Brugen af ​​transkraniel jævnstrømsstimulering (TDCS) til at øge den rehabiliterende effekt af syngenoprettelsesterapi

Det specifikke formål med denne undersøgelse er at forbedre genopretningen af ​​synsfunktionen efter hjerneskade. Et fremtrædende tema i den nuværende neurovidenskabelige forskning vedrørende følgerne af hjerneskade hævder, at aktivitetsafhængig plasticitet ligger til grund for neuro-recovery. Hvis det er tilfældet, er der god grund til at tro, at neurologiske forandringer, der understøtter genopretning, kan lettes ved hjælp af etablerede metoder til at øge cortical aktivitet. Undersøgelser tyder på, at ændring af kortikal excitabilitet kan prime eller forberede cortex til efterfølgende træning og desuden kan forbedre overordnede funktionelle resultater (Webster et al, 2006; Brown & Pilitsis, 2006; Khedr et al, 2005). Arbejdshypotesen for denne pilotundersøgelse er, at computerbaseret visuel rehabiliteringstræning (ved brug af NovaVisions Vision Restoration TherapyTM; "VRT"-software) forbedrer visuel funktion (defineret som en stigning i funktionelt synsfelt) ved at forstærke synaptiske forbindelser inden for sensoriske netværk af visuel cortex forbundet med synsfelttabet (Kasten et al., 1998; Sabel, 1999). Potentielt kan denne forstærkning forstærkes af samtidig transkraniel jævnstrømsstimulering (TDCS), hvilket igen fører til forbedret visuel ydeevne (kvantificeret ved omfanget af synsfelt målt ved visuel perimetri, hvilket muliggør en direkte statistisk sammenligning af synsfeltændringer over tid og på individuelt) hos patienter med delvist fuldstændigt hemianopic synsfelttab forårsaget af hjerneskade. Både computerbaseret visuel rehabiliteringstræning og TDCS er etablerede teknikker, og denne nye tilgang har til formål at give foreløbige data vedrørende sikkerheden og effektiviteten af ​​en kombineret intervention.

Vi forventer, at resultater fra denne undersøgelse vil give et objektivt grundlag for et større, formelt randomiseret kontrolleret studie, der kombinerer de to behandlingsformer. Vores langsigtede mål er at maksimere fordelene ved en moderne synsrehabiliterende terapi, lægge grunden til neurofysiologiske sammenhænge forbundet med genopretning af synsfunktion efter hjerneskade og foreslå mulige forbedringer til fremtidige neurorehabiliteringsstrategier. Data fra vores samarbejdspartnere ved Columbia University Medical Center såvel som andre indikerer, at en 6-måneders behandlingsbehandling af VRT kan føre til dramatiske forbedringer i visuel funktion (som kvantificeret ved stigninger i funktionelt synsfelt) (Kasten et al., 1998; Kasten et al., 2006). TDCS er velkendt for at medføre forbigående positive ændringer i både funktionelle såvel som elektrofysiologiske målinger af kortikal hjernefunktion. Hvis den overordnede visuelle funktion kan forbedres yderligere via en kombineret synergetisk effekt af VRT og TDCS, vil vi gennemføre en større randomiseret kontrolleret undersøgelse. Hvis der ikke er nogen forbedringseffekt med kombineret TDCS og VRT, bliver vi nødt til at genoverveje faktorerne for, hvorfor dette er tilfældet. For eksempel kan en manglende forstærkende effekt være relateret til patientvalg, herunder graden og dybden af ​​synstab før behandling, individets alder og varigheden af ​​fornærmelsen, samt deres motivationsniveau for at deltage med computeren. baseret træningsprogram. Andre overvejelser omfatter længere kombineret behandlingsvarighed.

