Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn
1. Juli 2019
Wir demonstrieren Protokolle für die Modulation (tDCS, HD-tDCS) und Mapping (Robotik TMS) des Motorkortex bei Kindern.
Unser Protokoll beinhaltet den Einsatz des ersten pädiatrischen TMS-Roboters der Welt, um den motorischen Kortex bei gesunden Kindern und auch bei Kindern mit frühen Hirnverletzungen wie einem perinatalen Schlaganfall zu kartieren. Protokoll integriert MRT-Bildgebung mit Neuronavigation, die es uns ermöglicht, Karten mit erhöhter Genauigkeit und Präzision zu erfassen, um Die Zeit für Die Kartensitzungen zu reduzieren. Es hilft, menschliches Versagen zu beseitigen und erhöht die Sicherheit und Verträglichkeit für junge Patienten.
Motor Mapping wird noch nicht für diagnostische oder prognostische Zwecke verwendet, jedoch ist es eine neuartige Technik, die misst, wie sich das Gehirn verändert und neu verdrahtet, nachdem entweder eine Schädigung des Gehirns aufgetreten ist oder nach einem Eingriff. Ähnliche Techniken mit unterschiedlichen Zielen können für die Sprachbereichszuordnung verwendet werden. Sprach- und Motorkartierung kann für die vorchirurgische Planung wichtig sein.
Beginnen Sie mit den Registerkarten in der Neuronavigations-Software, um Haut und volle Gehirnkurolinear zu rekonstruieren. Wählen Sie neue Skin und Computer aus. Stellen Sie sicher, dass die Nase und die Oberseite des Kopfes enthalten sind.
Wählen Sie dann neue und vollständige Gehirncurvilinear. Schließen Sie die grüne Auswahlbox außerhalb des Gehirns, aber innerhalb des Schädels. Wählen Sie compute curvilinear aus.
Stellen Sie die Schalentiefe auf 4,0 bis 6,0 Millimeter ein. Wählen Sie Wahrzeichen konfigurieren aus. Legen Sie vier Markierungen an der Nasenspitze, Nasion, und die Kerben der beiden Ohren der rekonstruierten Haut.
Benennen Sie die Sehenswürdigkeiten, die ihrer Anatomie entsprechen. Wählen Sie die Registerkarte des Ziels aus, um das kurvenlineare Gehirn anzuzeigen. Wählen Sie neues und rechteckiges Raster aus.
Legen Sie gleichmäßige 12 mal 12 Koordinatengitter mit sieben Millimeter Abstand auf die Oberfläche des rekonstruierten Gehirns über den Handknopf des Motorkortex. Verwenden Sie als Nächstes das Zielpositionierungswerkzeug auf der rechten Seite, um die Rasterpositionierung für Drehung, Neigung und Krümmung zu optimieren. Konvertieren Sie die Rasterpunkte in Flugbahnen, die den Roboter zur Positionierung der TMS-Spule führen.
Passen Sie den Winkel der Flugbahn so an, dass sie 45 Grad bis zur Längsspalte oder dem Gehirn betragen. Verwenden Sie das Snap-Tool, um die Flugbahnen zum kurvenlinearen Gehirn zu extrapolieren und zu optimieren. Initialisieren und positionieren Sie schließlich den TMS Roboterarm und -sitz, um die Position zu begrüßen und den Kraftplattensensor mit vier Sensortests zu kalibrieren.
Beginnen Sie damit, den Teilnehmer in den Testraum zu begleiten und ihn einen Sicherheitsfragebogen ausfüllen zu lassen. Setzen Sie dann den Teilnehmer in den Roboterstuhl und stellen Sie die Rückenlehne und Nackenstütze ein. Stellen Sie sicher, dass ihre Füße unterstützt werden.
Unterstützen Sie die Arme und Hände mit Kissen während der Mapping-Sitzung. Reinigen Sie die Haut über dem Muskel von Interesse. Legen Sie Silbersilberchlorid-Oberflächenelektroden auf beiden Händen und Unterarmen des Teilnehmers, die auf vier distale Vorderbeine abzielen.
