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 Institute, New York C Intervention Dept of Neurology, Weill Cornell Medical College, New York BA-CNIBS, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School, Boston � Introduction to Transcranial Direct Current Stimulation in Neuropsychiatric Research T O N TMS Demonstration tDCS Robotics for assessment of performance kinematics O D Pre – training Post - training
5 ¡min, ¡1mA, ¡bipolar ¡montage Y Corticomotor excitability in stroke P O “In ¡order ¡to ¡induce ¡aftereffects, ¡a ¡stimulus ¡duration ¡of ¡at ¡least ¡3 ¡min ¡at ¡ C 1 ¡mA ¡or ¡an ¡intensity ¡of ¡0·√6 ¡mA ¡for ¡5 ¡min” * ¡Only ¡m/cf ¡montage ¡effective Nitsche ¡et ¡al, ¡2000 T O N Functional Improvements TMS correlates O sRT/cRT Resting MT Takeuchi, ¡et ¡al, ¡2008 ¡ Yozbatiran ¡et ¡al, ¡2009 ¡ Pinch force acceleration D Transcallosal Inhibition Boggio ¡et ¡al, ¡2007 ¡ Malcom ¡et ¡al, ¡2007 ¡ Fregni ¡et ¡al., ¡2006 ¡ Hummel ¡et ¡al, ¡2007 ¡ fingers/thumb AROM Talelli ¡et ¡al., ¡2007 ¡ ¡ ¡ ¡Kim ¡ MEP Amplitude Fregni ¡et ¡al., ¡2005 ¡ Movement accuracy et ¡al., ¡2006 ¡Hummel ¡et ¡ Mansur ¡et ¡al., ¡2005 ¡ al, ¡2006 ¡Khedr ¡et ¡al., ¡ Takeuchi ¡et ¡al., ¡2005 ¡ Purdue Pegboard 2005 ¡Hummel ¡et ¡al, ¡ Boggio, ¡et ¡al., ¡2006 ¡ ¡ 2005 ¡ ¡ JTT Werhahn, ¡et ¡al., ¡2003 ¡ Webster et al (2006) Webster et al (2006) Webster et al (2006) IMPROVED CORTICOMOTOR OUTPUT FROM IPSI-LESIONAL M1 IMPROVED CORTICOMOTOR OUTPUT FROM IPSI-LESIONAL M1 & IMPROVED MOTOR BEHAVIOUR & IMPROVED MOTOR BEHAVIOUR
Anodal tDCS favors clinical improvement in stroke… Y How does repetitive behavior affect P motor cortex? O C Butler et al. T O N O D Motor map does not change unless in skill context Simple repetitive finger movements increase excitability
Y Anodal tDCS prior to excitatory PAS further boosts How does combined intervention affect excitability, while Is coupling tDCS with training good? motor cortex? during tDCS P reverses effect to reduced excitability O C Nitsche et al (2007) T O N Anodal tDCS combined with robotic motor training Anodal tDCS combined with robotic motor training If … O Motor Training = improvement in function ‘X’ and … D tDCS = improvement in function ‘X’ 1mV does … Group SICI Index Conditioned / uncond MEP amplitude * p < 0.05 1 Motor Training * = improvement in function Pre-tDCS Post-tDCS Post-Robot 0.5 + 2X, X 2 , or 0?? 0 tDCS Pre Post Post tDCS tDCS Robot Edwards et al (2009)
Key Findings: Effect of Intervention on Motor Performance Relevance ¡of ¡kinematic ¡measures ¡to ¡clinical ¡function Movement ¡Training ¡Paradigm Visual ¡Cue ¡& ¡Feedback Training Training + Training + Training + Alone tDCS (pre) tDCS (during) tDCS post 20 Y Movement ¡Speed ¡(peak, ¡mean) ¡ Movement ¡Smoothness ¡ Normalised data (%) 11 Aim ¡ Hand ¡position P Deviation ¡ p=0.006 p=0.001 neutral extension person ¡active, ¡ 2 Aim Mean ¡Speed Highest correlation with machine ¡passive Mean ¡Speed Smoothness clinical function p=0.018 p=0.032 * ¡No ¡change ¡ ¡ O -7 deviation person ¡passive, ¡ robot ¡active -16 C Significant improvement Significant decrement “Kinematic Robot-Based Evaluation Scales and Clinical Counterparts to Measure Upper 20mins, ¡0.2Hz ¡movement ¡(4mins ¡movt, ¡1 ¡min ¡rest) ¡x4 Limb Motor Performance in Patients With Chronic Stroke” (Bosecker et al, 2009) Group Data n=12 Giacobbe et al., (2013) T O N NIH funded study 2012-2017 – tDCS and robotic motor training in stroke Upper ¡limb ¡robotics ¡at ¡Burke-‑Cornell, ¡New ¡York Edwards PI: R01 HD069776 O tDCS and EEG: real-time assessment of patient response Combined tDCS-Robotic Training Study Design D Training Period EVAL. EVAL. EVAL. EVAL. EVAL. 3x / wk, 12 weeks, 36 sessions 1 hour shoulder/elbow/wrist robotic training tDCS or sham pre training (2 groups) 1 wk 1 wk 6 months CLINICAL, KINEMATIC, NEUROPHYSIOLOGY EVALUATION • 60 patients, Right hemiparesis • >6mnths post first ischemic stroke • Robotic protocol alternates S/E-wrist robot across sessions • tDCS 2mA, 35cm 2, 0.9% NaCl soaked sponges Robotics with brain stimulation in patients with motor dysfunction Boratyn et al, Clin Neurophys, 2013 (abs)
Net Biological response to DC field in human tissue with tDCS Opposing homeostatic (MEP amplitude v time) forces Physical presence of DC field in human tissue with Note: Theoretical Y tDCS (magnitude v time) Opposing homeostatic forces Lasting effect P MEP amplitude intensity intensity O onset time Reverse onset onset effects time time C Courtesy StarLab T O N O Cortical Sub-Cortical Cortical Sub-Cortical D RMT(unaff)#vs.#MP(aff)# RMT(unaff)#vs.#MP(aff)# RMT(unaff)#vs.#FM(aff)# RMT(unaff)#vs.#FM(aff)# R²#=#0.00302# 6" R²#=#0.02814# 6" R²#=#0.4145# 50" 60" R²#=#0.80165# 5" 5" 50" 40" 4" 4" 40" 30" 3" 3" 30" 20" 2" 2" 20" 10" 1" 1" 10" 0" 0" 0" 0" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120" 0" 20" 40" 60" 80" 100" 120" Webster et al (2006)
Acknowledgements Conclusions This ¡work ¡is ¡supported ¡ by NIH Grants R01HD069776, R21HD077616; The Neurotrauma Research Program, Australia ¡ Bruce Volpe MD Mar Cortes MD Jason Carmel MD PhD Johanna Chang MS Avrielle Rykman OT Kathleen Friel PhD Marom Bikson PhD Ana Heloisa Medeiros PhD David Putrino PhD PT Abhishek Datta PhD Jack Martin PhD Mike Reding MD Peter Lee MD Y Zaghloul Ahmed PhD Doug Labar MD Susan Wortman-Jutt MS Matt Fink MD Jessica Edler PhD Sue Babyar PhD PT � � Alvaro Pascual-Leone MD PhD Heidi Schambra MD PhD Albert Lo MD PhD � P Felipe Fregni MD PhD Carolyn Falconer-Horne MS Susan Fasoli PhD PT Adam Buchwald PhD Hermano Krebs PhD O Institute Guttman Lucy Montoro Hospital C Australia Australian Neuromuscular Research Institute Chema Tormos MD PhD � Marcel Sims MD PhD � Brazil Spain Gary Thickbroom PhD UNIRIO & UERJ Starstim Egas M. Caparelli-Dáquer MD PhD Frank Mastaglia MD G. Ruffini PhD, L Dubreuil Vall PhD � � Soumya Ghosh MD PhD Clinic Hospital USP Josep Valls-Sole MD PhD Taiza Santos Pontelli PhD PT T O N O D
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