Tabet af synsfunktion efter hjerneskade kan være meget invaliderende for en person. Typisk fører beskadigelse af den occipitale cortex eller optiske stråling efter en hjernelæsion eller traume til tab af synsfunktion i visuotopisk tilsvarende dele af synsfeltet, mens de resterende områder skånes (f. halvdelen af ​​synsfeltet som i tilfældet med hæmianopi). Denne delvise blindhed og tab af synsfunktion er generelt blevet anset for at være ubehandlet på grund af det faktum, at den meget specifikke neuronale organisation, der ligger til grund for normal synsfunktion, bestemmes tidligt i udviklingen og ikke regenerativ, især efter at den "kritiske periode" af udvikling er nået. Nyere beviser (herunder fra vores laboratorium) har vist, at en betydelig grad af plasticitet og reorganisering af det visuelle system ikke kun forekommer efter cerebral skade, men også i voksenalderen, det vil sige et godt stykke tid efter, at den kritiske udviklingsperiode er indtruffet. For eksempel er tegn på spontan post-læsion neuroplasticitet blevet påvist i det voksne visuelle system som dokumenteret ved omfattende receptiv feltreorganisering efter læsioner i nethinden eller visuelle cortex (f. Kass 1990).

Computerbaserede træningsstrategier er blevet udviklet til at træne og rehabilitere forskellige cerebrale funktioner såsom sprogindlæringsproblemer. Computerbaseret træning er også blevet grundigt undersøgt som behandling af delvis blindhed hos voksne hjerneskadede patienter (Kasten et al., 1998; Sabel og Trauzettel-Klosinksi, 2005; Sabel et al., 2005). Imidlertid er de neurofysiologiske mekanismer, der ligger til grund for den rapporterede gavnlige effekt efter VRT, stadig dårligt forstået. Et vigtigt spørgsmål er, at hvis genoprettelse af synsfelt og funktion er resultatet af lokaliserede neuroplastiske ændringer i kortikale kredsløb i visuel cortex, kan man antage, at modulering af kortikal excitabilitet igen skulle påvirke graden af ​​denne genoprettende effekt. Mere specifikt bør en forøgelse af niveauet af overordnet kortikal excitabilitet af den visuelle cortex potentiere synaptiske neuroplastiske interaktioner og dermed oversætte til forbedrede visuelle funktionelle gevinster.

Transcranial Direct Current Stimulation (TDCS) repræsenterer en ikke-invasiv metode til hjernestimulering, der potentielt kan modulere en sådan effekt. TDCS anvender jævnstrøm med lav amplitude, der påføres via hovedbundselektroder til at injicere strømme i hjernen og dermed modulere niveauet af excitabilitet. Jævnstrømsstimulering (DC) er blevet brugt i forskellige former siden begyndelsen af ​​moderne elektrofysiologi i begyndelsen af ​​det nittende århundrede. Der har for nylig været en stigning i interessen for TDCS som et værktøj til neurovidenskabelig forskning samt en vurderings- og behandlingsmodalitet for forskellige neurologiske og neuropsykiatriske lidelser, herunder depression, Parkinsonisme, slagtilfælde og kronisk neuropatisk smerte. TDCS har den klare fordel at være billig, nem at administrere, ikke-invasiv og smertefri. Vi har stor erfaring med TDCS og er i gang med parallelle undersøgelser. Vi ønsker nu at udvide disse principper til det visuelle rehabiliteringsdomæne.

VRT: Der er udviklet computerbaserede træningsstrategier til at træne og rehabilitere voksne hjerneskadede patienter med delvist synstab på grund af hjerneskade (Kasten et al., 1998; Sabel og Trauzettel-Klosinksi, 2005; Sabel et al., 2005) . Synsgendannelsesterapi (VRT) involverer identifikation og stimulering af områder i synsfeltet, som kun er delvist beskadiget af hjerneskade eller traumer. Patienter modtager et skræddersyet program designet til deres synsfeltsvigt til at bruge derhjemme dagligt. Gennem et specifikt mønster af visuelle stimuli, der måler brugerens evne til at identificere og reagere, kan brugerne gradvist udvide deres synsfelter og genoprette tabt syn. Træningen kan udføres hjemme foran en computerbaseret enhed, normalt i 30-minutters sessioner, to gange om dagen. Under træningen præsenteres hundredvis af visuelle stimulationer på monitoren til områderne med resterende syn. Det er blevet foreslået, at gentagen stimulering af beskadigede synsområder fører til neuroplastiske ændringer, der ændrer nerveaktivitet relateret til synet og styrker synaptiske interaktioner, der kan hjælpe med at genoprette nogle af en persons visuelle funktioner. Arbejde fra Sabel og kolleger rapporterede resultater fra femten patienter, der gennemgik seks og 12 måneders VRT (Kasten et al., 2006). Synsfeltsvurderinger blev udført før og efter VRT og derefter gentaget i gennemsnit 46 måneder efter at have afsluttet VRT. Efter seks måneders VRT steg prøvestimulusdetektion signifikant fra omkring 54 % til 63 %. Antallet af uopdagede stimuli faldt signifikant i begge øjne. Fortsat VRT i 12 måneder forbedrede resultaterne opnået efter seks måneder. Opfølgningsundersøgelsen efter et terapifrit interval på mere end tre år viste, at fordelene ved VRT forblev stabile, og synstab forekom ikke i de fleste tilfælde. Ifølge denne undersøgelse har patienter med synstab efter hjerneskade fordel uanset sværhedsgraden af ​​læsionen eller hvor meget af deres syn, der er påvirket. Ydermere, jo større områder med resterende syn, jo bedre er resultatet med VRT. Det er klart, at VRT har varierende resultater. I denne undersøgelse havde en tredjedel af de undersøgte patienter ringe eller ingen effekt af VRT, en tredjedel havde moderat, men mærkbar forbedring, og en tredjedel havde stærk eller dramatisk forbedring. Patienternes overensstemmelse med VRT rapporteres at være meget god.