Der Bauch des ersten dorsalen Interosseous, Entführer pollicis brevis, Entführer digiti minimi, und das Handgelenk Extensor. Schließen Sie den Verstärker mit einer kompatiblen EMG-Software an einen Datenerfassungscomputer an. Als nächstes werden Oberflächenelektroden zur Elektromyographie oder EMG, Verstärker und ein Datenerfassungssystem, sichergestellt, dass auch die Bodenelektrode angeschlossen ist.
Registrieren Sie die vier Sehenswürdigkeiten auf dem Kopf des Teilnehmers mit den Markierungszeigern und verwenden Sie die Validierungsregisterkarte, um sicherzustellen, dass der Teilnehmerkopf ordnungsgemäß registriert ist. Wählen Sie dann einen Rasterpunkt aus, der dem Handknopf des Teilnehmers am nächsten liegt. Wählen Sie die Schaltfläche Ausrichtung auf Ziel aus, um die TMS-Spule, die der Roboter hält, an dieser Zielposition auszurichten.
Wählen Sie Kontakt ein. Überwachen Sie die Kontaktqualität mit der Kontaktkraftanzeige und stellen Sie sicher, dass die Anzeige grün oder gelb ist. Weisen Sie den Teilnehmer an, sich nicht außerhalb des Bereichs des Roboterarms zu bewegen.
Stellen Sie sicher, dass die Handmuskeln des Teilnehmers entspannt sind und vor dem Kontakt noch bleiben. Wählen Sie Ausrichten und folgen, damit die Spule auf dem Ziel zentriert bleibt, wenn sich der Teilnehmer bewegt. Verwenden Sie die TMS-Triggertaste am TMS-Gerät, um fünf bis zehn TMS-Impulse mit einer Intensität zwischen 40 und 60 % maximaler Stimulator-Ausgabe zu liefern.
Bestimmen Sie schließlich den Rasterpunkt, der das größte und konsistenteste motorisch evozierte Potenzial für den linken oder rechten FDI-Muskel ergibt. Bestimmen Sie die Ruhemotorschwelle als die niedrigste Intensität, die erzeugt wird, und MEP von mindestens 50 Mikrovolt im DL-Muskel in fünf von 10 Stimulationen. Beginnen Sie mit der Bereitstellung von vier Einpuls-TMS-Impulsen bei einem Interstimulus von einer Sekunde und einer Intensität von 120% RMT am Gitterpunkt, der sich dem Hotspot nähert.
Wiederholen Sie dies dann am angrenzenden Rasterpunkt. Fahren Sie linear entlang reaktionsfähiger Punkte fort, bis ein nicht reagierender Punkt erreicht ist, der den ersten Boarderbereich der Karte bezeichnet. Fahren Sie dann mit der Zuordnung fort, um die Boarderpunkte in allen vier Richtungen des rechteckigen Rasters festzulegen.
Zeichnen Sie alle Abgeordneten aller Muskeln auf, indem Sie die EMG-Software für die Offline-Analyse verwenden. Nach drei bis vier Startpunkten wählen Sie Kontakt aus und gönnen Sie dem Teilnehmer eine Pause, bis er sich bereit fühlt, weiterzumachen. Verwenden Sie als Nächstes eine Gedruckte Version derselben Raster, um die Stimulationsreihenfolge für die weitere Analyse zu verfolgen.
Vollständige Zuordnung mit einem Roboter-TMS. Verwenden Sie schließlich ein maßgeschneidertes Codierungsskript, um 3D-Motorkarten zu generieren, die verfügbar sind, indem Sie den Autor kontaktieren. Berechnen Sie Motorkartenfläche und -volumen mithilfe von Reaktionsbahnstandorten.
