Untersuchung des Mechanismus und der Dosimetrie in TES-Magnetresonanz-Stromkartierungsmethoden (TES)

Techniken der transkraniellen Elektrostimulation (tES) wie die transkranielle DC-Stimulation (tDCS) und die transkranielle AC-Stimulation (tACS) sind für so unterschiedliche Erkrankungen wie Schlaganfallrehabilitation, Epilepsie und zur Verbesserung von Gedächtnisaufgaben indiziert. Seit 2000 wurden Tausende von tES-Studien veröffentlicht1. Bei typischen tDCS-Verfahren wird ein Paar großer Elektroden (z. B. 25 cm2) an der Kopfhaut befestigt und über einen Zeitraum von 10 bis 30 Minuten ein konstanter Strom von 1 bis 2 mA zwischen ihnen geleitet. Bei tACS ist die konstante Stromstärke ähnlich, es wird jedoch üblicherweise eine alternierende Sinuswellenform verwendet. Es gibt Variationen dieser Techniken. Beispielsweise wird beim oszillierenden tDCS ein zeitlich oszillierender Strom mit einem DC-Offset-Strom kombiniert. Bei der transkraniellen Zufallsrauschstimulation (tRNS) werden zeitlich zufällige Ströme mit einer festgelegten maximalen Intensität appliziert. Diese transkraniellen elektrischen Neuromodulationsstrategien sind für eine Vielzahl von Erkrankungen indiziert, darunter Schlaganfallrehabilitation, Behandlung von Epilepsie und zur Verbesserung der kognitiven, motorischen sowie sprachlichen und Gedächtnisleistung bei gesunden Probanden. Einzelheiten zu den zugrunde liegenden Mechanismen von tDCS und tACS bleiben unklar. Es wurde angenommen, dass die Auswirkungen von tDCS in den Gehirnstrukturen am stärksten sind, die den stimulierenden Elektroden am nächsten liegen, und dass diese Strukturen den größten elektrischen Feldern oder Stromflüssen ausgesetzt sind. Bei tDCS, das bei Stromstärken von 1 mA angewendet wird, wurde festgestellt, dass erregende Effekte weitgehend mit der Platzierung positiverer Elektroden über einer Zielstruktur korrelieren und hemmende Effekte in Strukturen unter Kathoden beobachtet werden. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass ein von außen angelegtes Feld ruhende Membranspannungen im Zielgewebe entweder depolarisiert oder hyperpolarisiert, was zu einer erhöhten Erregbarkeit bzw. Hemmung führt. Dies deutet darauf hin, dass es zu einer erhöhten Erregbarkeit oder Hemmung kommen würde, wenn die Stromstärke erhöht würde. Es gibt jedoch auch Hinweise darauf, dass bei einer Intensität von 2 mA unabhängig von der Polarität eine erhöhte Erregbarkeit beobachtet wird. Die beobachteten Effekte können auch von der gesamten Stimulationszeit abhängen.

Bei tACS wurde festgestellt, dass tACS-Anregungsfrequenzen bei niedrigen Frequenzen (bis zu 80 Hz) neuronale Netzwerke mit erregenden oder hemmenden Wirkungen anregen können, die von der gewählten Frequenz, der Stromstärke und der Phase der Stromanwendung im Verhältnis zu den zugrunde liegenden EEG-Rhythmen abhängen .

Sowohl bei tDCS als auch bei tACS wurde über interindividuelle Variabilität berichtet, und die Reproduzierbarkeit der Studien war problematisch. Abgesehen von Faktoren, die sich auf den Ausgangszustand des Probanden, die individuelle Neuroanatomie und Unterschiede im Liquorvolumen beziehen, wurde auch vermutet, dass Inkonsistenzen im Elektrodenanwendungsprotokoll einen wesentlichen Beitrag zur Variabilität zwischen einzelnen Sitzungen einer Studie leisten können. Insbesondere die übermäßige Verwendung von salzhaltigem Kontaktmedium kann dazu führen, dass sich die effektive Elektrodenfläche über die Elektrodenfläche hinaus vergrößert, und wenn die Befestigungsbänder dünner als die Elektroden sind, kann die Kontaktfläche verringert werden. Elektroden können sich während der Sitzungen auch bewegen oder uneinheitlich an verschiedenen Themen platziert werden. Zwischen den Standorten kann die Reproduzierbarkeit beeinträchtigt sein, da Elektrodenformen, -typen und -platzierungen nicht konsistent sind.