NovaVision VRT™ er det første og eneste FDA-godkendte medicinske udstyr eller rehabiliterende terapi, der er klinisk bevist for at forbedre synsfeltsdefekter hos overlevende hjerneskade, som er blevet delvist blinde på grund af deres tilstand. I et igangværende multicenterforsøg sponsoreret af NovaVision viste over 70 % af studiedeltagerne fra 16 amerikanske centre, som gennemgik et seks-moduls (seks måneders) terapiforløb en forbedring på tre procent eller mere i stimulusdetektion ved synsfelttest . Den gennemsnitlige forbedring i stimulusdetektion var 12 procent. Tidligere undersøgelser tyder på, at personer, der genvinder tre procent eller mere af deres synsfelt, har funktionelle forbedringer, der kan omfatte forbedret livskvalitet gennem bedre læsepræstationer, se fjernsyn og dyrke sport, selvom funktionelle resultater ikke blev målt i denne undersøgelse. Disse resultater blev præsenteret på Academy of Neurology-mødet i 2007 i Boston, MA.

TDCS: Transkraniel jævnstrømsstimulering (TDCS) er blevet brugt i flere årtier. Talrige humane kliniske og dyreforsøg har vist, at denne teknik er i stand til at modulere neuronal aktivitet og funktion gennem levering af polariserende strømme påført overfladen af ​​hjernen. Overfladeanodal polarisering af cortex øger spontan neuronal aktivitet, hvorimod katodisk polarisering generelt undertrykker neuronal aktivitet (Creutzfeld et al., 1962). Nylige undersøgelser på mennesker har vist, at stimulering med TDCS ændrer motorisk excitabilitet i cortex i henhold til stimuleringspolariteten: hvorimod anodal stimulation øger cortical excitabilitet, reducerer katodisk stimulation den (Nitsche et al., 2003a og b). Desuden, og fra et klinisk terapeutisk synspunkt, synes virkningerne af TDCS at være langvarige. For eksempel har 13 minutters TDCS vist sig at modulere kortikal excitabilitet og vare op til 2 timer efter selve stimulationsperioden (Nitsche og Paulus, 2001). To nyere undersøgelser (inklusive en af ​​en co-investigator anført her) undersøgte virkningerne af TDCS på motorisk funktion hos patienter med slagtilfælde og viste, at disse modulerende virkninger af TDCS kan bruges til at forbedre motorisk funktion (Fregni et al., 2005a; Hummel et al. al., 2005a og b). Interessant nok er lignende modulerende effekter også blevet beskrevet i den visuelle cortex (Antal et al., 2001; Antal et al., 2004), hvilket fører til støtte til forestillingen om, at aktivitet inden for visuelle kortikale områder kan moduleres og igen føre til adfærdsændringer.