Berechnen Sie den Schwerpunkt als gewichteten Mittelwert der Motordarstellungen jeder Koordinatenposition. Diese Ergebnisse zeigten, dass tDCS und HD-tDCS die Lernrate über fünf Tage der Ausbildung verbesserten. Die aktiven Interventionsgruppen hatten größere Verbesserungen im täglichen durchschnittlichen linken PPT-Score an Tag vier und fünf im Vergleich zum Schein.
Diese Methode wurde aus einer früheren Studie repliziert, und die Datensätze wurden kombiniert. Die Replikationsdaten zeigten ähnliche Ergebnisse, so dass die In-CsS- und HD-tDCS-Gruppe beobachtete Lernrate im Vergleich zur Scheingruppe signifikant zunahm. Die Planung des Verfahrens ist genauso wichtig wie die Durchführung.
Gitter und Flugbahnen sollten sorgfältig auf einem MRT überlagert werden. Bei Verwendung von Gehirnvorlagen sollten dem Teilnehmer mehrere Proben entnommen werden. Dieses Verfahren kann vor und nach der Intervention abgeschlossen werden, um die daraus resultierende nazur Änderung der Motorkarte zu beantworten.
Die Durchführung einer Bewertung nach diesem Verfahren kann die Beziehung zwischen Motorzuordnungskennzahlen und Funktionsergebnissen anzeigen. Mithilfe dieses Protokolls können Forscher lernen, wie sie Motorkarten präzise, zeitnah und sicher bei Kindern mithilfe von Roboter-TMS generieren können. Zu den größten Herausforderungen gehört es, den Roboter zu führen und optimal in seine Zielbereiche auszurichten.
Die Flugbahnen müssen genau vorbestimmt sein. Das Üben der Spulenausrichtung mit mehreren Kombinationen von Neigungs- und Rotationsparametern hilft bei der Optimierung des Spulenverlaufs. Keines der Instrumente ist gefährlich.
Es ist wichtig, den Roboter ständig zu beobachten, während er den Kopf des Teilnehmers berührt, da der Roboter auf Kopfbewegungen reagiert.
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Übersicht
Diese Studie stellt Protokolle zur Modulation und Abbildung der motorischen Großhirnrinde bei Kindern mithilfe des ersten pädiatrischen TMS-Roboters vor. Die Protokolle zielen darauf ab, Veränderungen der Gehirnfunktion nach frühen Hirnverletzungen zu bewerten, wobei MRT-Bildgebung für eine präzise Neuronavigation und Abbildung integriert wird.
Wichtige Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Pädiatrische Neurologie
- Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
Hintergrund
- Die Studie untersucht den motorischen Kortex bei gesunden Kindern und bei Kindern mit vorangegangenen Hirnverletzungen.
- Die MRT-Bildgebung wird mit einer Neuronavigation kombiniert, um die Genauigkeit der motorischen Kartierung zu verbessern.
- Die derzeitigen Anwendungen der motorischen Kartierung beschränken sich auf die Forschung und sind noch nicht diagnostisch einsetzbar.
- Die Technologie erhöht die Sicherheit und verringert menschliche Fehler während der Eingriffe.
Zweck der Studie
- Robuste Protokolle für die motorische Mapping mittels robotergestützter TMS etablieren.
- Die Umorganisation des Gehirns nach einer Hirnverletzung oder therapeutischen Maßnahme untersuchen.
- Die Verfahren für junge Probanden optimieren, um eine einfachere Durchführung zu ermöglichen.
Verwendete Methoden
- Die Studie verwendet robotergestützte TMS mit integrierter MRI-Neuronavigation.
- Das biologische Modell umfasst gesunde Kinder und Kinder mit vorangegangenen Hirnverletzungen.
- Zu den Schritten gehören die Erstellung anatomischer Karten, das Platzieren von Elektroden und die Applikation von TMS-Pulsen.
- Die Methoden legen Priorität auf Sicherheit durch gründliche Voruntersuchungen und Anpassungen.
- Die Datensammlung erfolgt mittels EMG zur Analyse motorisch evozierter Potentiale.
