taVNS Application Timing under Robotic Sensorimotor Task (SMTaVNS2024)

Oversigt:

Denne undersøgelse fokuserer på potentialet af transkutan aurikulær Vagus Nerve Stimulation (taVNS) i motorisk neurorehabilitering for tilstande som Parkinsons sygdom, traumatisk hjerneskade, rygmarvsskade og slagtilfælde. taVNS, godkendt til forskellige neurologiske tilstande og kendt for sin sikkerhed, aktiverer neuromodulatorer, der bidrager til plasticitet og motorisk læring. De optimale stimulationsparametre, især timing under bevægelse, er dog ikke fuldt ud undersøgt.

Studiemål:

Primært mål: At vurdere gennemførligheden og virkningerne af forskellige taVNS-timingprotokoller i en robotisk sansemotorisk opgave på sansemotorisk læring og tilpasning. Hypotesen er, at varierende taVNS-bevægelsestidspunkter vil påvirke både subjektive og objektive gennemførlighedsmål og sansemotorisk tilpasning.

Sekundære mål: At sammenligne bevægelseskinematik og kontrastopfattede stimuleringseffekter med målte fysiologiske resultater og opgaveudførelsesmetrikker.

Metode:

Undersøgelsen vil blive udført på ETH Zürich med raske forsøgspersoner, der bruger en robot sensorimotorisk opgave til at evaluere gennemførligheden af ​​bevægelses-timet taVNS og dets indflydelse på indlæring af nye sansemotoriske færdigheder.

Deltagerne vil blive tildelt forskellige stimuleringstider, hvor undersøgelsen vurderer motorisk læring og præstationskonsistens på tværs af maksimalt 6 sessioner eller indtil 70% succes er nået i to på hinanden følgende sessioner.

Undersøgelsesdesignet er enkeltblindet, pseudo-randomiseret, eksplorativt og longitudinelt, idet der anvendes kontroller som ingen stimulering og tilfældigt tidsbestemt stimulering.

Interventionsdetaljer:

Før hver session skal to elektroder (f.eks. TensCare-puder) vil blive forbundet til pulsgeneratoren og 1) placeret på ørets cymbae conchae og 2) på ørets tragus, hvilket gør det muligt for et tidligere beskrevet taVNS bifasisk pulstog at rejse. Her sendes bifasiske firkantimpulser på 250ms bredde ved 25Hz frekvens i 0,5s ved en maksimal aptitude på 3 mA. Stimuleringsimpulserne er strømkontrollerede, begrænset til 50V og reguleres af en impulsgenerator, der begrænser leveringsdygtig strøm i hardware ved design med serielle modstande og dioder.

Ved starten af ​​sessionen vil deltagerne bruge en python GUI til at kalibrere den ønskede taVNS-amplitude ved gradvist at øge den fra minimal 0,1 mA op til den maksimalt tolererede amplitude under 3 mA i intervallerne på 0,1 mA. Intensitetsniveauet vil blive indstillet til 90 % af den maksimalt tolererede amplitude for personen (typisk ~1,5-2 mA & begrænset til 3mA, hvilket er væsentligt under sikkerhedsgrænsen på 50mA (i henhold til IEC 60601-2-10: 2012). Denne procedure tager 1-2 min. Efter kalibreringen begynder sessionen med den sansemotoriske opgave.

Sensorimotorisk opgave Den sensorimotoriske opgave bruger en kommerciel haptisk sluteffektor (Touch, 3D-systemer), et specialfremstillet 3D-printet håndtag og et virtual reality-miljø, implementeret i python og PsychoPy på en Microsoft Windows-laptop. Robotmanipulationen er synkroniseret med en 1 cm cirkulær markør i arbejdsområdet i det virtuelle miljø. Derudover bruges en armstøtte (SaeboMas Mini) til at støtte armen mod tyngdekraften for at reducere træthed og holde armen i den korrekte position - albuen er 90 grader vinkelret på jorden.

Målet med den sansemotoriske opgave er at nå et mål på 2,4 cm i en afstand af 10 cm fra en startposition, begge visuelt repræsenteret i det virtuelle miljø. For at gennemføre et forsøg med succes skal deltageren nå målet inden for en tidsbegrænsning på 0,5 s +/- 0,067 s. Der vil være en 0,5 s tone lyd, der giver besked om målvarigheden af ​​bevægelsen. Under denne bevægelse er markørens position skjult og vises ikke på skærmen (i forstyrrelses- og fastholdelsesfaser) for at fremtvinge fremadrettet motorisk tilpasning snarere end visuelt styret feedbackkontrol, da feedforward-tilpasning kan være svækket hos patienter med slagtilfælde. Resultaterne af hvert forsøg vises som 3 forskellige muligheder - korrekt, målet nået for hurtigt eller målet ikke nået. Forsøgspersonen vil blive underrettet om resultatet af forsøget ved, at målet bliver henholdsvis grønt, orange eller rødt. Derefter vises startstedet, som deltageren kan vende tilbage til. Efter 1-3 s inden for startpunktet vil et nyt forsøg blive påbegyndt.

Deltagerne vil udføre 75 basislinjeforsøg (ingen visuomotorisk rotation) for at blive fortrolig med robotmanipulationen og miljøet. Derefter vil deltagerne udføre yderligere 150 forsøg i den udfordrede tilstand med et virtuelt rotationsfelt (visuomotorisk rotation/perturbation), vist på skærmen. Forsøgspersoner vil ikke blive informeret om arten af ​​den sansemotoriske udfordring og skal gradvist lære den korrigerende kortlægning for at tilpasse sig forstyrrelsen. Ingen eksterne kræfter vil blive påført, og den haptiske sluteffektor bruges udelukkende til at måle håndtags endepunktskinematik. Derefter vil forsøgspersoner udføre 50 forsøg med de samme baseline-forsøg (udvaskning) og til sidst 50 forsøg mere af rotationsfeltet (retention). Tidsbehovet forventes at være 5-10 min for opsætning og forklaringer og ~30 min for den sansemotoriske opgave. Data fra hvert forsøg vil blive gemt indeholdende markørens position, succes/mislykket og tidsinformation til efterfølgende analyse. Yderligere kinematiske bevægelsesdata kan indsamles ved hjælp af IMU-sensorer, der bæres på håndleddet. IMU'en registrerer accelerations- og gyroskopmålinger og logger data til den eksperimentelle computer med en hastighed på 120Hz. Derudover vil alle data vedrørende stimulering blive lagret, dette inkluderer timing, impedansmålinger og alle kommunikationskommandoer til og fra stimulatoren.

Forskningsmæssig betydning:

Resultaterne kunne informere fremtidige kliniske undersøgelser inden for neurorehabilitering. Undersøgelsen bruger en "Touch™" haptisk enhed til opgaven, hvilket sikrer deltagernes sikkerhed og komfort.

Potentielle bivirkninger af taVNS er minimale og overvåges nøje.