TDCS modulerer excitabiliteten af ​​en målrettet hjerneregion non-invasivt ved at ændre neuronale membranpotentialer (Bindman et al. 1962; Purpura & McMurtry, 1965). Denne teknik kan således bruges til at øge eller mindske excitabiliteten af ​​neuroner i et målrettet hjerneområde, og dette kan etablere en årsagssammenhæng mellem en given region af hjernen og en specifik sensorisk, motorisk eller kognitiv funktion. I modsætning til Transcranial Magnetic Stimulation (TMS), depolariserer TDCS ikke neuroner, hvilket får dem til at skyde. TDCS ændrer kun sandsynligheden for, at neuroner vil fyre ved at depolarisere eller hyperpolarisere hjernevæv (afhængigt af de anvendte stimulationsparametre). Det neurofysiologiske grundlag for TDCS er blevet tilskrevet en mekanisme beslægtet med langvarig potensering (LTP) og langtidsdepression (LTD) (Hattori et al. 1990; Moriwaki, 1991; Islam et al. 1995). Visse medikamenter såsom dextromethorphan (en NMDA-antagonist) undertrykker post-TDCS-stimuleringseffekter af både anodisk og katodisk stimulering, hvilket stærkt tyder på involvering af NMDA-receptorer i begge typer af DC-induceret neuroplasticitet. I modsætning hertil eliminerer Carbamazepin selektivt anodale virkninger. Da carbamazepin stabiliserer membranpotentialet spændingsafhængigt, afslører resultaterne, at eftervirkninger af anodal TDCS kræver en depolarisering af membranpotentialer (Liebetanz et al., 2002). Denne undersøgelse af Liebetanz et al., (2002) gav farmakologisk dokumentation for, at induktion af eftervirkningerne af TDCS kræver en kombination af glutamaterge (excitatoriske) og membranmekanismer, svarende til induktion af etablerede typer af kort- eller langsigtet neuroplasticitet .

Hos dyr har anodal kortikal stimulering på 5-30 minutter vist sig at forårsage excitabilitetsforøgelser, der varer i timer efter stimulationen, primært gennem modulering af hvilemembranpotentialet (Terzuolo & Bullock, 1956; Creutzfeldt et al. 1962; Eccles et al. 1962; Bindman et al. 1964; Purpura & McMurtry, 1965; Artola et al. 1990; Malenka & Nicoll, 1999). Hos mennesker resulterede 13 minutter af TDCS i en stigning i excitabilitet op til 150 % og varede 90 minutter (Nitsche & Paulus, 2001). Forskning med TDCS har afsløret, at anodal stimulation kan inducere forbigående (i størrelsesordenen 30 minutter) forbedringer i ydeevne på kognitive, motoriske og sproglige opgaver. For eksempel har Hummel et al. (2005a,b) fandt, at anodal TDCS leveret til det primære motoriske område i læsionshalvdelen fremkaldte signifikante forbedringer i motorisk kontrol af det paretiske lem. Effekten varede i mere end 25 minutter efter stimulering. I en nylig undersøgelse bekræftede Fregni et al (2005a) også, at anodal TDCS til den berørte halvkugle og katodisk TDCS til den kontralæsionelle hemisfære forbedrede motorisk funktion. Andre eksempler, der fremhæver effektiviteten af ​​anodal TDCS, omfatter Fregni et al. (2005b) - anodal TDCS til dorsolateral præfrontal cortex fremkaldte en forbedring af arbejdshukommelsen; Nitsche et al. (2003a) - stimulering af primær motorisk cortex forbedret motorisk indlæring; Antal et al. (2004) - TDCS leveret til det primære motoriske område eller til det visuelle område V5 inducerede forbedringer i visuo-motorisk koordination; Kincses et al. (2004) - anodal stimulering af fronto-polære områder forbedret sandsynlighedsklassifikationsindlæring; og Lyer et al. (2005) - venstre præfrontal kortikal stimulation førte til øget verbal flydende evne. Disse undersøgelser vidner om effektiviteten og sikkerheden af ​​TDCS hos hjerneskadepatienter, såvel som dets potentiale for terapeutiske anvendelser i genopretning af hjernelæsioner.

Sammenfattende foreslår vi at udføre et piloteksperiment, der tester, om synsfunktion indlagte patienter med hemianopisk felttab forårsaget af hjerneskade kan forbedres ved at kombinere transkraniel direkte stimulation og computerbaseret synstræning. Vi antager, at computerbaseret synstræning vil forstærke visuelle kortikale netværk primet af samtidig transkraniel jævnstrømsstimulering (TDCS) og føre til forbedret visuel ydeevne. BIDMC-efterforskerne vil være ansvarlige for TDCS-applikation og VRT samt tilhørende databehandling/fortolkning.