Mekanismin ja dosimetrian tutkimus TES:n magneettiresonanssivirran kartoitusmenetelmissä (TES)

Transkraniaalinen sähköstimulaatio (tES) -tekniikat, kuten transkraniaalinen DC-stimulaatio (tDCS) ja transkraniaalinen AC-stimulaatio (tACS), on tarkoitettu niinkin erilaisiin tiloihin kuin aivohalvauksen kuntoutus, epilepsia ja muistitehtävien parantaminen. TES-tutkimuksia on julkaistu tuhansia vuodesta 20001 lähtien. Tyypillisissä tDCS-toimenpiteissä päänahkaan kiinnitetään pari suuria elektrodeja (esim. 25 cm2) ja niiden välillä kulkee vakiovirta 1-2 mA 10-30 minuutin ajan. tACS:ssä vakiovirran intensiteetti on samanlainen, mutta yleensä käytetään vaihtuvaa siniaaltomuotoa. Näistä tekniikoista on olemassa muunnelmia. Esimerkiksi värähtelevässä tDCS:ssä ajallisesti värähtelevä virta yhdistetään DC-offset-virtaan. Transkraniaalisessa satunnaiskohinastimulaatiossa (tRNS) käytetään ajallisesti satunnaisia ​​virtoja, joilla on kiinteä maksimiintensiteetti. Nämä transkraniaaliset sähköiset neuromodulaatiostrategiat on tarkoitettu monenlaisiin tiloihin, mukaan lukien aivohalvauksen kuntoutus, epilepsian hoito sekä terveiden koehenkilöiden kognitiivisen, motorisen sekä kielen ja muistin suorituskyvyn parantaminen. Yksityiskohdat sekä tDCS:n että tACS:n taustalla olevista mekanismeista ovat edelleen epäselviä. On oletettu, että tDCS:n vaikutukset ovat suurimmat aivojen rakenteissa, jotka ovat lähinnä stimuloivia elektrodeja ja että nämä rakenteet kokevat suurimmat sähkökentät tai virtauksen. tDCS:ssä, jota käytettiin 1 mA:n virran intensiteetillä, on havaittu, että kiihottavat vaikutukset korreloivat laajasti positiivisempien elektrodien sijoittamisen kanssa kohderakenteen päälle, ja katodien alla olevissa rakenteissa havaitaan estäviä vaikutuksia. On oletettu, että tämä johtuu siitä, että ulkoisesti käytetty kenttä joko depolarisoi tai hyperpolarisoi lepokalvojännitteet kohdekudoksessa, mikä johtaa vastaavasti lisääntyneeseen kiihtymykseen tai estoon. Tämä viittaa siihen, että lisääntynyt kiihtyvyys tai esto johtaisi, kun virran intensiteettiä lisätään. On kuitenkin myös näyttöä siitä, että 2 mA:n intensiteetillä havaitaan lisääntynyttä heräävyyttä polaarisuudesta riippumatta. Havaitut vaikutukset voivat myös riippua stimulaation kokonaisajasta.

tACS:ssä on havaittu, että matalilla taajuuksilla (jopa 80 Hz) tACS-viritystaajuudet voivat viedä mukanaan hermoverkkoja, joilla on kiihottavia tai estäviä vaikutuksia, jotka riippuvat valitusta taajuudesta, virran voimakkuudesta ja virran käyttövaiheesta suhteessa taustalla oleviin EEG-rytmeihin. .

Kohteiden välistä vaihtelua on raportoitu sekä tDCS:ssä että tACS:ssä, ja tutkimuksen toistettavuus on ollut ongelmallista. Kohteen alkutilaan, yksilölliseen neuroanatomiaan ja aivo-selkäydinnesteen tilavuuden eroihin liittyvien tekijöiden lisäksi on myös ehdotettu, että tutkimuksen yksittäisten istuntojen väliseen vaihteluun vaikuttavat suuret tekijät tai ne voivat olla epäjohdonmukaisuuksia elektrodien käyttöprotokollassa. Erityisesti suolaliuoksen liiallinen käyttö voi johtaa siihen, että tehokas elektrodipinta-ala kasvaa elektrodin pinnan yli, ja jos kiinnityshihnat ovat ohuempia kuin elektrodit, kosketuspinta voi pienentyä. Elektrodit voivat myös liikkua istuntojen aikana tai ne voivat olla sijoitettu epäjohdonmukaisesti eri aiheisiin. Kohteiden välillä toistettavuus voi heikentyä, koska elektrodien muodot, tyypit ja sijoitukset eivät ole yhdenmukaisia.

