Y Behavioral Interven.on Research Using tDCS Promoting - - PowerPoint PPT Presentation

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Patient Adaptive Y Behavioral Interven.on Research Using tDCS Promoting useful Plasticity P Intervention plasticity in motor cortex O Dylan J. Edwards PhD Maladaptive Patient + The Burke Medical Research

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SLIDE 1

Dylan J. Edwards PhD

The Burke Medical Research Institute, New York Dept of Neurology, Weill Cornell Medical College, New York BA-CNIBS, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School, Boston

  • ¡Behavioral ¡Interven.on ¡Research ¡Using ¡tDCS ¡

Introduction to Transcranial Direct Current Stimulation in Neuropsychiatric Research

Plasticity

Adaptive Maladaptive

Promoting useful plasticity in motor cortex Patient Intervention Patient + Intervention

Robotics for assessment of performance kinematics

Pre – training Post - training

TMS Demonstration tDCS

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SLIDE 2

* ¡Only ¡m/cf ¡montage ¡effective

“In ¡order ¡to ¡induce ¡aftereffects, ¡a ¡stimulus ¡duration ¡of ¡at ¡least ¡3 ¡min ¡at ¡ 1 ¡mA ¡or ¡an ¡intensity ¡of ¡0·√6 ¡mA ¡for ¡5 ¡min”

Nitsche ¡et ¡al, ¡2000

5 ¡min, ¡1mA, ¡bipolar ¡montage

Corticomotor excitability in stroke

Webster et al (2006) Webster et al (2006)

Yozbatiran ¡et ¡al, ¡2009 ¡ Malcom ¡et ¡al, ¡2007 ¡ Hummel ¡et ¡al, ¡2007 ¡ Talelli ¡et ¡al., ¡2007 ¡ ¡ ¡ ¡Kim ¡ et ¡al., ¡2006 ¡Hummel ¡et ¡ al, ¡2006 ¡Khedr ¡et ¡al., ¡ 2005 ¡Hummel ¡et ¡al, ¡ 2005 ¡ ¡ Takeuchi, ¡et ¡al, ¡2008 ¡ Boggio ¡et ¡al, ¡2007 ¡ Fregni ¡et ¡al., ¡2006 ¡ Fregni ¡et ¡al., ¡2005 ¡ Mansur ¡et ¡al., ¡2005 ¡ Takeuchi ¡et ¡al., ¡2005 ¡ Boggio, ¡et ¡al., ¡2006 ¡ ¡ Werhahn, ¡et ¡al., ¡2003 ¡

IMPROVED CORTICOMOTOR OUTPUT FROM IPSI-LESIONAL M1 & IMPROVED MOTOR BEHAVIOUR

Webster et al (2006)

Functional Improvements sRT/cRT Pinch force acceleration fingers/thumb AROM Movement accuracy Purdue Pegboard JTT TMS correlates Resting MT Transcallosal Inhibition MEP Amplitude

IMPROVED CORTICOMOTOR OUTPUT FROM IPSI-LESIONAL M1 & IMPROVED MOTOR BEHAVIOUR

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SLIDE 3

Butler et al.

Anodal tDCS favors clinical improvement in stroke…

How does repetitive behavior affect motor cortex?

Simple repetitive finger movements increase excitability Motor map does not change unless in skill context

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SLIDE 4

How does combined intervention affect motor cortex?

Nitsche et al (2007)

Anodal tDCS prior to excitatory PAS further boosts excitability, while during tDCS reverses effect to reduced excitability

Is coupling tDCS with training good?

If…

Motor Training tDCS

= improvement in function ‘X’ = improvement in function ‘X’

does… and…

Motor Training tDCS

+

= improvement in function

2X, X2, or 0??

1mV Pre-tDCS Post-tDCS Post-Robot

Anodal tDCS combined with robotic motor training

Group SICI Index

Conditioned / uncond MEP amplitude 0.5 1 p < 0.05

* *

Pre tDCS Post tDCS Post Robot

Edwards et al (2009)

Anodal tDCS combined with robotic motor training

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SLIDE 5

Movement ¡Speed ¡(peak, ¡mean) ¡ Movement ¡Smoothness ¡ Aim ¡ Deviation ¡

“Kinematic Robot-Based Evaluation Scales and Clinical Counterparts to Measure Upper Limb Motor Performance in Patients With Chronic Stroke” (Bosecker et al, 2009)

