Udforskning af mekanismer og dosimetri i TES Magnetic Resonance Current Mapping Methods (TES)

Transkraniel elektrisk stimulation (tES) teknikker såsom transkraniel DC-stimulering (tDCS) og transkraniel AC-stimulering (tACS) er blevet indikeret for tilstande så forskellige som slagtilfælderehabilitering, epilepsi og til forbedringer af hukommelsesopgaver. Tusindvis af tES-undersøgelser er blevet offentliggjort siden 20001. I typiske tDCS-procedurer er et par store elektroder (f.eks. 25 cm2) fastgjort til hovedbunden, og en konstant strøm på 1-2 mA passerer mellem dem i perioder på 10-30 min. I tACS er den konstante strømintensitet ens, men en vekslende sinusformet bølgeform anvendes normalt. Variationer på disse teknikker findes. For eksempel i oscillerende tDCS kombineres en temporalt oscillerende strøm med en DC offset-strøm. Ved transkraniel tilfældig støjstimulering (tRNS) anvendes tidsmæssigt tilfældige strømme med en fast maksimal intensitet. Disse transkranielle elektriske neuromodulationsstrategier er blevet indikeret til en bred vifte af tilstande, herunder slagtilfælderehabilitering, behandling af epilepsi og for at forbedre kognitiv, motorisk og sproglig og hukommelsespræstation hos raske forsøgspersoner. Detaljer om de underliggende mekanismer for både tDCS og tACS forbliver uklare. Det er blevet antaget, at virkningerne af tDCS er størst i hjernestrukturer nærmest stimulerende elektroder, og at disse strukturer oplever de største elektriske felter eller strømflow. I tDCS påført ved 1 mA strømintensiteter har det vist sig, at excitatoriske effekter stort set korrelerer med placering af mere positive elektroder over en målrettet struktur, og hæmmende effekter observeres i strukturer under katoder. Det er blevet antaget, at dette skyldes, at eksternt påført felt enten depolariserer eller hyperpolariserer hvilemembranspændinger i målvævet, hvilket fører til henholdsvis øget excitabilitet eller hæmning. Dette tyder på, at øget excitabilitet eller hæmning ville resultere, når strømintensiteten øges. Der er dog også tegn på, at der ved 2 mA intensitet observeres øget excitabilitet, uanset polaritet. De observerede effekter kan også afhænge af den samlede stimulationstid.

I tACS har det vist sig, at ved lave frekvenser (op til 80 Hz) kan tACS excitationsfrekvenser medtvinge neurale netværk med excitatoriske eller hæmmende virkninger, der afhænger af den valgte frekvens, strømintensiteten og fasen af ​​den aktuelle anvendelse i forhold til underliggende EEG-rytmer .

Intersubjektvariabilitet er blevet rapporteret i både tDCS og tACS, og undersøgelsesreproducerbarhed har været problematisk. Bortset fra faktorer relateret til emnets begyndelsestilstand, individuel neuroanatomi og forskelle i cerebrospinalvæskevolumen, er det også blevet foreslået, at væsentlige bidrag til variabiliteten mellem individuelle sessioner af en undersøgelse eller kan være uoverensstemmelser i elektrodeanvendelsesprotokollen. Især kan overforbrug af saltvandskontaktmedium resultere i, at det effektive elektrodeareal øges ud over elektrodefladen, og hvis fastgørelsesremmene er tyndere end elektroderne, kan kontaktarealet reduceres. Elektroder kan også bevæge sig under sessioner, eller være placeret inkonsekvent på forskellige emner. Mellem steder kan reproducerbarheden blive forringet, fordi elektrodeformer, typer og placeringer ikke er konsistente.

Viden om den nøjagtige fordeling, der dannes i hjernen af ​​de eksternt påførte strømme, ville tydeliggøre mange undersøgelsesresultater og vigtigst af alt tillade mere præcise udforskninger af mekanismer. Ydermere kunne virkningerne af forskellige aktuelle anvendelsesprotokoller, elektrodedesign og undersøgelsesprocedurer let løses. En metode til at måle strømfordelinger dannet af tDCS eller tACS ville således besvare mange spørgsmål i dette aktive felt.

I mangel af metoder til let måling eller billeddannelse af strømfordelinger, er beregningsmodeller blevet brugt i vid udstrækning til at forudsige strømningsmønstre. Der findes en stor litteratur, der anvender beregningsmodeller til at udforske effekter af forskellige montager, elektrodeområder og geometrier på spændingsfordelinger, elektriske felter eller strømflow. Stadig mere sofistikerede tilgange er blevet udtænkt til at modellere hovedet udsat for tDCS-stimulering. Efterhånden som feltet er vokset, er hovedmodellens kompleksitet steget fra sfærisk ensartet, sfærisk fire-rums realistisk geometri til højopløselige anisotrope modeller af det menneskelige hoved, der er udsat for elektrisk stimulering. Denne sidste kategori har involveret sammenlægning af kildebilleder baseret på MR-billeder med diffusionsvægtede billeder af emnet for at forudsige hvidt stofs konduktivitetstensorer. En tilgang til dette bruger vandtranslationsdiffusionstensor-egenvektorer til at bestemme retningen af ​​ledningsevnetensoren (forudsat at de er co-aligned) i kombination med litteraturværdier for hvidt stofs ledningsevne. En anden tilgang involverer direkte skalering af hvidstofdiffusionstensoren til konduktivitetsværdier. De fleste andre modelvævsledningsevner er valgt fra værdier målt på bulkvæv i litteraturen. Til dato har ingen validering af disse modeller været mulig hos mennesker.

