Direkte kortikale Messung der Intensität und des Musters des durch TDCS erzeugten Stromflusses

Die nichtinvasive Hirnstimulation (NBS) stellt ein vielversprechendes Instrumentarium für Neurotherapie und Rehabilitation dar. In einer Literaturrecherche wurde NBS für über siebzig neurologische und psychiatrische Erkrankungen getestet. NBS kann bestehende medizinische Behandlungen ergänzen, insbesondere bei neurologischen Indikationen ohne geeignete Pharmakotherapien (z. B. Tinnitus, Dyskinesien) oder für Patienten mit pharmakoresistenten Erkrankungen (z. B. hartnäckige Epilepsie, schwere Depression).

Insbesondere moduliert die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) die Gehirnaktivität, indem sie einen unidirektionalen Strom geringer Intensität durch die Kopfhaut abgibt. Anstatt Aktionspotentiale zu induzieren, moduliert tDCS das ruhende neuronale Transmembranpotential, um die Plastizität des Gehirns zu beeinflussen. Darüber hinaus gehören aus pragmatischer Sicht zu den Vorteilen von tDCS die geringen Kosten, die Portabilität und die Benutzerfreundlichkeit. Darüber hinaus kann tDCS problemlos mit anderen Interventionen wie mentalen Vorstellungen, computergestützten kognitiven Interventionen oder robotergestützter motorischer Aktivität kombiniert werden.

Das derzeitige physiologische Verständnis darüber, wie TDCS die Plastizität des Gehirns auf synaptischer, zellulärer und Netzwerkebene beeinflusst, ist begrenzt. Experimentell nimmt die spontane neuronale Feueraktivität unter der Anode im Allgemeinen zu, während die Feueraktivität unter der Kathode abnimmt, obwohl die genauen Auswirkungen wahrscheinlich von der Ausrichtung der Axone zum elektrischen Feld abhängen (Nitsche und Paulus, 2000, Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al., 1962, Purpura und McMurtry, 1965). Die neuromodulatorischen Wirkungen von tDCS wurden im Großen und Ganzen auch LTP- und LTD-ähnlichen Mechanismen der synaptischen Plastizität zugeschrieben, die die Modulation der NMDA-Rezeptoraktivität sowie der Natrium- und Kalziumkanalaktivität umfassen (Hattori et al., 1990, Islam et al., 1995). , Liebetanz et al., 2002). Darüber hinaus haben funktionelle Neuroimaging-Studien sowohl lokale als auch entfernte Netzwerkeffekte gezeigt, die durch tDCS hervorgerufen werden und wahrscheinlich durch interneuronale Schaltkreise vermittelt werden (Lefaucheur, 2008).

Es ist notwendig, das mechanistische Verständnis der Forscher darüber, wie tDCS die kortikale Erregbarkeit auf lokaler und verteilter Ebene beeinflusst, voranzutreiben, um (1) Stimulationsparameter anzupassen (z. B. Elektrodengröße, Positionierung, Stromstärke und -dauer), um Gehirnregionen präzise anzusprechen und therapeutische Ergebnisse zu maximieren, (2) Sicherheitsergebnisse für gefährdete Patientengruppen zu bestätigen (z. B. Kinder, Patienten mit Schädeldefekten und implantierter Hardware). Bisher wurden Patienten mit einem Defekt der Kopfhaut oder des Schädels von Stimulationsprotokollen ausgeschlossen (Bikson, 2012), da theoretisch das Risiko einer Stromumleitung durch hochleitende Liquorsammlungen bestand. Allerdings sind gerade Patienten mit einer penetrierenden Hirnverletzung, einem Schlaganfall oder einer früheren Gehirnoperation diejenigen, die am meisten von diesen Technologien profitieren können.

Computermodelle mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) zielen darauf ab, das Muster und die Intensität des Stromflusses durch das Gehirn zu bestimmen, indem sie sowohl (1) Stimulationsparameter als auch (2) Patienteneigenschaften wie die zugrunde liegende Anatomie und Gewebeeigenschaften (z. B. Größe und Position des Schädeldefekts im Verhältnis zur Elektrodenkonfiguration) (Bikson 2012). Beispielsweise sagt ein Rechenmodell, das die Elektrodenkonfiguration sowie die Größe und Eigenschaften des Schädeldefekts berücksichtigt (Datta et al., 2010), voraus, dass die meisten Elektrodenkonfigurationen den Schädeldefekt umgeben (mit Ausnahme der Stimulation direkt auf einem kleinen Schädeldefekt). die maximale kortikale elektrische Feldintensität nicht wesentlich erhöhen. Vielmehr wird der Strom auf die Ränder des Knochendefekts gerichtet, was für die therapeutischen Ziele kontraproduktiv sein kann. Eine weitere rechnerische Fallstudie an einem Schlaganfallpatienten zeigte, dass eine relativ leitfähige Schlaganfallläsion den Strom in den periläsionalen Bereichen konzentrierte und dass die Platzierung der Referenzelektrode (z. B. rechts sollte, rechter Mastoid, rechts orbitofrontal und kontralaterale Hemisphäre) veränderten den Weg des größten Stromflusses signifikant (Datta et al., 2011).

Allerdings sind diese Modellvorhersagen in ihrer klinischen Anwendung begrenzt, da eine experimentelle Validierung erforderlich ist. Um die Wirksamkeit und Sicherheit für eine bestimmte Person festzustellen, ist eine quantitative Bestimmung des elektrischen Feldes auf der Ebene des Nervengewebes erforderlich (Bikson 2012). Nach Kenntnis der Forscher gibt es keine veröffentlichten Studien, die die von diesen Modellen vorhergesagten Muster und Stromflussintensitäten empirisch bestätigt hätten. Diese vorgeschlagene experimentelle Studie stellt die erste ihrer Art dar, die an der Gehirnoberfläche gemessene Spannungsintensität als Reaktion auf verschiedene Stimulationsparameter quantifiziert und einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der nichtinvasiven Neurostimulation darstellt