Hauptergebnisse
- Motorkarten zeigen signifikante Veränderungen in den Aktivitätsmustern des Gehirns nach der Intervention.
- tDCS und HD-tDCS weisen verbesserte Raten des motorischen Lernens auf, insbesondere nach umfangreichem Training.
- Die Reaktionen deuten auf wirksame Abbildungs- und Stimulationsverfahren hin, die die Fehlerquote im robotischen System senken.
- Vergleichende Analysen der Reaktionen unterstreichen verbesserte motorische Fähigkeiten in den Behandlungsgruppen.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie bestätigt die Durchführbarkeit der robotergestützten TMS für die motorische Abbildung bei Kindern.
- Sie vertieft das Verständnis der Plastizität des motorischen Kortex nach interventionellen Eingriffen am Gehirn.
- Die Ergebnisse deuten auf ein Potenzial für klinische Anwendungen bei der präoperativen Planung neurologischer Erkrankungen hin.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Mittels nicht-invasiver Hirnstimulation und robotergestützter Abbildung ist eine präzise Untersuchung der Plastizität des motorischen Kortex bei pädiatrischen Populationen möglich, was die Validierung von Zielstrukturen bei neurodevelopmentellen Störungen unterstützt. Dieser Ansatz liefert quantitative, reproduzierbare neurophysiologische Messgrößen, die es ermöglichen, frühe therapeutische Hypothesen mit geringerem Risiko zu überprüfen, indem interventionell hervorgerufene neuronale Veränderungen mit funktionellen motorischen Ergebnissen verknüpft werden. Die Kombination robotischer Präzision mit MRI-gesteuerter Zielortbestimmung erhöht die Datenzuverlässigkeit für interdisziplinäre Forschungsteams, die Neuromodulationsstrategien im sich entwickelnden Gehirn evaluieren.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der Umorganisation der motorischen Rinde nach frühen Hirnverletzungen oder therapeutischen Eingriffen und unterstützt die Beurteilung der Zielengagement in der Entwicklungsneurologie.
- Operativer Wert: Robotergestützte TMS verringert die Variabilität zwischen verschiedenen Bedienern und erhöht die Reproduzierbarkeit der Abbildung, was für Längsschnittstudien zur Zielvalidierung entscheidend ist.
- Prädiktiver Wert: Quantitative MEP-Amplituden und 3D-Motorabbildungsparameter (Fläche, Volumen, Schwerpunkt) liefern objektive Biomarker zur Verfolgung der neuronalen Plastizität über die Zeit.
Screening und Assay-Entwicklung
- Testbereitschaft: Standardisierte 12×12-Rasterprotokolle mit sieben Millimeter Abstand schaffen einen skalierbaren Rahmen für eine konsistente motorische Abbildung über Probanden und Sitzungen hinweg.
- Quantitative Ausgabe: MEP-Amplitudenmessungen pro Rasterpunkt erzeugen kontinuierliche, auswertbare Datensätze, die für die Modellierung von Dosis-Wirkungs-Beziehungen bei der Neuromodulations-Screening geeignet sind.
- Plattformwiederverwendung: MRT-gestützte robotergestützte Zielsteuerung ermöglicht die Wiederverwendung individueller Abbildungsvorlagen für Vergleiche vor und nach Interventionen in therapeutischen Studien.
Translationale und präklinische Forschung
- Klinische Relevanz: Veränderungen der motorischen Karte nach tDCS/HD-tDCS-Intervention zeigen ein translationsmedizinisches Potenzial zur Beurteilung neuromodulatorischer Effekte bei pädiatrischen Bewegungsstörungen.
- Mechanistische Entwicklungsrisikominderung: Die Korrelation zwischen Parametern der motorischen Karte und funktionellen Ergebnissen (z. B. PPT-Scores) stärkt das Target-Vertrauen, indem physiologische Veränderungen mit Verhaltensverbesserungen verknüpft werden.