Ulkoisesti käytettyjen virtojen aivoissa muodostaman tarkan jakauman tunteminen selventäisi monia tutkimustuloksia ja mikä tärkeintä, mahdollistaisi mekanismien tarkemmat tutkimukset. Lisäksi erilaisten nykyisten sovelluskäytäntöjen, elektrodisuunnittelun ja tutkimusmenettelyjen vaikutukset voitaisiin helposti ratkaista. Siten tDCS:n tai tACS:n muodostama virtajakaumien mittausmenetelmä vastaisi moniin tämän aktiivisen kentän kysymyksiin.

Koska menetelmiä virran virtausjakaumien helposti mittaamiseksi tai kuvaamiseksi ei ole, laskennallisia malleja on käytetty laajasti virtauskuvioiden ennustamiseen. On olemassa laaja kirjallisuus, jossa käytetään laskennallisia malleja erilaisten montaasien, elektrodialueiden ja geometrioiden vaikutusten tutkimiseen jännitteen jakautumiseen, sähkökenttiin tai virrankulkuun. Yhä kehittyneempiä lähestymistapoja on kehitetty tDCS-stimulaation kohteena olevan pään mallintamiseen. Kentän kasvaessa päämallin monimutkaisuus on lisääntynyt pallomaisesta yhtenäisestä, pallomaisesta neliosastoisesta realistisesta geometriasta korkearesoluutioisiin anisotrooppisiin ihmispään malleihin, jotka altistetaan sähköstimulaatiolle. Tämä viimeinen luokka sisältää MR-kuviin perustuvien lähdekuvien yhdistämisen kohteen diffuusiopainotettuihin kuviin valkoisen aineen johtavuustensorien ennustamiseksi. Yksi lähestymistapa tähän käyttää veden translaatiodiffuusiotensorin ominaisvektoreita johtavuustensorin suunnan määrittämiseen (olettaen, että ne ovat samassa linjassa) yhdessä kirjallisuuden valkoisen aineen johtavuuden arvojen kanssa. Toinen lähestymistapa sisältää valkoisen aineen diffuusiotensorin suoran skaalauksen johtavuusarvoihin. Useimmat muut mallikudoksen johtavuudet valitaan kirjallisuudessa bulkkikudoksilla mitatuista arvoista. Kuitenkaan tähän mennessä näitä malleja ei ole ollut mahdollista validoida ihmisillä.

Joitakin yrityksiä on yritetty mitata tDCS:stä johtuvia virtajakaumia. Äskettäisessä artikkelissa Opitz et ai. mitattiin sähkökenttäjakaumia, jotka aiheutuvat kallon läpi tapahtuvasta stimulaatiosta elektrodien kautta, jotka on asetettu bilateraaliseen montaasiin (vasen ja oikea temppeli) käyttämällä elektrodiryhmiä, jotka on sijoitettu lähelle seurattavien potilaiden aivokuoren pintaa epilepsiakohtauskohtausten tunnistamiseksi. tACS:ää käytettiin taajuudella 1-15 Hz intensiteetillä 1 mA, ja maksimi sähkökenttävoimakkuudet tunnistettiin 0,36 ja 0,16 mV/mm. Pieni taajuusriippuvainen johtavuuden nousu (n. 10%) havaittiin ja vähän kapasitiivinen vaikutus. Jälleen nämä kenttävoimakkuudet eivät normaalisti riittäisi aiheuttamaan suoraa kudosstimulaatiota ja tukevat teorioita, joiden mukaan pienet depolarisaatiot voivat olla vastuussa tDCS-vaikutuksista.

