taVNS-applicatietiming tijdens robotische sensomotorische taak (SMTaVNS2024)

Overzicht:

Deze studie richt zich op het potentieel van transcutane auriculaire nervus vagusstimulatie (taVNS) bij motorische neurorevalidatie voor aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, traumatisch hersenletsel, ruggenmergletsel en beroerte. taVNS, goedgekeurd voor verschillende neurologische aandoeningen en bekend om zijn veiligheid, activeert neuromodulatoren die bijdragen aan plasticiteit en motorisch leren. De optimale stimulatieparameters, vooral de timing tijdens beweging, zijn echter nog niet volledig onderzocht.

Studiedoelen:

Primaire doelstelling: Beoordelen van de haalbaarheid en effecten van verschillende taVNS-timingprotocollen in een sensomotorische robottaak op sensomotorisch leren en aanpassen. De hypothese is dat variërende taVNS-bewegingstijdstippen zowel subjectieve als objectieve haalbaarheidsmetingen en sensomotorische aanpassing zullen beïnvloeden.

Secundaire doelstellingen: Bewegingskinematica vergelijken en waargenomen stimulatie-effecten contrasteren met gemeten fysiologische uitkomsten en taakprestatiestatistieken.

Methodologie:

Het onderzoek zal worden uitgevoerd bij ETH Zürich met gezonde proefpersonen met behulp van een robotische sensomotorische taak om de haalbaarheid van bewegingsgetimede taVNS en de invloed ervan op het leren van nieuwe sensomotorische vaardigheden te evalueren.

Deelnemers krijgen verschillende stimulatiemomenten toegewezen, waarbij het onderzoek het motorisch leren en de prestatieconsistentie beoordeelt gedurende maximaal zes sessies of totdat 70% succes wordt bereikt in twee opeenvolgende sessies.

Het onderzoeksontwerp is enkelblind, pseudo-gerandomiseerd, verkennend en longitudinaal, waarbij gebruik wordt gemaakt van controlemechanismen zoals geen stimulatie en willekeurig getimede stimulatie.

Interventiedetails:

Vóór elke sessie worden twee elektroden (bijv. TensCare-pads) worden aangesloten op de pulsgenerator en 1) geplaatst op de cymbae-schelp van het oor en 2) op de tragus van het oor, waardoor een eerder beschreven taVNS bifasische pulstrein kan reizen. Hier worden bifasische vierkante pulsen met een breedte van 250 ms verzonden met een frequentie van 25 Hz gedurende 0,5 s bij een maximale geschiktheid van 3 mA. De stimulatiepulsen zijn stroomgestuurd, beperkt tot 50 V en geregeld door een pulsgenerator die de leverbare stroom in hardware beperkt door middel van seriële weerstanden en diodes.

Aan het begin van de sessie zullen de deelnemers een Python GUI gebruiken om de gewenste taVNS-amplitude te kalibreren door deze geleidelijk te verhogen van minimaal 0,1 mA tot de maximaal getolereerde amplitude onder 3 mA in intervallen van 0,1 mA. Het intensiteitsniveau wordt ingesteld op 90% van de maximaal getolereerde amplitude voor de persoon (typisch ~1,5-2 mA en beperkt tot 3 mA, wat aanzienlijk onder de veiligheidslimiet van 50 mA ligt (volgens IEC 60601-2-10: 2012). Deze procedure duurt 1-2 minuten. Na de kalibratie begint de sessie met de sensomotorische taak.

Sensorimotorische taak De sensomotorische taak maakt gebruik van een commerciële haptische eindeffector (Touch, 3D-systemen), een op maat gemaakte 3D-geprinte handgreep en een virtual reality-omgeving, geïmplementeerd in Python en PsychoPy op een Microsoft Windows-laptop. Het robotmanipulandum wordt gesynchroniseerd met een cirkelvormige cursor van 1 cm in de werkruimte van de virtuele omgeving. Daarnaast wordt een armsteun (SaeboMas Mini) gebruikt om de arm tegen de zwaartekracht in te ondersteunen om vermoeidheid te verminderen en de arm in de juiste positie te houden - de elleboog staat 90 graden loodrecht op de grond.

Het doel van de sensomotorische taak is om een ​​doel van 2,4 cm te bereiken op een afstand van 10 cm van een startpositie, beide visueel weergegeven in de virtuele omgeving. Om een ​​proef met succes te voltooien, moet de deelnemer het doel bereiken binnen een tijdslimiet van 0,5 s +/- 0,067 s. Er klinkt een toongeluid van 0,5 seconde dat de beoogde duur van de beweging aangeeft. Tijdens deze beweging wordt de cursorpositie verborgen en niet weergegeven op het scherm (in verstorings- en retentiefasen) om feedforward-motorische aanpassing te forceren, in plaats van visueel geleide feedbackcontrole, aangezien feedforward-aanpassing bij patiënten met een beroerte kan worden aangetast. De resultaten van elke proef worden weergegeven als drie verschillende mogelijkheden: correct, doel te snel bereikt of doel niet bereikt. De proefpersoon wordt op de hoogte gesteld van de uitkomst van de proef doordat het doel respectievelijk groen, oranje of rood wordt. Daarna wordt de startlocatie getoond waar de deelnemer naar terug kan keren. Na 1-3 s binnen het startpunt wordt een nieuwe proef gestart.

Deelnemers zullen 75 basisproeven uitvoeren (geen visuomotorische rotatie) om vertrouwd te raken met het robotmanipulandum en de omgeving. Vervolgens zullen de deelnemers nog eens 150 proeven uitvoeren in de uitgedaagde toestand met een virtueel rotatieveld (visuomotorische rotatie/verstoring), weergegeven op het scherm. De proefpersonen zullen niet worden geïnformeerd over de aard van de sensomotorische uitdaging en zullen geleidelijk de corrigerende mapping moeten leren om zich aan de verstoring aan te passen. Er worden geen externe krachten uitgeoefend en de haptische eindeffector wordt uitsluitend gebruikt om de kinematica van het handvateindpunt te meten. Vervolgens zullen de proefpersonen 50 proeven van dezelfde basislijnproeven uitvoeren (wash-out) en ten slotte nog eens 50 proeven van het rotatieveld (retentie). De tijdvereiste zal naar verwachting 5-10 minuten bedragen voor de opstelling en uitleg en ~30 minuten voor de sensomotorische taak. Gegevens van elke proef worden opgeslagen met daarin de positie van de cursor, succes/mislukking en tijdinformatie voor daaropvolgende analyse. Aanvullende bewegingskinematische gegevens kunnen worden verzameld met behulp van IMU-sensoren die om de pols worden gedragen. De IMU registreert versnellings- en gyroscoopmetingen en logt gegevens naar de experimentele computer met een snelheid van 120 Hz. Bovendien worden alle gegevens met betrekking tot de stimulatie opgeslagen, inclusief timing, impedantiemetingen en alle communicatiecommando's van en naar de stimulator.

Onderzoeksbelang:

De bevindingen zouden toekomstige klinische studies op het gebied van neurorevalidatie kunnen informeren. Het onderzoek maakt voor deze taak gebruik van een haptisch apparaat "Touch™", waardoor de veiligheid en het comfort van de deelnemers wordt gegarandeerd.

Mogelijke bijwerkingen van taVNS zijn minimaal en worden nauwlettend gevolgd.