Časování aplikace taVNS během robotické senzomotorické úlohy (SMTaVNS2024)

Přehled:

Tato studie se zaměřuje na potenciál transkutánní aurikulární stimulace nervu vagus (taVNS) v motorické neurorehabilitaci u stavů, jako je Parkinsonova choroba, traumatické poranění mozku, poranění míchy a mrtvice. taVNS, schválený pro různé neurologické stavy a známý svou bezpečností, aktivuje neuromodulátory přispívající k plasticitě a motorickému učení. Optimální stimulační parametry, zejména načasování během pohybu, však nejsou plně prozkoumány.

Studijní cíle:

Primární cíl: Posoudit proveditelnost a účinky různých časovacích protokolů taVNS v robotické senzomotorické úloze na senzomotorické učení a adaptaci. Hypotézou je, že různé načasování pohybu taVNS ovlivní jak subjektivní, tak objektivní měřítka proveditelnosti a senzomotorickou adaptaci.

Sekundární cíle: Porovnat kinematiku pohybu a kontrast vnímané stimulační účinky s naměřenými fyziologickými výsledky a metrikami plnění úkolů.

Metodologie:

Studie bude provedena na ETH Zurich se zdravými subjekty pomocí robotického senzomotorického úkolu k vyhodnocení proveditelnosti pohybově načasovaného taVNS a jeho vlivu na učení se novým senzomotorickým dovednostem.

Účastníkům bude přiděleno různé načasování stimulace, přičemž studie bude hodnotit motorické učení a konzistentnost výkonu během maximálně 6 sezení nebo do dosažení 70% úspěšnosti ve dvou po sobě jdoucích sezeních.

Design studie je jednoduše zaslepený, pseudo-randomizovaný, průzkumný a longitudinální, využívající kontroly jako žádná stimulace a náhodně načasovaná stimulace.

Podrobnosti o zásahu:

Před každým sezením dvě elektrody (např. TensCare podložky) budou připojeny k pulznímu generátoru a 1) umístěny na cymbae conchae ucha a 2) na tragus ucha, což umožní dříve popsanému dvoufázovému sledu pulzů taVNS cestovat. Zde jsou vysílány dvoufázové čtvercové pulsy o šířce 250 ms při frekvenci 25 Hz po dobu 0,5 s při maximální schopnosti 3 mA. Stimulační pulsy jsou řízeny proudem, omezeny na 50 V a regulovány generátorem pulsů, který omezuje dodávaný proud v hardwaru pomocí sériových rezistorů a diod.

Na začátku relace účastníci použijí python GUI ke kalibraci požadované amplitudy taVNS jejím postupným zvyšováním od minimálních 0,1 mA až po maximální tolerovanou amplitudu pod 3 mA v intervalech 0,1 mA. Úroveň intenzity bude nastavena na 90 % maximální tolerované amplitudy pro osobu (typická ~1,5-2 mA & omezená na 3 mA, což je výrazně pod bezpečnostním limitem 50 mA (podle IEC 60601-2-10: 2012). Tato procedura trvá 1-2 min. Po kalibraci začne relace se senzomotorickým úkolem.

Senzomotorická úloha Senzomotorická úloha využívá komerční haptický koncový efektor (Touch, 3D systémy), na zakázku vyrobenou 3D tištěnou rukojeť a prostředí virtuální reality implementované v pythonu a PsychoPy na notebooku Microsoft Windows. Robotické manipulandum je synchronizováno s 1cm kruhovým kurzorem v pracovním prostoru virtuálního prostředí. Kromě toho se používá podpěra paže (SaeboMas Mini) k podpoře paže proti gravitaci, aby se snížila únava a udržela paže ve správné poloze - loket je 90 stupňů kolmo k zemi.

Cílem senzomotorické úlohy je dosáhnout 2,4 cm cíle ve vzdálenosti 10 cm od výchozí pozice, obojí vizuálně znázorněné ve virtuálním prostředí. Pro úspěšné dokončení zkoušky musí účastník dosáhnout cíle v časovém omezení 0,5 s +/- 0,067 s. Zazní 0,5s tónový zvuk oznamující cílové trvání pohybu. Během tohoto pohybu je poloha kurzoru skryta a nezobrazuje se na obrazovce (ve fázích poruch a retence), aby se vynutila dopředná motorická adaptace, spíše než vizuálně řízená zpětná vazba, protože dopředná adaptace může být u pacientů po cévní mozkové příhodě narušena. Výsledky každého pokusu jsou zobrazeny jako 3 různé možnosti – správné, cíl dosažen příliš rychle nebo cíl nedosažen. Subjekt bude informován o výsledku pokusu tím, že se terč změní na zelenou, oranžovou nebo červenou. Poté se účastníkovi zobrazí místo startu, kam se může vrátit. Po 1-3 s v rámci počátečního bodu bude zahájen nový pokus.

Účastníci provedou 75 základních zkoušek (bez vizuomotorické rotace), aby se seznámili s robotickým manipulandem a prostředím. Poté účastníci provedou dalších 150 pokusů v napadeném stavu s virtuálním rotačním polem (vizuomotorická rotace/perturbace), zobrazeným na obrazovce. Subjekty nebudou informovány o povaze senzomotorické výzvy a budou se muset postupně naučit korekční mapování, aby se přizpůsobily poruchám. Nebudou aplikovány žádné vnější síly a haptický koncový efektor se používá výhradně k měření kinematiky koncového bodu rukojeti. Poté subjekty provedou 50 pokusů se stejnými základními pokusy (vymytí) a nakonec dalších 50 pokusů rotačního pole (retence). Očekává se, že časová náročnost bude 5-10 minut pro nastavení a vysvětlení a ~30 minut pro senzomotorický úkol. Data z každého pokusu budou uložena obsahující pozici kurzoru, informace o úspěchu/neúspěchu a časové údaje pro následnou analýzu. Další kinematická data pohybu lze shromažďovat pomocí senzorů IMU na zápěstí. IMU zaznamenává měření zrychlení a gyroskopu a zaznamenává data do experimentálního počítače při frekvenci 120 Hz. Kromě toho budou uložena všechna data týkající se stimulace, včetně časování, měření impedance a všech komunikačních příkazů do a ze stimulátoru.

Význam výzkumu:

Zjištění by mohla být zdrojem informací pro budoucí klinické studie v neurorehabilitaci. Studie využívá pro tento úkol haptické zařízení „Touch™“, které zajišťuje účastníkům bezpečnost a pohodlí.

Potenciální vedlejší účinky taVNS jsou minimální a pečlivě sledovány.