Průzkum mechanismu a dozimetrie v metodách mapování proudu magnetické rezonance TES (TES)

Techniky transkraniální elektrické stimulace (tES), jako je transkraniální DC stimulace (tDCS) a transkraniální AC stimulace (tACS), byly indikovány u stavů tak různorodých, jako je rehabilitace po mrtvici, epilepsie a pro zlepšení paměťových úkolů. Od roku 20001 byly publikovány tisíce studií tES. V typických postupech tDCS je pár velkých elektrod (např. 25 cm2) připojen k pokožce hlavy a mezi nimi prochází konstantní proud 1-2 mA po dobu 10-30 minut. V tACS je intenzita konstantního proudu podobná, ale obvykle se používá střídavý sinusový průběh. Existují variace těchto technik. Například v oscilačním tDCS je dočasně oscilující proud kombinován s DC offsetovým proudem. Při transkraniální stimulaci náhodným šumem (tRNS) se uplatňují časově náhodné proudy s pevnou maximální intenzitou. Tyto transkraniální elektrické neuromodulační strategie byly indikovány pro širokou škálu stavů, včetně rehabilitace po cévní mozkové příhodě, léčby epilepsie a pro zlepšení kognitivní, motorické a jazykové a paměťové výkonnosti u zdravých subjektů. Podrobnosti o základních mechanismech jak tDCS, tak tACS zůstávají nejasné. Předpokládalo se, že účinky tDCS jsou největší v mozkových strukturách nejbližších stimulačním elektrodám a že tyto struktury zažívají největší elektrická pole nebo tok proudu. V tDCS aplikovaném při intenzitách proudu 1 mA bylo zjištěno, že excitační efekty široce korelují s umístěním kladnějších elektrod přes cílenou strukturu a inhibiční efekty jsou pozorovány ve strukturách pod katodami. Předpokládá se, že je tomu tak proto, že externě aplikované pole buď depolarizuje nebo hyperpolarizuje klidová membránová napětí v cílové tkáni, což vede ke zvýšené excitabilitě, respektive inhibici. To naznačuje, že zvýšená excitabilita nebo inhibice by vedla ke zvýšení intenzity proudu. Existují však také důkazy, že při intenzitě 2 mA je pozorována zvýšená excitabilita bez ohledu na polaritu. Pozorované účinky mohou také záviset na celkové době stimulace.

V tACS bylo zjištěno, že při nízkých frekvencích (až 80 Hz) mohou excitační frekvence tACS strhávat neuronové sítě s excitačními nebo inhibičními účinky, které závisí na zvolené frekvenci, intenzitě proudu a fázi aplikace proudu vzhledem k základním EEG rytmům. .

U tDCS i tACS byla hlášena mezisubjektová variabilita a reprodukovatelnost studie byla problematická. Kromě faktorů souvisejících s výchozím stavem subjektu, individuální neuroanatomií a rozdíly v objemu mozkomíšního moku se také předpokládá, že hlavní příspěvky k variabilitě mezi jednotlivými sezeními studie mohou být nekonzistence v protokolu aplikace elektrod. Zejména nadměrné používání fyziologického kontaktního média může vést k tomu, že se účinná plocha elektrody zvětší za čelo elektrody, a pokud jsou upevňovací pásky tenčí než elektrody, kontaktní plocha se může zmenšit. Elektrody se také mohou během sezení pohybovat nebo být umístěny nekonzistentně na různé předměty. Mezi jednotlivými místy může být snížena reprodukovatelnost, protože tvary, typy a umístění elektrod nejsou konzistentní.

Znalost přesné distribuce tvořené v mozku externě aplikovanými proudy by objasnila mnohé výsledky studie a především umožnila přesnější zkoumání mechanismu. Dále by mohly být snadno vyřešeny účinky různých aplikačních protokolů proudu, návrhů elektrod a studijních postupů. Metoda pro měření rozložení proudu tvořená tDCS nebo tACS by tedy odpověděla na mnoho otázek v této aktivní oblasti.

V nepřítomnosti metod pro snadné měření nebo zobrazování rozložení proudů se k predikci vzorců proudění široce používají výpočetní modely. Existuje rozsáhlá literatura využívající výpočtové modely ke zkoumání účinků různých montáží, oblastí elektrod a geometrií na rozložení napětí, elektrická pole nebo tok proudu. K modelování hlavy vystavené stimulaci tDCS byly navrženy stále sofistikovanější přístupy. Jak pole rostlo, složitost modelu hlavy se zvýšila ze sférické jednotné, sférické čtyřkomorové, realistické geometrie na anizotropní modely lidské hlavy vystavené elektrické stimulaci s vysokým rozlišením. Tato poslední kategorie zahrnovala slučování zdrojových snímků založených na MR snímcích s difuzně váženými snímky subjektu za účelem predikce tenzorů vodivosti bílé hmoty. Jeden přístup k tomu používá vlastní vektory tenzoru translační difúze vody k určení směru tenzoru vodivosti (za předpokladu, že jsou společně zarovnány) v kombinaci s hodnotami vodivosti bílé hmoty z literatury. Další přístup zahrnuje přímé škálování tenzoru difúze bílé hmoty na hodnoty vodivosti. Většina ostatních modelových tkáňových vodivostí je vybrána z hodnot naměřených na objemových tkáních v literatuře. Dosud však nebylo možné ověřit tyto modely u lidských subjektů.

