taVNS-sovelluksen ajoitus robottisensorimoottoritehtävän aikana (SMTaVNS2024)

Yleiskatsaus:

Tämä tutkimus keskittyy transkutaanisen korvan vagushermostimulaation (taVNS) mahdollisuuksiin motorisessa hermoston kuntoutuksessa Parkinsonin taudin, traumaattisen aivovaurion, selkäydinvamman ja aivohalvauksen kaltaisissa olosuhteissa. TaVNS, joka on hyväksytty erilaisiin neurologisiin sairauksiin ja tunnettu turvallisuudestaan, aktivoi neuromodulaattoreita, jotka edistävät plastisuutta ja motorista oppimista. Optimaalisia stimulaatioparametreja, erityisesti ajoitusta liikkeen aikana, ei kuitenkaan ole täysin tutkittu.

Opintojen tavoitteet:

Ensisijainen tavoite: Arvioida eri taVNS-ajoitusprotokollien toteutettavuutta ja vaikutuksia robottisensomotorisessa tehtävässä sensomotoriseen oppimiseen ja sopeutumiseen. Hypoteesi on, että vaihtelevat taVNS-liikkeen ajoitukset vaikuttavat sekä subjektiivisiin että objektiivisiin toteutettavuusmittauksiin ja sensomotoriseen sopeutumiseen.

Toissijaiset tavoitteet: Vertaa liikkeen kinematiikkaa ja verrata havaittuja stimulaatiovaikutuksia mitattuihin fysiologisiin tuloksiin ja tehtävän suoritusmittareihin.

Metodologia:

Tutkimus suoritetaan ETH Zurichissa terveillä koehenkilöillä käyttämällä robottisensomotorista tehtävää, jolla arvioidaan liikeajastimen taVNS:n toteutettavuutta ja sen vaikutusta uusien sensorimotoristen taitojen oppimiseen.

Osallistujille määrätään eri stimulaatio-ajoitukset, ja tutkimuksessa arvioidaan motorista oppimista ja suorituskyvyn johdonmukaisuutta enintään kuuden istunnon aikana tai kunnes 70 %:n menestys saavutetaan kahdessa peräkkäisessä istunnossa.

Tutkimussuunnitelma on yksisokkoutettu, näennäissatunnaistettu, tutkiva ja pitkittäinen, ja siinä käytetään kontrolleja, kuten ei stimulaatiota ja satunnaisesti ajoitettua stimulaatiota.

Intervention tiedot:

Ennen jokaista istuntoa kaksi elektrodia (esim. TensCare-tyynyt) yhdistetään pulssigeneraattoriin ja 1) sijoitetaan korvan symbae-koippuihin ja 2) korvan tragus-kohtaan, jolloin aiemmin kuvattu kaksivaiheinen taVNS-pulssijono voi kulkea. Tässä kaksivaiheisia neliöpulsseja, joiden leveys on 250 ms, lähetetään 25 Hz:n taajuudella 0,5 sekunnin ajan enintään 3 mA:n soveltuvuudella. Stimulaatiopulssit ovat virtaohjattuja, rajoitettuja 50 V:iin ja niitä säätelee pulssigeneraattori, joka rajoittaa laitteistossa toimitettavaa virtaa sarjavastuksilla ja diodeilla.

Istunnon alussa osallistujat käyttävät python-graafista käyttöliittymää halutun taVNS-amplitudin kalibroimiseen nostamalla sitä vähitellen minimiarvosta 0,1 mA maksimaaliseen siedettyyn amplitudiin, joka on alle 3 mA 0,1 mA:n välein. Intensiteettitaso asetetaan 90 %:iin henkilön maksimaalisesta siedetystä amplitudista (tyypillinen ~1,5-2 mA ja rajoitettu 3 mA:iin, mikä on huomattavasti alle 50 mA:n turvarajan (IEC 60601-2-10:n mukaan: 2012). Tämä toimenpide kestää 1-2 minuuttia. Kalibroinnin jälkeen sensomotorisen tehtävän istunto alkaa.