Die Kenntnis der genauen Verteilung, die durch die von außen angelegten Ströme im Gehirn entsteht, würde viele Studienergebnisse klären und vor allem eine genauere Erforschung des Mechanismus ermöglichen. Darüber hinaus könnten die Auswirkungen unterschiedlicher aktueller Anwendungsprotokolle, Elektrodendesigns und Untersuchungsverfahren leicht gelöst werden. Daher würde eine Methode zur Messung der durch tDCS oder tACS gebildeten Stromverteilungen viele Fragen in diesem aktiven Bereich beantworten.

In Ermangelung von Methoden zur einfachen Messung oder Abbildung von Stromflussverteilungen wurden in großem Umfang Computermodelle zur Vorhersage von Flussmustern eingesetzt. Es gibt eine umfangreiche Literatur, die Computermodelle verwendet, um die Auswirkungen verschiedener Montagen, Elektrodenflächen und -geometrien auf Spannungsverteilungen, elektrische Felder oder Stromflüsse zu untersuchen. Es wurden immer ausgefeiltere Ansätze entwickelt, um den Kopf zu modellieren, der einer tDCS-Stimulation ausgesetzt ist. Mit der Weiterentwicklung des Fachgebiets hat sich die Komplexität der Kopfmodelle von einer sphärischen, gleichmäßigen, sphärischen, vierteiligen, realistischen Geometrie bis hin zu hochauflösenden anisotropen Modellen des menschlichen Kopfes erhöht, der einer elektrischen Stimulation ausgesetzt ist. In dieser letzten Kategorie wurden auf MR-Bildern basierende Quellbilder mit diffusionsgewichteten Bildern des Subjekts zusammengeführt, um Leitfähigkeitstensoren der weißen Substanz vorherzusagen. Ein Ansatz hierzu verwendet Wasser-Translations-Diffusionstensor-Eigenvektoren, um die Richtung des Leitfähigkeitstensors zu bestimmen (vorausgesetzt, sie sind koausgerichtet), in Kombination mit Literaturwerten der Leitfähigkeiten der weißen Substanz. Ein anderer Ansatz beinhaltet die direkte Skalierung des Diffusionstensors der weißen Substanz auf Leitfähigkeitswerte. Die meisten anderen Leitfähigkeiten von Modellgewebe werden aus Werten ausgewählt, die in der Literatur an Massengeweben gemessen wurden. Bisher war jedoch keine Validierung dieser Modelle am Menschen möglich.

Es wurden einige Anstrengungen unternommen, um aktuelle Verteilungen zu messen, die sich aus tDCS ergeben. In einer aktuellen Arbeit haben Opitz et al. gemessene elektrische Feldverteilungen, die durch transkranielle Stimulation über Elektroden verursacht wurden, die in einer bilateralen Montage (linke und rechte Schläfe) platziert waren, unter Verwendung von Elektrodenanordnungen, die in der Nähe der kortikalen Oberfläche von überwachten Patienten platziert wurden, um epileptische Anfallsherde zu identifizieren. tACS wurde bei 1–15 Hz mit einer Intensität von 1 mA angewendet und es wurden maximale elektrische Feldstärken von 0,36 und 0,16 mV/mm ermittelt. Ein leichter frequenzabhängiger Anstieg der Leitfähigkeit (ca. Es wurden ca. 10 %) und ein geringer kapazitiver Effekt beobachtet. Auch hier würden diese Feldstärken normalerweise nicht ausreichen, um eine direkte Gewebestimulation zu bewirken, und stützen Theorien, dass leichte Depolarisationen für tDCS-Effekte verantwortlich sein könnten.

Forscher, die die tES-Mechanismen verstehen wollen, haben fMRT-Studien initiiert, um den Zusammenhang zwischen der Verabreichung von therapeutischem Strom und der Gehirnaktivität zu untersuchen, der durch Veränderungen im BOLD-Kontrast belegt wird18-20. Im Laufe dieser Forschung wurde festgestellt, dass die derzeitige Regierung Artefakte auf MR-Bildern erzeugt. In einer anderen Arbeit wurden fMRT-Analysemethoden verwendet, um Voxelcluster zu finden, die mit aktuellen Strömungsmerkmalen korrelieren22. Bisher gab es jedoch keine Versuche, die Stromdichteverteilungen von tDCS oder tACS beim Menschen nicht-invasiv direkt abzubilden.

