taVNS-Anwendungszeitpunkt während einer sensomotorischen Roboteraufgabe (SMTaVNS2024)

Überblick:

Diese Studie konzentriert sich auf das Potenzial der transkutanen aurikulären Vagusnervstimulation (taVNS) in der motorischen Neurorehabilitation bei Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit, traumatischen Hirnverletzungen, Rückenmarksverletzungen und Schlaganfall. taVNS ist für verschiedene neurologische Erkrankungen zugelassen und für seine Sicherheit bekannt. Es aktiviert Neuromodulatoren, die zur Plastizität und zum motorischen Lernen beitragen. Allerdings sind die optimalen Stimulationsparameter, insbesondere das Timing während der Bewegung, noch nicht vollständig erforscht.

Studienziele:

Hauptziel: Bewertung der Machbarkeit und Auswirkungen verschiedener taVNS-Timingprotokolle in einer sensomotorischen Roboteraufgabe auf sensomotorisches Lernen und Anpassung. Die Hypothese ist, dass unterschiedliche taVNS-Bewegungszeitpunkte sowohl subjektive als auch objektive Machbarkeitsmessungen und sensomotorische Anpassung beeinflussen.

Sekundäre Ziele: Vergleich der Bewegungskinematik und Kontrast wahrgenommener Stimulationseffekte mit gemessenen physiologischen Ergebnissen und Aufgabenleistungsmetriken.

Methodik:

Die Studie wird an der ETH Zürich mit gesunden Probanden durchgeführt, die eine sensomotorische Roboteraufgabe verwenden, um die Machbarkeit von bewegungsgesteuerten taVNS und ihren Einfluss auf das Erlernen neuer sensomotorischer Fähigkeiten zu bewerten.

Den Teilnehmern werden unterschiedliche Stimulationszeiten zugewiesen, wobei in der Studie das motorische Lernen und die Leistungskonsistenz über maximal 6 Sitzungen oder bis in zwei aufeinanderfolgenden Sitzungen ein Erfolg von 70 % erreicht wird, bewertet werden.

Das Studiendesign ist einfach verblindet, pseudorandomisiert, explorativ und longitudinal und verwendet Kontrollen wie keine Stimulation und zufällige Stimulation.

Interventionsdetails:

Vor jeder Sitzung werden zwei Elektroden (z.B. TensCare-Pads werden an den Impulsgenerator angeschlossen und 1) auf den Beckenmuscheln des Ohrs und 2) auf dem Tragus des Ohrs platziert, sodass eine zuvor beschriebene zweiphasige taVNS-Impulsfolge übertragen werden kann. Dabei werden biphasische Rechteckimpulse von 250 ms Breite bei 25 Hz Frequenz für 0,5 s bei einer maximalen Eignung von 3 mA gesendet. Die Stimulationsimpulse sind stromgesteuert, auf 50 V begrenzt und werden von einem Impulsgenerator reguliert, der den abzugebenden Strom in der Hardware durch ein Design mit seriellen Widerständen und Dioden begrenzt.

Zu Beginn der Sitzung verwenden die Teilnehmer eine Python-GUI, um die gewünschte taVNS-Amplitude zu kalibrieren, indem sie sie schrittweise von minimal 0,1 mA bis zur maximal tolerierten Amplitude unter 3 mA in Intervallen von 0,1 mA erhöhen. Die Intensitätsstufe wird auf 90 % der maximal tolerierten Amplitude für die Person eingestellt (typischerweise ~1,5–2 mA und auf 3 mA begrenzt, was deutlich unter der Sicherheitsgrenze von 50 mA liegt (gemäß IEC 60601-2-10): 2012). Dieser Vorgang dauert 1-2 Minuten. Nach der Kalibrierung beginnt die Sitzung mit der sensomotorischen Aufgabe.