Relevance ¡of ¡kinematic ¡measures ¡to ¡clinical ¡function Highest correlation with clinical function

neutral extension

Hand ¡position Visual ¡Cue ¡& ¡Feedback

person ¡active, ¡ machine ¡passive person ¡passive, ¡ robot ¡active

Movement ¡Training ¡Paradigm

20mins, ¡0.2Hz ¡movement ¡(4mins ¡movt, ¡1 ¡min ¡rest) ¡x4

  • 16
  • 7

2 11 20

Normalised data (%)

Key Findings: Effect of Intervention on Motor Performance

Giacobbe et al., (2013) Mean ¡Speed Smoothness Aim Mean ¡Speed

Training Alone Training + tDCS (pre) Training + tDCS (during) Training + tDCS post

Significant improvement Significant decrement p=0.006 p=0.001 p=0.018 p=0.032

* ¡No ¡change ¡ ¡ deviation

Group Data n=12

NIH funded study 2012-2017 – tDCS and robotic motor training in stroke

  • 60 patients, Right hemiparesis
  • >6mnths post first ischemic stroke
  • Robotic protocol alternates S/E-wrist robot across sessions
  • tDCS 2mA, 35cm2, 0.9% NaCl soaked sponges

Training Period 3x / wk, 12 weeks, 36 sessions 1 hour shoulder/elbow/wrist robotic training tDCS or sham pre training (2 groups) CLINICAL, KINEMATIC, NEUROPHYSIOLOGY EVALUATION EVAL. EVAL. EVAL.

Combined tDCS-Robotic Training Study Design

EVAL. 1 wk 6 months EVAL. 1 wk

Upper ¡limb ¡robotics ¡at ¡Burke-­‑Cornell, ¡New ¡York

Robotics with brain stimulation in patients with motor dysfunction

Edwards PI: R01 HD069776

tDCS and EEG: real-time assessment of patient response

Boratyn et al, Clin Neurophys, 2013 (abs)

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SLIDE 6

Physical presence of DC field in human tissue with tDCS (magnitude v time)

Courtesy StarLab

  • nset

time intensity

  • nset

time MEP amplitude Net Biological response to DC field in human tissue with tDCS (MEP amplitude v time)

Note: Theoretical

Lasting effect

  • nset

time intensity Reverse effects Opposing homeostatic forces Opposing homeostatic forces Webster et al (2006)

Cortical Sub-Cortical

R²#=#0.02814# 0" 1" 2" 3" 4" 5" 6" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120"

RMT(unaff)#vs.#MP(aff)#

R²#=#0.4145# 0" 1" 2" 3" 4" 5" 6" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120"

RMT(unaff)#vs.#MP(aff)#

R²#=#0.80165# 0" 10" 20" 30" 40" 50" 60" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120"

RMT(unaff)#vs.#FM(aff)#

R²#=#0.00302# 0" 10" 20" 30" 40" 50" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120"

RMT(unaff)#vs.#FM(aff)#

Cortical Sub-Cortical

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Conclusions

Acknowledgements

This ¡work ¡is ¡supported ¡by NIH Grants R01HD069776, R21HD077616; The Neurotrauma Research Program, Australia ¡

Australia

Felipe Fregni MD PhD Alvaro Pascual-Leone MD PhD Australian Neuromuscular Research Institute Gary Thickbroom PhD Frank Mastaglia MD Soumya Ghosh MD PhD Mar Cortes MD Avrielle Rykman OT Ana Heloisa Medeiros PhD Mike Reding MD Doug Labar MD Matt Fink MD

  • Marom Bikson PhD

Abhishek Datta PhD Jack Martin PhD Zaghloul Ahmed PhD Hermano Krebs PhD

Spain

Institute Guttman Chema Tormos MD PhD

  • Starstim
  • G. Ruffini PhD, L Dubreuil Vall PhD
  • Clinic Hospital

Josep Valls-Sole MD PhD Bruce Volpe MD Johanna Chang MS Jason Carmel MD PhD Kathleen Friel PhD David Putrino PhD PT Peter Lee MD Susan Wortman-Jutt MS Jessica Edler PhD

Brazil

Lucy Montoro Hospital Marcel Sims MD PhD

  • UNIRIO & UERJ

Egas M. Caparelli-Dáquer MD PhD

  • USP

Taiza Santos Pontelli PhD PT Carolyn Falconer-Horne MS Adam Buchwald PhD Heidi Schambra MD PhD Sue Babyar PhD PT Albert Lo MD PhD Susan Fasoli PhD PT

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