Die von Scott et al. vorgeschlagene Technik des Current Density Imaging (CDI). (1991) ist eine Methode zur Übersetzung des Phasenanteils von Magnetresonanzbildern in einzelne Vektorkomponenten der magnetischen Flussdichte, die durch einen extern angelegten Stromfluss verursacht werden. Diese Messungen können dann verwendet werden, um Stromdichteverteilungen mithilfe des Ampere-Gesetzes zu berechnen. Die grundlegende CDI-Technik erfordert, dass der externe Strom in Verbindung mit einer Folge von HF-Impulsen und Gradientenfeldern, die zur Erstellung von MR-Bildern verwendet werden, in die Probanden eingespeist wird. Die Technik wurde an Phantomen demonstriert und zur Abbildung des Stromflusses im Gehirn eines Kaninchens verwendet. Leider ist dies beim Menschen nicht möglich, da das Subjekt zweimal in der Scannerröhre gedreht werden muss, um alle drei Komponenten der magnetischen Flussdichte zu erhalten.

Die MR-Elektroimpedanztomographie (MREIT) wurde im letzten Jahrzehnt als Methode zur Abbildung von Stromdichte- und Leitfähigkeitsverteilungen im menschlichen Körper entwickelt. Wie bei CDI erfordert MREIT, dass Strom in Verbindung mit einer bestimmten MR-Sequenz an ein Subjekt angelegt wird. Allerdings ermöglichen MREIT-Methoden die Rekonstruktion der Leitfähigkeits-, elektrischen Feld- und Stromdichteverteilungen in Probanden, indem nur eine Komponente (Bz) der magnetischen Flussdichtevektoren verwendet wird. Eine kürzlich entwickelte MREIT-Methode, DT-MREIT, kann verwendet werden, um vollständige anisotrope Leitfähigkeiten und Stromdichteverteilungen mithilfe von MREIT- und DTI-Daten zu rekonstruieren, die von demselben Probanden gesammelt wurden, und wurde kürzlich bei Hunden demonstriert.

In dieser Arbeit werden die Forscher MREIT-Methoden verwenden, um Folgendes zu produzieren:

A. Quantitative physikalische Messungen zum Nachweis der tES-Reproduzierbarkeit, Untersuchung der Auswirkungen von Stromstärke, Geschlecht und neuroanatomischen Unterschieden auf gemessene Stromverteilungen.

B. Vergleiche tatsächlicher Stromdichteverteilungen, die in einer Zielstruktur (DLPFC) entwickelt wurden, mit fMRT-Aktivitätsmessungen.

Diese Studien werden die ersten Tests der Annahmen liefern

• Die Auswirkungen der tDCS-Stimulation sind in der Zielregion am größten
• dass das größte Feld und der größte Stromfluss in der Zielregion zu finden sind. Diese Studien haben daher das Potenzial, das Verständnis der tES-Mechanismen und -Praxis zu revolutionieren.

Diese Arbeit hat drei Ziele: eines konzentriert sich auf technische Verbesserungen unserer derzeitigen MREIT-Erfassungsverfahren, ein anderes zielt auf die Quantifizierung der Reproduzierbarkeit, die Messung von Stromflussverteilungen bei verschiedenen Stromstärken und schließlich auf die Bewertung der Korrelationen von elektrischen Feldern und Stromdichteverteilungen mit Gehirnaktivitätsmessungen ab mit fMRT.

Spezifisches Ziel 1 (SA1) MREIT-Pulssequenzbeschleunigung und -verbesserungen.

Spezifisches Ziel 2 (SA2) Reproduzierbarkeit und Konsistenz in tDCS/tACS-Protokollen Stromdichteverteilungen werden bei normalen Freiwilligen mithilfe einer F3-F4-Montage mit drei verschiedenen Stromstärken abgebildet und die Messung in Abständen von mindestens einer Woche wiederholt. Jedes Mal wird die Montage erneut angewendet und die Motive neu abgebildet. Es werden sowohl intra- als auch intersubjektspezifische Variationen der gemessenen Strom- und elektrischen Feldverteilungen bestimmt.

Spezifisches Ziel 3 (SA3) Korrelation von Funktionsmessungen mit gemessenen elektrischen Verteilungsmessungen Die Leistung der Teilnehmer bei einer 2-Back/0-Back-Gedächtnisaufgabe wird sowohl bei Schein- als auch bei aktiven Probanden verglichen, wobei entweder eine Stimulation mit einer Intensität von 1, 1,5 oder 2 mA verwendet wird.