Bylo vynaloženo určité úsilí k měření proudových distribucí vyplývajících z tDCS. V nedávném článku Opitz et al. měřila distribuce elektrického pole způsobená transkraniální stimulací prostřednictvím elektrod umístěných v bilaterální montáži (levý a pravý spánek) pomocí elektrodových polí umístěných blízko kortikálního povrchu pacientů, kteří byli monitorováni, za účelem identifikace ložisek epileptických záchvatů. tACS byl aplikován při 1-15 Hz s intenzitou 1 mA a byly identifikovány maximální intenzity elektrického pole 0,36 a 0,16 mV/mm. Mírné zvýšení vodivosti závislé na frekvenci (cca. 10 %) a malý kapacitní efekt. Opět platí, že tyto intenzity pole by normálně nebyly dostatečné k tomu, aby způsobily přímou stimulaci tkáně, a podporují teorie, že mírné depolarizace mohou být zodpovědné za účinky tDCS.

Výzkumníci, kteří se snaží porozumět mechanismům tES, zahájili studie fMRI, aby prozkoumali korelaci mezi podáváním terapeutického proudu a mozkovou aktivitou, jak dokazují změny v BOLD kontrastu18-20. V průběhu tohoto výzkumu bylo zjištěno, že současná administrativa vytváří artefakty na snímcích MR. V jiném článku byly použity metody analýzy fMRI k nalezení voxelových shluků korelujících s charakteristikami proudění22. Dosud však nebyly provedeny žádné pokusy neinvazivně zobrazit distribuci hustoty proudu tDCS nebo tACS u lidí přímo.

Technika Current Density Imaging (CDI) navržená Scottem et al. (1991) je metoda pro převod fázové části obrazů magnetické rezonance na jednotlivé složky vektoru hustoty magnetického toku způsobené externě aplikovaným tokem proudu. Tato měření pak mohou být použita k výpočtu rozložení proudové hustoty pomocí Ampérova zákona. Základní technika CDI vyžaduje, aby byl externí proud vstřikován do subjektů ve shodě se sekvencí RF pulzů a gradientních polí používaných k vytvoření MR snímků. Technika byla demonstrována na fantomech a použita k zobrazení toku proudu v mozku králíka. Bohužel je to u lidí neproveditelné, protože je potřeba dvakrát otočit objekt uvnitř otvoru skeneru, aby se získaly všechny tři složky hustoty magnetického toku.

MR elektrická impedanční tomografie (MREIT) byla vyvinuta v posledním desetiletí jako metoda pro zobrazování hustoty proudu a distribuce vodivosti v lidském těle. Stejně jako v CDI, MREIT vyžaduje, aby byl na subjekt aplikován proud ve spojení s konkrétní sekvencí MR. Metody MREIT však umožňují rekonstruovat rozvody vodivosti, elektrického pole a proudové hustoty u subjektů pomocí pouze jedné složky (Bz) vektorů hustoty magnetického toku. Nedávno vyvinutá metoda MREIT, DT-MREIT, může být použita k rekonstrukci plné anizotropní vodivosti a distribuce proudových hustot pomocí dat MREIT a DTI shromážděných od stejného subjektu a nedávno byla prokázána u psů.

V této práci budou vyšetřovatelé používat metody MREIT k produkci:

A. Kvantitativní fyzikální měření prokazující reprodukovatelnost tES, zkoumání účinků intenzity proudu, pohlaví a neuroanatomických rozdílů na měřené distribuce proudu.

B. Srovnání aktuálních distribucí proudových hustot vyvinutých v cílové struktuře (DLPFC) s měřením aktivity fMRI.

Tyto studie poskytnou první testy předpokladů, že

• účinky stimulace tDCS jsou největší v cílové oblasti
• že největší pole a tok proudu se nachází v cílové oblasti. Tyto studie proto mají potenciál způsobit revoluci v chápání mechanismů a praxe tES.

Tato práce má tři cíle, jeden se zaměřuje na technická vylepšení našich současných akvizičních postupů MREIT, další se zaměřuje na kvantifikaci replikovatelnosti, měření distribuce proudového toku při různých intenzitách proudu a konečně na posouzení korelací distribuce elektrického pole a hustoty proudu s měřením mozkové aktivity. pomocí fMRI.

Specifický cíl 1 (SA1) MREIT Zrychlení a vylepšení pulzní sekvence.

Specifický cíl 2 (SA2) Replikovatelnost a konzistence v protokolech tDCS/tACS Distribuce hustoty proudu budou zobrazeny u normálních dobrovolníků pomocí sestřihu F3-F4 se třemi různými intenzitami proudu a měření opakovat v intervalech alespoň jednoho týdne. Pokaždé se montáž znovu použije a subjekty se znovu zobrazí. Budou stanoveny jak vnitro-, tak mezioborové variace v distribucích měřeného proudu a elektrického pole.

Specifický cíl 3 (SA3) Korelace funkčních měření s naměřenými měřeními elektrické distribuce Výkon účastníků na paměťové úloze 2-back/0-back bude porovnán u simulovaných i aktivních subjektů pomocí stimulace intenzity 1, 1,5 nebo 2 mA.