Exploración de mecanismos y dosimetría en métodos de mapeo de corriente de resonancia magnética TES (TES)

Las técnicas de estimulación eléctrica transcraneal (tES), como la estimulación transcraneal DC (tDCS) y la estimulación transcraneal AC (tACS), se han indicado para condiciones tan diversas como la rehabilitación de accidentes cerebrovasculares, la epilepsia y para mejorar las tareas de memoria. Se han publicado miles de estudios de tES desde 20001. En los procedimientos típicos de tDCS, se coloca un par de electrodos grandes (p. ej., 25 cm2) en el cuero cabelludo y se pasa una corriente constante de 1 a 2 mA entre ellos durante períodos de 10 a 30 minutos. En tACS, la intensidad de corriente constante es similar, pero generalmente se emplea una forma de onda sinusoidal alterna. Existen variaciones en estas técnicas. Por ejemplo, en tDCS oscilatorio, una corriente que oscila temporalmente se combina con una corriente de compensación de CC. En la estimulación de ruido aleatorio transcraneal (tRNS) se aplican corrientes temporalmente aleatorias con una intensidad máxima fija. Estas estrategias de neuromodulación eléctrica transcraneal se han indicado para una amplia gama de condiciones, incluida la rehabilitación de accidentes cerebrovasculares, el tratamiento de la epilepsia y para mejorar el rendimiento cognitivo, motor y del lenguaje y la memoria en sujetos sanos. Los detalles de los mecanismos subyacentes de tDCS y tACS siguen sin estar claros. Se ha asumido que los efectos de tDCS son mayores en las estructuras cerebrales más cercanas a los electrodos estimulantes y que estas estructuras experimentan los campos eléctricos o el flujo de corriente más grandes. En tDCS aplicado a intensidades de corriente de 1 mA, se ha encontrado que los efectos excitatorios se correlacionan ampliamente con la colocación de electrodos más positivos sobre una estructura objetivo, y se observan efectos inhibidores en estructuras debajo de los cátodos. Se ha planteado la hipótesis de que esto se debe a que el campo aplicado externamente despolariza o hiperpolariza los voltajes de la membrana en reposo en el tejido objetivo, lo que conduce a una mayor excitabilidad o inhibición, respectivamente. Esto sugiere que se produciría una mayor excitabilidad o inhibición cuando se aumenta la intensidad de la corriente. Sin embargo, también hay evidencia de que a una intensidad de 2 mA se observa una mayor excitabilidad, independientemente de la polaridad. Los efectos observados también pueden depender del tiempo total de estimulación.

En tACS, se ha encontrado que a bajas frecuencias (hasta 80 Hz), las frecuencias de excitación de tACS pueden arrastrar redes neuronales con efectos excitadores o inhibitorios que dependen de la frecuencia elegida, la intensidad de la corriente y la fase de aplicación de la corriente en relación con los ritmos EEG subyacentes. .

Se ha informado la variabilidad entre sujetos tanto en tDCS como en tACS, y la reproducibilidad del estudio ha sido problemática. Aparte de los factores relacionados con el estado inicial del sujeto, la neuroanatomía individual y las diferencias en el volumen del líquido cefalorraquídeo, también se ha sugerido que las principales contribuciones a la variabilidad entre sesiones individuales de un estudio pueden ser inconsistencias en el protocolo de aplicación de electrodos. En particular, el uso excesivo del medio de contacto con solución salina puede hacer que el área efectiva del electrodo aumente más allá de la cara del electrodo, y si las correas de sujeción son más delgadas que los electrodos, el área de contacto puede reducirse. Los electrodos también pueden moverse durante las sesiones o colocarse de manera inconsistente en diferentes sujetos. Entre sitios, la reproducibilidad puede degradarse debido a que las formas, los tipos y las ubicaciones de los electrodos no son consistentes.

El conocimiento de la distribución exacta formada dentro del cerebro por las corrientes aplicadas externamente aclararía muchos resultados del estudio y, lo que es más importante, permitiría exploraciones más precisas del mecanismo. Además, los efectos de los diferentes protocolos de aplicación actuales, diseños de electrodos y procedimientos de estudio podrían resolverse fácilmente. Por lo tanto, un método para medir distribuciones de corriente formado por tDCS o tACS respondería muchas preguntas en este campo activo.

En ausencia de métodos para medir fácilmente o generar imágenes de distribuciones de flujo de corriente, los modelos computacionales se han utilizado ampliamente para predecir patrones de flujo. Existe una gran literatura que utiliza modelos computacionales para explorar los efectos de diferentes montajes, áreas de electrodos y geometrías en distribuciones de voltaje, campos eléctricos o flujo de corriente. Se han ideado enfoques cada vez más sofisticados para modelar la cabeza sujeta a la estimulación tDCS. A medida que el campo ha crecido, la complejidad del modelo de cabeza ha aumentado de una geometría realista uniforme esférica, esférica de cuatro compartimentos, a modelos anisotrópicos de alta resolución de la cabeza humana sujeta a estimulación eléctrica. Esta última categoría ha implicado la fusión de imágenes de origen basadas en imágenes de RM con imágenes ponderadas por difusión del sujeto para predecir los tensores de conductividad de la materia blanca. Un enfoque para esto utiliza vectores propios del tensor de difusión traslacional del agua para determinar la dirección del tensor de conductividad (suponiendo que estén alineados) en combinación con los valores de la literatura de las conductividades de la materia blanca. Otro enfoque implica la escala directa del tensor de difusión de la materia blanca a valores de conductividad. La mayoría de las otras conductividades de tejido modelo se eligen de valores medidos en tejidos a granel en la literatura. Sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible la validación de estos modelos en sujetos humanos.

