociência

Live Imaging of Mitosis in the Developing Mouse Embryonic Cortex

Imagens ao vivo da mitose no desenvolvimento Cortex embrionárias de camundongos

Although of short duration, mitosis is a complex and dynamic multi-step process fundamental for development of organs including the brain. In the ...

Non-invasive Parenchymal, Vascular and Metabolic High-frequency Ultrasound and Photoacoustic Rat Deep Brain Imaging

Parênquima não-invasivo, Vascular e Metabólica alta freqüência ultra-som e Fotoacústica Rat Cerebral Profunda Imagem

Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central ...

Non-invasive Assessment of Changes in Corticomotoneuronal Transmission in Humans

Avaliação Não-invasiva de Alterações na Transmissão Corticomotoneuronal em Humanos

The corticospinal pathway is the major pathway connecting the brain with the muscles and is therefore highly relevant for movement control and motor ...

Effects of Transcranial Alternating Current Stimulation on the Primary Motor Cortex by Online Combined Approach with Transcranial Magnetic Stimulation

Efeitos da estimulação da corrente alternada transcraniana no córtex Motor primário por on-line abordagem combinada com estimulação magnética transcraniana

Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) is a neuromodulatory technique able to act through sinusoidal electrical waveforms in a specific ...

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

Imagem de atividade Neural no córtex somatossensorial primário usando Thy1-GCaMP6s de ratos transgênicos

The mammalian brain exhibits marked symmetry across the sagittal plane. However, detailed description of neural dynamics in symmetric brain regions in ...

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

Na Vivo Único-molécula de rastreamento no Terminal do nervo Motor pré-sináptica da drosófila

An increasing number of super-resolution microscopy techniques are helping to uncover the mechanisms that govern the nanoscale cellular world. ...

Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex

Estimulação magnética transcraniana combinada e Eletroencefalografia do córtex pré-frontal Dorsolateral

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method that produces neural excitation in the cortex by means of brief, time-varying magnetic ...

Evaluation of Hemisphere Lateralization with Bilateral Local Field Potential Recording in Secondary Motor Cortex of Mice

Avaliação da lateralização do hemisfério com registro de potencial de campo local bilateral no córtex motor secundário de camundongos

This article demonstrates complete, detailed procedures for both in vivo bilateral recording and analysis of local field potential (LFP) in the cortical ...

Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping

Mapeamento cerebral translacional na Universidade de Rochester Medical Center: preservando a mente através de mapeamento cerebral personalizado

The Translational Brain Mapping Program at the University of Rochester is an interdisciplinary effort that integrates cognitive science, neurophysiology, ...