Přímé kortikální měření intenzity a vzoru toku proudu produkovaného TDCS

Neinvazivní mozková stimulace (NBS) představuje perspektivní soubor nástrojů pro neuroterapeutiku a rehabilitaci. V literatuře byla NBS testována na více než sedmdesát neurologických a psychiatrických stavů. NBS může doplňovat stávající léčebné postupy, zejména u neurologických indikací bez vhodných farmakoterapií (např. tinnitus, dyskineze) nebo pro pacienty s farmakorezistentním onemocněním (např. nezvladatelná epilepsie, těžká deprese).

Zejména transkraniální stimulace stejnosměrným proudem (tDCS) moduluje mozkovou aktivitu dodáváním jednosměrného proudu nízké intenzity přes pokožku hlavy. Spíše než indukovat akční potenciály tDCS moduluje klidový neuronální transmembránový potenciál k ovlivnění plasticity mozku. Navíc, z pragmatického hlediska, výhody tDCS zahrnují jeho nízkou cenu, přenositelnost a snadné použití. Kromě toho lze tDCS snadno kombinovat s dalšími intervencemi, jako je mentální zobrazování, počítačové kognitivní intervence nebo motorická aktivita asistovaná robotem.

Současné fyziologické chápání toho, jak TDCS ovlivňuje plasticitu mozku na synaptické, buněčné a síťové úrovni, je omezené. Experimentálně se aktivita spontánních neuronů pod anodou obecně zvyšuje, zatímco aktivita výstřelů pod katodou se snižuje, ačkoli přesné účinky pravděpodobně závisí na orientaci axonů k elektrickému poli (Nitsche a Paulus, 2000, Bindman et al., 1964, Creutzfeldt a kol., 1962, Purpura a McMurtry, 1965). Neuromodulační účinky tDCS byly také široce připisovány mechanismům synaptické plasticity podobným LTP a LTD, včetně modulace aktivity NMDA-receptorů a aktivity sodíkových a vápníkových kanálů (Hattori a kol., 1990, Islam a kol., 1995 Liebetanz a kol., 2002). Kromě toho funkční neurozobrazovací studie odhalily lokální i vzdálené síťové efekty vyvolané tDCS, pravděpodobně zprostředkované interneuronálními okruhy (Lefaucheur, 2008).

Posouvání mechanistického chápání toho, jak tDCS ovlivňuje kortikální excitabilitu na místní a distribuované úrovni, je nezbytné pro (1) přizpůsobení parametrů stimulace (např. velikost elektrody, umístění, intenzita proudu a trvání) přesně zacílit oblasti mozku a maximalizovat terapeutické výsledky, (2) potvrdit bezpečnostní výsledky pro zranitelné skupiny pacientů (např. děti, pacienti s defekty lebky a implantovaným hardwarem). Dříve byli pacienti s defektem pokožky hlavy nebo lebky vyloučeni ze stimulačních (Bikson, 2012) protokolů kvůli teoretickému riziku současného zkratu prostřednictvím vysoce vodivých odběrů CSF. Nicméně pacienti s penetrujícím poraněním mozku, mrtvicí nebo předchozí operací mozku jsou přesně těmi, kteří mohou mít z těchto technologií největší prospěch.

Výpočtové modely využívající metody konečných prvků (FEM) mají za cíl určit vzor a intenzitu toku proudu mozkem začleněním jak (1) stimulačních parametrů, tak (2) charakteristik pacienta, jako jsou základní anatomie a vlastnosti tkáně (např. velikost a poloha defektu lebky vzhledem ke konfiguraci elektrody) (Bikson 2012). Například jeden výpočtový model zahrnující konfiguraci elektrod a velikost a vlastnosti defektu lebky (Datta et al., 2010) předpovídá, že většina konfigurací elektrod obklopujících defekt lebky (s výjimkou stimulace přímo na vrcholu malého defektu lebky) bude významně nezvyšuje špičkovou intenzitu kortikálního elektrického pole. Proud směřuje spíše k okrajům kostního defektu, což může být kontraproduktivní pro terapeutické cíle. Další výpočetní případová studie u pacienta s mrtvicí prokázala, že relativně vodivá léze mrtvice soustředila proud do perilezionálních oblastí a že umístění referenční elektrody (např. pravá by měla, pravá mastoidea, pravá orbitofrontální a kontralaterální hemisféra) významně změnily cestu největšího toku proudu (Datta et al., 2011).

Tyto předpovědi modelování jsou však ve své klinické aplikaci omezené, protože je nezbytné experimentální ověření. Kvantitativní stanovení elektrického pole na úrovni nervové tkáně je nutné pro stanovení účinnosti a bezpečnosti pro daného jedince (Bikson 2012). Pokud je vědcům známo, neexistují žádné publikované studie, které by empiricky potvrdily předpokládané vzorce a intenzity proudění předpovídané těmito modely. Tato navrhovaná experimentální studie představuje první svého druhu pro kvantifikaci intenzit napětí měřených na povrchu mozku v reakci na různé stimulační parametry a bude představovat významný pokrok v oblasti neinvazivní neurostimulace.