ロボット感覚運動タスク中の taVNS アプリケーションのタイミング (SMTaVNS2024)

概要：

この研究は、パーキンソン病、外傷性脳損傷、脊髄損傷、脳卒中などの運動神経リハビリテーションにおける経皮的耳介迷走神経刺激（taVNS）の可能性に焦点を当てています。 taVNS は、さまざまな神経学的症状に対して承認され、その安全性で知られており、可塑性と運動学習に寄与する神経調節物質を活性化します。 ただし、最適な刺激パラメータ、特に動作中のタイミングは十分に検討されていません。

学習目標:

主な目的: ロボット感覚運動タスクにおけるさまざまな taVNS タイミング プロトコルの、感覚運動学習と適応に対する実現可能性と効果を評価すること。 この仮説は、taVNS の動きのタイミングの変化が、主観的および客観的な実現可能性の尺度と感覚運動の適応の両方に影響を与えるというものです。

第 2 の目的: 運動の運動学を比較し、知覚された刺激の効果を、測定された生理学的結果およびタスクのパフォーマンスの指標と対比すること。

方法論:

この研究はチューリッヒ工科大学で、ロボットによる感覚運動タスクを使用して健康な被験者を対象に実施され、動きに合わせて計測されるtaVNSの実現可能性と、新しい感覚運動スキルの学習に対するその影響を評価します。

参加者には異なる刺激タイミングが割り当てられ、この研究では最大6回のセッション、または連続する2回のセッションで70％の成功に達するまでの運動学習とパフォーマンスの一貫性が評価されます。

研究デザインは単盲検、擬似ランダム化、探索的、長期的であり、無刺激やランダムなタイミングでの刺激などの対照を採用しています。

介入の詳細:

各セッションの前に、2 つの電極 (例: TensCare パッド) はパルス発生器に接続され、1) 耳甲介と 2) 耳珠に配置され、前述の taVNS 二相性パルス列の移動が可能になります。 ここでは、250ms幅の二相方形パルスが25Hzの周波数で0.5秒間、最大3mAの適性で送信されます。 刺激パルスは電流制御され、50V に制限され、直列抵抗とダイオードを使用した設計によりハードウェアで供給可能な電流を制限するパルス発生器によって調整されます。

セッションの開始時に、参加者は Python GUI を使用して、最小 0.1 mA から 3 mA 未満の最大許容振幅まで 0.1 mA 間隔で徐々に増加させ、目的の taVNS 振幅を校正します。 強度のレベルは、人が許容できる最大振幅の 90% に設定されます (通常は約 1.5 ～ 2 mA、安全限界の 50 mA を大幅に下回る 3 mA に制限されます (IEC 60601-2-10 による))。 2012）。 この手順には 1 ～ 2 分かかります。 キャリブレーションに続いて、感覚運動タスクのセッションが開始されます。

感覚運動タスク 感覚運動タスクでは、市販の触覚エンド エフェクター (タッチ、3D システム)、カスタム メイドの 3D プリント ハンドル、および Microsoft Windows ラップトップ上の Python と PsychoPy で実装された仮想現実環境を利用します。 ロボットマニピュランダムは、仮想環境のワークスペース内の1cmの円形カーソルに同期します。 さらに、アームサポート (SaeboMas Mini) を使用して重力に抗して腕をサポートし、疲労を軽減し、腕を正しい位置 (肘が地面に対して 90 度垂直) に保ちます。

感覚運動タスクの目標は、開始位置から 10 cm 離れた距離にある 2.4 cm のターゲットに到達することであり、両方とも仮想環境で視覚的に表現されます。 トライアルを正常に完了するには、参加者は 0.5 秒 +/- 0.067 秒の制限時間内に目標に到達する必要があります。 動作の目標時間を通知する 0.5 秒のトーン音が鳴ります。 この動作中、脳卒中患者ではフィードフォワード適応が損なわれる可能性があるため、視覚ガイドによるフィードバック制御ではなく、フィードフォワード運動適応を強制するために、カーソル位置は非表示になり、画面上に表示されません（摂動フェーズおよび保持フェーズ）。 各トライアルの結果は、正解、目標達成が早すぎる、目標未達成の 3 つの異なる可能性として表示されます。 被験者は、ターゲットがそれぞれ緑、オレンジ、赤のいずれかに変わることで試験の結果を通知されます。 その後、参加者が戻る開始場所が表示されます。 開始点内で 1 ～ 3 秒経過すると、新しいトライアルが開始されます。

参加者は、ロボットマニピュランダムと環境に慣れるために、75 のベースライントライアル (視覚運動回転なし) を実行します。 次に、参加者は、画面上に表示される仮想回転場 (視覚運動回転/摂動) を使用して、チャレンジ条件でさらに 150 回の試行を実行します。 被験者は感覚運動課題の性質について知らされず、摂動に適応するための修正マッピングを徐々に学習する必要があります。 外力は適用されず、触覚エンドエフェクターはハンドルのエンドポイントの運動学を測定するためにのみ使用されます。 次に、被験者は同じベースライン試行 (ウォッシュアウト) を 50 回実行し、最後に回転場のさらに 50 回の試行 (保持) を実行します。 所要時間は、セットアップと説明に 5 ～ 10 分、感覚運動タスクに 30 分程度かかると予想されます。 各試行からのデータは、カーソルの位置、成功/失敗、および後続の分析のための時間情報を含んで保存されます。 追加の運動運動学的データは、手首に装着した IMU センサーを使用して収集できます。 IMU は加速度およびジャイロスコープの測定値を記録し、データを 120Hz の速度で実験用コンピューターに記録します。 さらに、刺激に関するすべてのデータが保存されます。これには、タイミング、インピーダンス測定値、および刺激装置との間のすべての通信コマンドが含まれます。

研究の意義:

この発見は、神経リハビリテーションにおける将来の臨床研究に役立つ可能性があります。 この研究では、タスクに「Touch™」触覚デバイスを使用し、参加者の安全と快適さを確保しています。

taVNS の潜在的な副作用は最小限であり、注意深く監視されています。