taVNS Application Timing under Robotic Sensorimotor Task (SMTaVNS2024)

Oversikt:

Denne studien fokuserer på potensialet til transkutan aurikulær vagusnervestimulering (taVNS) i motorisk nevrorehabilitering for tilstander som Parkinsons sykdom, traumatisk hjerneskade, ryggmargsskade og hjerneslag. taVNS, godkjent for ulike nevrologiske tilstander og kjent for sin sikkerhet, aktiverer nevromodulatorer som bidrar til plastisitet og motorisk læring. Imidlertid er de optimale stimuleringsparametrene, spesielt timing under bevegelse, ikke fullt ut utforsket.

Studiemål:

Primært mål: Å vurdere gjennomførbarheten og effekten av forskjellige taVNS-tidsprotokoller i en robotisk sensorimotorisk oppgave på sensorimotorisk læring og tilpasning. Hypotesen er at varierende taVNS-bevegelsestider vil påvirke både subjektive og objektive gjennomførbarhetsmål og sensorimotorisk tilpasning.

Sekundære mål: Å sammenligne bevegelseskinematikk og kontrast oppfattede stimuleringseffekter med målte fysiologiske utfall og oppgaveytelsesmålinger.

Metodikk:

Studien vil bli utført ved ETH Zürich med friske forsøkspersoner som bruker en robotisk sansemotorisk oppgave for å evaluere gjennomførbarheten av bevegelses-timet taVNS og dens innflytelse på å lære nye sansemotoriske ferdigheter.

Deltakerne vil bli tildelt ulike stimuleringstidspunkter, hvor studien vurderer motorisk læring og ytelseskonsistens over maksimalt 6 økter eller til 70 % suksess er oppnådd i to påfølgende økter.

Studiedesignet er enkeltblindet, pseudo-randomisert, utforskende og longitudinelt, og bruker kontroller som ingen stimulering og tilfeldig tidsbestemt stimulering.

Intervensjonsdetaljer:

Før hver økt skal to elektroder (f.eks. TensCare-puter) vil kobles til pulsgeneratoren og 1) plasseres på ørets cymbae conchae og 2) på ørets tragus, slik at et tidligere beskrevet taVNS bifasisk pulstog kan reise. Her sendes bifasiske kvadratpulser på 250 ms bredde ved 25Hz frekvens i 0,5 s ved en maksimal aptitude på 3 mA. Stimuleringspulsene er strømstyrte, begrenset til 50V og regulert av en pulsgenerator som begrenser leverbar strøm i maskinvare ved design med serielle motstander og dioder.

Ved starten av økten vil deltakerne bruke et python-grensesnitt for å kalibrere ønsket taVNS-amplitude ved gradvis å øke den fra minimal 0,1 mA opp til maksimal tolerert amplitude under 3 mA i intervaller på 0,1 mA. Intensitetsnivået vil bli satt til 90 % av den maksimalt tolererte amplituden for personen (typisk ~1,5-2 mA og begrenset til 3mA, som er betydelig under sikkerhetsgrensen på 50mA (i henhold til IEC 60601-2-10: 2012). Denne prosedyren tar 1-2 min. Etter kalibreringen starter økten med den sansemotoriske oppgaven.

Sensorimotorisk oppgave Den sensorimotoriske oppgaven bruker en kommersiell haptisk slutteffektor (Touch, 3D-systemer), et skreddersydd 3D-trykt håndtak og et virtual reality-miljø, implementert i python og PsychoPy på en Microsoft Windows bærbar PC. Robotmanipulasjonen er synkronisert med en 1 cm sirkulær markør i arbeidsområdet til det virtuelle miljøet. I tillegg brukes en armstøtte (SaeboMas Mini) for å støtte armen mot tyngdekraften for å redusere tretthet og holde armen i riktig posisjon - albuen er 90 grader vinkelrett på bakken.

Målet med den sansemotoriske oppgaven er å nå et mål på 2,4 cm i en avstand på 10 cm fra en startposisjon, begge visuelt representert i det virtuelle miljøet. For å fullføre et forsøk må deltakeren nå målet innen en tidsbegrensning på 0,5 s +/- 0,067 s. Det vil være en 0,5 s tonelyd som varsler målvarigheten for bevegelsen. Under denne bevegelsen er markørposisjonen skjult og vises ikke på skjermen (i forstyrrelses- og retensjonsfaser) for å tvinge frem fremkobling av motorisk tilpasning, i stedet for visuelt veiledet tilbakemeldingskontroll, ettersom fremkoblingstilpasning kan være svekket hos slagpasienter. Resultatene av hver prøve vises som 3 forskjellige muligheter - riktig, målet nådd for raskt eller målet ikke nådd. Forsøkspersonen vil bli varslet om utfallet av forsøket ved at målet blir henholdsvis grønt, oransje eller rødt. Etterpå vil startstedet vises som deltakeren kan gå tilbake til. Etter 1-3 s innenfor startpunktet vil en ny prøve igangsettes.

Deltakerne vil utføre 75 grunnlinjeforsøk (ingen visuomotorisk rotasjon) for å bli kjent med robotmanipulasjonen og miljøet. Deretter vil deltakerne utføre ytterligere 150 forsøk i utfordret tilstand med et virtuelt rotasjonsfelt (visuomotorisk rotasjon/perturbasjon), vist på skjermen. Forsøkspersonene vil ikke bli informert om arten av den sansemotoriske utfordringen og må gradvis lære den korrigerende kartleggingen for å tilpasse seg forstyrrelsen. Ingen ytre krefter vil bli påført, og den haptiske endeeffektoren brukes utelukkende til å måle endepunktkinematikk. Deretter vil forsøkspersonene utføre 50 forsøk av de samme grunnlinjeforsøkene (utvasking) og til slutt 50 flere forsøk med rotasjonsfeltet (retensjon). Tidsbehovet forventes å være 5-10 min for oppsett og forklaringer og ~30 min for den sansemotoriske oppgaven. Data fra hver prøveversjon vil bli lagret som inneholder posisjonen til markøren, suksess/mislykket og tidsinformasjon for påfølgende analyse. Ytterligere kinematiske bevegelsesdata kan samles inn ved hjelp av IMU-sensorer som bæres på håndleddet. IMU registrerer akselerasjons- og gyroskopmålinger og logger data til den eksperimentelle datamaskinen med en hastighet på 120 Hz. I tillegg vil alle data knyttet til stimulering bli lagret, dette inkluderer timing, impedansmålinger og alle kommunikasjonskommandoer til og fra stimulatoren.

Forskningsbetydning:

Funnene kan informere fremtidige kliniske studier innen nevrorehabilitering. Studien bruker en "Touch™" haptisk enhet for oppgaven, noe som sikrer deltakernes sikkerhet og komfort.

Potensielle bivirkninger av taVNS er minimale og overvåkes nøye.