Direkte kortikal måling af intensiteten og mønsteret af strømflow produceret af TDCS

Non-invasiv hjernestimulering (NBS) repræsenterer et lovende sæt værktøjer til neuroterapeutika og rehabilitering. I en litteratursøgning er NBS blevet testet for over halvfjerds neurologiske og psykiatriske tilstande. NBS kan supplere eksisterende medicinske behandlinger, især til neurologiske indikationer uden egnede farmakoterapier (f. tinnitus, dyskinesier) eller til patienter med farmako-resistent sygdom (f.eks. uhåndterlig epilepsi, svær depression).

Især transkraniel jævnstrømsstimulering (tDCS) modulerer hjerneaktivitet ved at levere lav intensitet ensrettet strøm gennem hovedbunden. I stedet for at inducere aktionspotentialer, modulerer tDCS hvilende neuronalt transmembranpotentiale for at påvirke hjernens plasticitet. Ud fra et pragmatisk perspektiv inkluderer tDCS' fordele desuden dens lave omkostninger, portabilitet og brugervenlighed. Ydermere kan tDCS nemt kombineres med andre interventioner såsom mentale billeder, computeriserede kognitive interventioner eller robotassisteret motorisk aktivitet.

Den nuværende fysiologiske forståelse af, hvordan TDCS påvirker hjernens plasticitet på synaptisk, cellulært og netværksniveau er begrænset. Eksperimentelt øges den spontane neuronale affyringsaktivitet under anoden generelt, mens affyringsaktiviteten under katoden falder, selvom de præcise effekter sandsynligvis afhænger af axonernes orientering til det elektriske felt (Nitsche og Paulus, 2000, Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al., 1962, Purpura og McMurtry, 1965). De neuromodulatoriske virkninger af tDCS er også bredt tilskrevet LTP- og LTD-lignende mekanismer af synaptisk plasticitet, der involverer modulering af NMDA-receptoraktivitet og natrium- og calciumkanalaktivitet (Hattori et al., 1990, Islam et al., 1995) , Liebetanz et al., 2002). Desuden har funktionelle neuroimaging undersøgelser afsløret både lokale og fjerne netværkseffekter induceret af tDCS, sandsynligvis medieret af interneuronale kredsløb (Lefaucheur, 2008).

Det er nødvendigt at fremme efterforskernes mekanistiske forståelse af, hvordan tDCS påvirker kortikal excitabilitet på et lokalt og distribueret niveau for at (1) tilpasse stimuleringsparametre (f.eks. elektrodestørrelse, positionering, strømintensitet og varighed) for præcist at målrette hjerneregioner og maksimere terapeutiske resultater, (2) bekræfte sikkerhedsresultater for sårbare patientpopulationer (f.eks. børn, patienter med kraniedefekter og implanteret hardware). Tidligere er patienter med en hovedbund eller kraniedefekt blevet udelukket fra stimuleringsprotokoller (Bikson, 2012) på grund af en teoretisk risiko for strømshunting gennem stærkt ledende CSF-samlinger. Patienter med penetrerende hjerneskade, slagtilfælde eller tidligere hjerneoperationer er dog netop dem, der kan have størst gavn af disse teknologier.

Beregningsmodeller, der anvender finite element-metoder (FEM) har til formål at bestemme mønsteret og intensiteten af ​​strømstrømmen gennem hjernen ved at inkorporere både (1) stimulationsparametre og (2) patientkarakteristika såsom underliggende anatomi og vævsegenskaber (f. størrelse og position af kraniedefekt i forhold til elektrodekonfiguration) (Bikson 2012). For eksempel forudsiger én beregningsmodel, der inkorporerer elektrodekonfiguration og kranedefektstørrelse og egenskaber (Datta et al., 2010), at størstedelen af ​​elektrodekonfigurationer omkring kranedefekten (med undtagelse af stimulering direkte oven på en lille kraniedefekt) vil ikke signifikant øge den maksimale kortikale elektriske feltintensitet. Snarere ledes strømmen til kanterne af knogledefekten, hvilket kan være kontraproduktivt i forhold til terapeutiske mål. Et andet beregningsmæssigt casestudie på en apopleksipatient viste, at en relativt ledende slagtilfælde koncentrerede strøm i de perilesionelle områder, og at placeringen af ​​referenceelektroden (f.eks. højre bør, højre mastoid, højre orbitofrontal og kontralateral hemisfære) væsentligt ændrede banen for størst strømflow (Datta et al., 2011).

Alligevel er disse modelleringsforudsigelser begrænset i deres kliniske anvendelse, da eksperimentel validering er nødvendig. Kvantitativ bestemmelse af det elektriske felt på nervevævsniveau er påkrævet for at fastslå effektivitet og sikkerhed for et givet individ (Bikson 2012). Så vidt efterforskernes viden er, er der ingen publicerede undersøgelser, der empirisk har bekræftet de forudsagte mønstre og aktuelle strømningsintensiteter forudsagt af disse modeller. Denne foreslåede eksperimentelle undersøgelse repræsenterer den første af slagsen til at kvantificere spændingsintensiteter, målt på hjernens overflade, som reaktion på forskellige stimuleringsparametre, og vil repræsentere et betydeligt fremskridt inden for ikke-invasiv neurostimulation