Sensomotorische Aufgabe Die sensomotorische Aufgabe nutzt einen kommerziellen haptischen Endeffektor (Touch, 3D-Systeme), einen maßgeschneiderten 3D-gedruckten Griff und eine Virtual-Reality-Umgebung, implementiert in Python und PsychoPy auf einem Microsoft Windows-Laptop. Das Roboter-Manipulandum wird mit einem 1 cm großen kreisförmigen Cursor im Arbeitsbereich der virtuellen Umgebung synchronisiert. Zusätzlich wird eine Armstütze (SaeboMas Mini) verwendet, um den Arm gegen die Schwerkraft zu stützen, um Ermüdungserscheinungen zu reduzieren und den Arm in der richtigen Position zu halten – der Ellenbogen steht im 90-Grad-Winkel zum Boden.

Das Ziel der sensomotorischen Aufgabe besteht darin, ein 2,4 cm großes Ziel in einer Entfernung von 10 cm von einer Startposition zu erreichen, beides visuell in der virtuellen Umgebung dargestellt. Um einen Versuch erfolgreich abzuschließen, muss der Teilnehmer das Ziel innerhalb einer Zeitvorgabe von 0,5 s +/- 0,067 s erreichen. Es ertönt ein 0,5 Sekunden langer Ton, der die Zieldauer der Bewegung anzeigt. Während dieser Bewegung wird die Cursorposition ausgeblendet und nicht auf dem Bildschirm angezeigt (in Störungs- und Retentionsphasen), um eine vorwärtsgerichtete motorische Anpassung zu erzwingen, und nicht eine visuell geführte Rückkopplungssteuerung, da die vorwärtsgerichtete Anpassung bei Schlaganfallpatienten beeinträchtigt sein kann. Die Ergebnisse jedes Versuchs werden als drei verschiedene Möglichkeiten angezeigt: richtig, Ziel zu schnell erreicht oder Ziel nicht erreicht. Der Proband wird über das Ergebnis des Versuchs informiert, indem die Zielscheibe entweder grün, orange oder rot wird. Anschließend wird dem Teilnehmer der Startort angezeigt, zu dem er zurückkehren kann. Nach 1–3 Sekunden innerhalb des Startpunkts wird ein neuer Versuch eingeleitet.

Die Teilnehmer führen 75 Basisversuche (keine visuomotorische Rotation) durch, um sich mit dem Roboter-Manipulandum und der Umgebung vertraut zu machen. Anschließend führen die Teilnehmer weitere 150 Versuche im herausgeforderten Zustand mit einem virtuellen Rotationsfeld (visuomotorische Rotation/Störung) durch, das auf dem Bildschirm angezeigt wird. Die Probanden werden nicht über die Art der sensomotorischen Herausforderung informiert und müssen nach und nach die Korrekturkartierung erlernen, um sich an die Störung anzupassen. Es werden keine äußeren Kräfte ausgeübt und der haptische Endeffektor wird ausschließlich zur Messung der Endpunktkinematik des Griffs verwendet. Anschließend führen die Probanden 50 Versuche mit denselben Basisversuchen (Auswaschen) und schließlich 50 weitere Versuche mit dem Rotationsfeld (Retention) durch. Der Zeitaufwand für den Aufbau und die Erklärungen wird voraussichtlich 5-10 Minuten und für die sensomotorische Aufgabe etwa 30 Minuten betragen. Die Daten jedes Versuchs werden gespeichert und enthalten die Position des Cursors, Erfolg/Misserfolg und Zeitinformationen für die spätere Analyse. Zusätzliche kinematische Bewegungsdaten können mithilfe von am Handgelenk getragenen IMU-Sensoren erfasst werden. Die IMU zeichnet Beschleunigungs- und Gyroskopmessungen auf und protokolliert Daten mit einer Rate von 120 Hz an den Versuchscomputer. Darüber hinaus werden alle stimulationsbezogenen Daten gespeichert, dazu gehören Timing, Impedanzmessungen und alle Kommunikationsbefehle zum und vom Stimulator.

Forschungsbedeutung:

Die Ergebnisse könnten in zukünftige klinische Studien zur Neurorehabilitation einfließen. Die Studie verwendet für diese Aufgabe ein haptisches Gerät „Touch™“, das die Sicherheit und den Komfort der Teilnehmer gewährleistet.

Mögliche Nebenwirkungen von taVNS sind minimal und werden engmaschig überwacht.