Se han realizado algunos esfuerzos para medir las distribuciones actuales resultantes de tDCS. En un artículo reciente, Opitz et al. midió las distribuciones de campo eléctrico causadas por la estimulación transcraneal a través de electrodos colocados en un montaje bilateral (sienes izquierda y derecha) utilizando conjuntos de electrodos colocados cerca de la superficie cortical de los pacientes que estaban siendo monitoreados para identificar focos de ataques de epilepsia. Se aplicó tACS a 1-15 Hz con una intensidad de 1 mA y se identificaron intensidades de campo eléctrico máximas de 0,36 y 0,16 mV/mm. Un ligero aumento dependiente de la frecuencia en la conductividad (aprox. 10%) y poco efecto capacitivo. Nuevamente, estas intensidades de campo normalmente no serían suficientes para causar una estimulación tisular directa y respaldan las teorías de que las despolarizaciones leves pueden ser responsables de los efectos de tDCS.

Los investigadores que buscan comprender los mecanismos de tES han iniciado estudios de resonancia magnética funcional para investigar la correlación de la administración de corriente terapéutica y la actividad cerebral, como lo demuestran los cambios en el contraste BOLD18-20. En el curso de esta investigación se ha observado que la administración actual crea artefactos en las imágenes de RM. En otro artículo, se utilizaron métodos de análisis de resonancia magnética funcional para encontrar grupos de vóxeles que se correlacionan con las características del flujo actual22. Sin embargo, hasta la fecha, no ha habido intentos de obtener imágenes de forma no invasiva de las distribuciones de densidad de corriente tDCS o tACS en humanos directamente.

La técnica de Imagen de Densidad de Corriente (CDI) sugerida por Scott et al. (1991) es un método para traducir la parte de fase de imágenes de resonancia magnética en componentes de vector de densidad de flujo magnético individuales causados ​​por un flujo de corriente aplicado externamente. Estas medidas se pueden usar para calcular las distribuciones de densidad de corriente usando la ley de Ampere. La técnica básica de CDI requiere que la corriente externa se inyecte en los sujetos junto con una secuencia de pulsos de RF y campos de gradiente utilizados para crear imágenes de RM. La técnica se demostró en fantasmas y se usó para obtener imágenes del flujo de corriente en el cerebro de un conejo. Desafortunadamente, no es factible en humanos debido a la necesidad de rotar al sujeto dos veces dentro del orificio del escáner para obtener los tres componentes de la densidad de flujo magnético.

La tomografía de impedancia eléctrica MR (MREIT) se ha desarrollado durante la última década como un método para obtener imágenes de las distribuciones de conductividad y densidad de corriente en el cuerpo humano. Al igual que en CDI, MREIT requiere que se aplique corriente a un sujeto junto con una secuencia de RM particular. Sin embargo, los métodos MREIT hacen posible reconstruir las distribuciones de conductividad, campo eléctrico y densidad de corriente en sujetos utilizando solo un componente (Bz) de los vectores de densidad de flujo magnético. Un método MREIT desarrollado recientemente, DT-MREIT, se puede utilizar para reconstruir conductividades anisotrópicas completas y distribuciones de densidad de corriente utilizando datos MREIT y DTI recopilados del mismo sujeto, y se ha demostrado recientemente en caninos.

En este trabajo, los investigadores utilizarán métodos MREIT para producir:

A. Medidas físicas cuantitativas que demuestran la reproducibilidad de tES, explorando los efectos de la intensidad de la corriente, el sexo y las diferencias neuroanatómicas en las distribuciones de corriente medidas.

B. Comparaciones de distribuciones de densidad de corriente real desarrolladas en una estructura objetivo (DLPFC) con medidas de actividad de fMRI.

Estos estudios proporcionarán las primeras pruebas de los supuestos que

• los efectos de la estimulación tDCS son mayores en la región objetivo
• que el campo más grande y el flujo de corriente se encuentran en la región objetivo. Por lo tanto, estos estudios tienen el potencial de revolucionar la comprensión de los mecanismos y la práctica de tES.

Este trabajo tiene tres objetivos, uno centrado en las mejoras técnicas en nuestros procedimientos de adquisición MREIT actuales, otro dirigido a cuantificar la replicabilidad, medir las distribuciones de flujo de corriente a diferentes intensidades de corriente y, finalmente, evaluar las correlaciones del campo eléctrico y las distribuciones de densidad de corriente con medidas de actividad cerebral. utilizando resonancia magnética funcional.

Objetivo Específico 1 (SA1) Aceleración y Mejoras de la Secuencia de Pulso MREIT.

Objetivo específico 2 (SA2) Replicabilidad y coherencia en los protocolos tDCS/tACS Las distribuciones de densidad de corriente se visualizarán en voluntarios normales mediante un montaje F3-F4 con tres intensidades de corriente diferentes y se repetirá la medida a intervalos de al menos una semana. Cada vez, se volverá a aplicar el montaje y se volverán a crear imágenes de los sujetos. Se determinarán las variaciones tanto dentro como entre sujetos en las distribuciones de campo eléctrico y corriente medidas.

Objetivo específico 3 (SA3) Correlación de medidas funcionales con medidas de distribución eléctrica medidas El rendimiento de los participantes en una tarea de memoria 2-back/0-back se comparará en sujetos simulados y activos, usando una estimulación de intensidad de 1, 1,5 o 2 mA.