Der er gjort nogle bestræbelser på at måle nuværende fordelinger, der er resultatet af tDCS. I et nyligt papir, Opitz et al. målte elektriske feltfordelinger forårsaget af transkraniel stimulation via elektroder placeret i en bilateral montage (venstre og højre tindinger) ved hjælp af elektrodearrays placeret nær den kortikale overflade på patienter, der overvåges for at identificere epilepsianfaldsfoci. tACS blev påført ved 1-15 Hz med en intensitet på 1 mA, og maksimale elektriske feltstyrker på 0,36 og 0,16 mV/mm blev identificeret. En let frekvensafhængig stigning i ledningsevnen (ca. 10%) blev observeret, og lille kapacitiv effekt. Igen vil disse feltstyrker normalt ikke være tilstrækkelige til at forårsage direkte vævsstimulering og understøtter teorier om, at små depolariseringer kan være ansvarlige for tDCS-effekter.

Forskere, der søger at forstå tES-mekanismer, har iværksat fMRI-undersøgelser for at undersøge sammenhængen mellem terapeutisk nuværende administration og hjerneaktivitet, som det fremgår af ændringer i BOLD-kontrasten18-20. I løbet af denne forskning er det blevet bemærket, at den nuværende administration skaber artefakter på MR-billeder. I et andet papir blev fMRI-analysemetoder brugt til at finde voxel-klynger, der korrelerer med aktuelle flowfunktioner22. Til dato har der dog ikke været forsøg på ikke-invasivt at afbilde tDCS- eller tACS-strømtæthedsfordelinger i mennesker direkte.

Teknikken til Current Density Imaging (CDI) som foreslået af Scott et al. (1991) er en metode til at oversætte fasedelen af ​​magnetiske resonansbilleder til individuelle magnetiske fluxtæthedsvektorkomponenter forårsaget af en eksternt påført strøm. Disse målinger kan derefter bruges til at beregne strømtæthedsfordelinger ved hjælp af Amperes lov. Den grundlæggende CDI-teknik kræver, at den eksterne strøm injiceres i forsøgspersoner i samspil med en sekvens af RF-impulser og gradientfelter, der bruges til at skabe MR-billeder. Teknikken blev demonstreret i fantomer og brugt til at afbilde strømmen i en kaninhjerne. Desværre er det umuligt for mennesker på grund af behovet for at rotere motivet to gange inde i scannerboringen for at opnå alle tre komponenter i den magnetiske fluxtæthed.

MR Electrical Impedance Tomography (MREIT) er blevet udviklet i løbet af det sidste årti som en metode til billeddannelse af strømtæthed og ledningsevnefordelinger i den menneskelige krop. Som i CDI kræver MREIT, at der påføres strøm til et emne i forbindelse med en bestemt MR-sekvens. Imidlertid gør MREIT-metoder det muligt at rekonstruere ledningsevne, elektrisk felt og strømtæthedsfordelinger i forsøgspersoner ved kun at bruge én komponent (Bz) af magnetiske fluxtæthedsvektorer. En nyligt udviklet MREIT-metode, DT-MREIT, kan bruges til at rekonstruere fulde anisotropiske ledningsevner og strømtæthedsfordelinger ved hjælp af MREIT- og DTI-data indsamlet fra samme emne, og er for nylig blevet demonstreret i hunde.

I dette arbejde vil efterforskerne bruge MREIT-metoder til at producere:

A. Kvantitative fysiske mål, der demonstrerer tES-reproducerbarhed, udforsker virkningerne af strømintensitet, køn og neuroanatomiske forskelle på målte strømfordelinger.

B. Sammenligninger af faktiske strømtæthedsfordelinger udviklet i en målstruktur (DLPFC) med fMRI-mål for aktivitet.

Disse undersøgelser vil give de første test af de antagelser, der

• virkningerne af tDCS-stimulering er størst i den målrettede region
• at det største felt- og strømflow findes i den målrettede region. Disse undersøgelser har derfor potentialet til at revolutionere forståelsen af ​​tES-mekanismer og praksis.

Dette arbejde har tre mål, et fokuseret på tekniske forbedringer i vores nuværende MREIT-optagelsesprocedurer, et andet målrettet mod kvantificering af replikerbarhed, måling af strømflowfordelinger ved forskellige strømintensiteter og endelig på at vurdere korrelationer mellem elektriske felter og strømtæthedsfordelinger med hjerneaktivitetsmål ved hjælp af fMRI.

Specifikt mål 1 (SA1) MREIT pulssekvensacceleration og forbedringer.

Specifikt mål 2 (SA2) Replikerbarhed og konsistens i tDCS/tACS-protokoller Strømtæthedsfordelinger vil blive afbildet hos normale frivillige ved hjælp af en F3-F4-montage med tre forskellige strømintensiteter, og målingen gentages med intervaller på mindst en uge. Hver gang vil montagen blive genanvendt, og emner genbilledes. Både intra- og inter-individuelle variationer i målte strøm- og elektriske feltfordelinger vil blive bestemt.

Specifikt mål 3 (SA3) Korrelation af funktionelle mål med målte elektriske fordelingsmål Deltageres præstation på en 2-back/0-back memory-opgave vil blive sammenlignet i både Sham og Aktive forsøgspersoner, ved hjælp af enten 1, 1,5 eller 2 mA intensitetsstimulering.