Sensorimotorinen tehtävä Sensomotorinen tehtävä hyödyntää kaupallista haptista pääteefektoria (Touch, 3D-järjestelmät), mittatilaustyönä valmistettua 3D-tulostettua kahvaa ja virtuaalitodellisuusympäristöä, joka on toteutettu pythonilla ja PsychoPyllä Microsoft Windows -kannettavassa tietokoneessa. Robottimanipulaatio synkronoidaan 1 cm:n pyöreän kursorin kanssa virtuaaliympäristön työtilassa. Lisäksi käsitukea (SaeboMas Mini) käytetään tukemaan käsivartta painovoimaa vasten vähentämään väsymystä ja pitämään käsivarren oikeassa asennossa - kyynärpää on 90 astetta kohtisuorassa maahan nähden.

Sensomotorisen tehtävän tavoitteena on saavuttaa 2,4 cm:n kohde 10 cm:n etäisyydellä lähtöasennosta, molemmat visuaalisesti esitettynä virtuaaliympäristössä. Kokeen onnistuneesti suorittamiseksi osallistujan on saavutettava tavoite 0,5 s +/- 0,067 s aikarajoituksen sisällä. Kuuluu 0,5 s merkkiääni, joka ilmoittaa liikkeen tavoitekeston. Tämän liikkeen aikana kohdistimen sijainti on piilotettu eikä näy näytöllä (häiriö- ja säilytysvaiheissa), jotta pakotetaan eteenpäinkytkentäinen motorinen sopeutuminen visuaalisesti ohjatun palauteohjauksen sijaan, koska myötäkytkentäinen mukautuminen voi olla heikentynyt aivohalvauspotilailla. Kunkin kokeilun tulokset näytetään kolmena eri vaihtoehtona - oikein, tavoite saavutettu liian nopeasti tai tavoitetta ei saavutettu. Kohde saa tiedon kokeen tuloksesta, kun kohde muuttuu vastaavasti vihreäksi, oranssiksi tai punaiseksi. Tämän jälkeen näytetään lähtöpaikka, johon osallistuja voi palata. 1-3 sekunnin kuluttua aloituspisteestä aloitetaan uusi koe.

Osallistujat suorittavat 75 peruskoetta (ei visuomotorista kiertoa) tutustuakseen robottimanipulaatioon ja ympäristöön. Tämän jälkeen osallistujat suorittavat 150 lisäkoetta haastavassa tilassa virtuaalisella pyörimiskentällä (visuomotorinen rotaatio/häiriö), joka näkyy näytöllä. Koehenkilöille ei tiedoteta sensomotorisen haasteen luonteesta, ja heidän on asteittain opittava korjaava kartoitus sopeutuakseen häiriöön. Ulkoisia voimia ei kohdisteta, ja haptista päätelaitetta käytetään vain kahvan päätepisteen kinematiikkaan. Sitten koehenkilöt suorittavat 50 koetta samoista lähtötilanteista (wash-out) ja lopuksi 50 muuta koetta rotaatiokentästä (retentio). Aikavaatimuksen oletetaan olevan 5-10 min asetuksiin ja selityksiin ja ~30 min sensorimotoriseen tehtävään. Jokaisesta kokeesta tallennetaan tiedot, jotka sisältävät kohdistimen sijainnin, onnistumis/epäonnistuminen ja aikatiedot myöhempää analyysiä varten. Liikkeen kinemaattista lisätietoa voidaan kerätä käyttämällä IMU-antureita, joita pidetään ranteessa. IMU tallentaa kiihtyvyys- ja gyroskooppimittaukset ja kirjaa tiedot koetietokoneeseen 120 Hz:n taajuudella. Lisäksi kaikki stimulaatioon liittyvät tiedot tallennetaan, mukaan lukien ajoitus, impedanssimittaukset ja kaikki viestintäkomennot stimulaattoriin ja stimulaattorista.

Tutkimusmerkitys:

Löydökset voivat olla hyödyllisiä tuleville neurorehabilitaatiotutkimuksille. Tutkimuksessa käytetään "Touch™"-haptista laitetta tehtävään, mikä varmistaa osallistujien turvallisuuden ja mukavuuden.

TaVNS:n mahdolliset sivuvaikutukset ovat minimaalisia ja niitä seurataan tarkasti.