- Kontinuität zur präklinischen Forschung: Das Protokoll ermöglicht eine langzeitliche Beurteilung von der Basislinie bis zur Intervention und erlaubt so die Evaluierung einer nachhaltigen Zielmodulation in Entwicklungsmodellen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode lässt sich in Workflows vom frühen Screening bis zur präklinischen Phase integrieren, indem sie einen reproduzierbaren neurophysiologischen Assay bereitstellt, um die Zielinteraktion und veränderungen auf Schaltkreisebene nach neuromodulatorischen oder neurorestaurativen Interventionen im sich entwickelnden Gehirn zu verfolgen.
- Entdeckungsbiologie: Robotergestützte TMS-Kartierung unterstützt die Hypothesenprüfung zur Reorganisation der motorischen Rinde und zur wegabschnittsspezifischen Plastizität nach Hirnverletzung oder therapeutischer Intervention.
- Screening: Standardisierte, gitterbasierte Erfassung motorisch evozierter Potenziale ermöglicht die Einsatzbereitschaft von Assays zur Bewertung neuromodulatorischer Substanzen oder Protokolle in pädiatrischen Modellen.
- Analytik: Amplituden motorisch evozierter Potenziale und Ableitungen aus 3D-Kartierungen liefern quantifizierbare, statistisch auswertbare Ergebnisse zum Vergleich von Interventionseffekten unter verschiedenen Bedingungen.
- Translationale Forschung: Die Kartierung vor und nach einer Intervention unterstützt die Beurteilung der Kontinuität der Zielmodulation, was für die Weiterentwicklung von Kandidaten hin zur präklinischen Validierung relevant ist.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: MRI- und robotergestützte Arbeitsabläufe schaffen eine wiederverwendbare, standardisierte Plattform für multizentrische Studien in der pädiatrischen Neuromodulationsforschung.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Liefert Einblicke in die Mechanismen der Plastizität des motorischen Kortex und reduziert die Uneindeutigkeit bei der Zielstrukturvalidierung für neurodevelopmentelle Indikationen.
- Operationaler Wert: Robotergestützte Führung verbessert die Effizienz, Sicherheit und Verträglichkeit der Sitzungen in pädiatrischen Populationen und ermöglicht Abbildungsstudien mit höherer Durchsatzleistung.
- Strategischer Wert: Objektive neurophysiologische Endpunkte unterstützen Go/No-Go-Entscheidungen, indem sie die Zielstrukturbindung mit funktionellen motorischen Verbesserungen verknüpfen.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht die risikoadjustierte Priorisierung von Neuromodulationsstrategien basierend auf reproduzierbaren, quantifizierbaren Veränderungen in den Metriken der motorischen Karte.
Durchführungsaspekte
- Es ist erforderlich, über Fachkenntnisse in den Sicherheitsprotokollen für TMS, der pädiatrischen Neurophysiologie und der EMG-Signalerfassung zu verfügen, um motorisch evozierte Potenziale genau detektieren zu können.
- Zu den erforderlichen Geräten gehören ein robotisches TMS-System, eine mit MRT kompatible Neuronavigation, EMG-Verstärker und Datenerfassungssysteme, die in der Lage sind, einzelne motorisch evozierte Potenziale aufzuzeichnen.
- Die Standardisierung zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen erfordert gemeinsame Protokolle für die Platzierung des Rasters, die Kalibrierung der Bahnführung und die Bestimmung der MEP-Schwelle (z. B. 50 µV im M. flexor digitorum superficialis).
- Die Anpassung an verschiedene Modellsysteme hängt von altersgerechten Spulengrößen, der Anpassung der motorischen Schwelle und der Elektrodenplatzierung an distale Vordergliedmuskulatur in sich entwickelnden Anatomien ab.
- Zu den praktischen Einschränkungen zählen die Notwendigkeit der Teilnehmerruhe während der Abbildung sowie eine sorgfältige Echtzeitüberwachung der Interaktion zwischen Roboter und Teilnehmer, um Sicherheit und Datengüte sicherzustellen.