Tutkijat, jotka haluavat ymmärtää tES-mekanismeja, ovat aloittaneet fMRI-tutkimukset tutkiakseen terapeuttisen virran annon ja aivojen toiminnan korrelaatiota, mikä on todistettu BOLD-kontrastimuutoksilla18-20. Tämän tutkimuksen aikana on havaittu, että nykyinen hallinto luo artefakteja MR-kuviin. Toisessa artikkelissa fMRI-analyysimenetelmiä käytettiin vokseliklustereiden löytämiseen, jotka korreloivat nykyisen virtauksen ominaisuuksien kanssa22. Tähän mennessä ei kuitenkaan ole yritetty ei-invasiivisesti kuvata tDCS- tai tACS-virrantiheysjakaumia ihmisissä suoraan.

Current Density Imaging (CDI) -tekniikka, kuten Scott et ai. (1991) on menetelmä magneettiresonanssikuvien vaihe-osan muuntamiseksi yksittäisiksi magneettivuon tiheysvektorikomponenteiksi, jotka aiheutuvat ulkoisesta virtauksesta. Näitä mittauksia voidaan sitten käyttää virrantiheysjakaumien laskemiseen käyttämällä Amperen lakia. CDI-perustekniikka edellyttää, että ulkoinen virta injektoidaan kohteisiin yhdessä RF-pulssien ja gradienttikenttien sarjan kanssa, joita käytetään MR-kuvien luomiseen. Tekniikka esiteltiin haamuissa ja sitä käytettiin kuvaamaan virtaa kanin aivoissa. Valitettavasti se on mahdotonta ihmisillä, koska kohdetta on käännettävä kahdesti skannerin reiän sisällä, jotta saadaan kaikki kolme magneettivuon tiheyden komponenttia.

MR-sähköimpedanssitomografiaa (MREIT) on kehitetty viimeisen vuosikymmenen aikana menetelmäksi ihmisen kehon virrantiheyden ja johtavuusjakauman kuvaamiseen. Kuten CDI:ssä, MREIT vaatii virran syöttämisen kohteelle tietyn MR-sekvenssin yhteydessä. MREIT-menetelmien avulla voidaan kuitenkin rekonstruoida koehenkilöiden johtavuuden, sähkökentän ja virrantiheysjakaumat käyttämällä vain yhtä magneettivuon tiheysvektoreiden komponenttia (Bz). Äskettäin kehitettyä MREIT-menetelmää, DT-MREIT, voidaan käyttää rekonstruoimaan täydet anisotrooppiset johtavuudet ja virrantiheysjakaumat käyttämällä samasta aiheesta kerättyjä MREIT- ja DTI-tietoja, ja se on äskettäin osoitettu koirilla.

Tässä työssä tutkijat käyttävät MREIT-menetelmiä tuottamaan:

A. Kvantitatiiviset fyysiset mittaukset, jotka osoittavat tES:n toistettavuuden, tutkivat virran voimakkuuden, sukupuolen ja neuroanatomisten erojen vaikutuksia mitattuihin virtajakaumiin.

B. Kohderakenteessa (DLPFC) kehitettyjen todellisten virrantiheysjakaumien vertailu fMRI-aktiivisuusmittauksiin.

Nämä tutkimukset tarjoavat ensimmäiset testit olettamuksista

• tDCS-stimulaation vaikutukset ovat suurimmat kohdealueella
• että suurin kenttä ja virtaus löytyy kohdealueelta Näillä tutkimuksilla on siis potentiaalia mullistaa ymmärrystä tES:n mekanismeista ja käytännöistä.

Tällä työllä on kolme tavoitetta, joista yksi keskittyy nykyisten MREIT-hankintamenettelyjemme teknisiin parannuksiin, toinen keskittyy toistettavuuden kvantifiointiin, virtajakaumien mittaamiseen eri virtaintensiteetillä ja lopuksi sähkökentän ja virrantiheysjakaumien korrelaatioiden arvioimiseen aivotoiminnan mittareiden kanssa. käyttämällä fMRI:tä.

Erityinen tavoite 1 (SA1) MREIT-pulssisekvenssin kiihtyvyys ja parannukset.

Erityinen tavoite 2 (SA2) Toistettavuus ja johdonmukaisuus tDCS/tACS-protokollassa Virtatiheysjakaumat kuvataan normaaleilla vapaaehtoisilla käyttämällä F3-F4-montaasi kolmella eri virranvoimakkuudella, ja mittaus toistetaan vähintään viikon välein. Joka kerta montaasi käytetään uudelleen ja kohteet kuvataan uudelleen. Mitattujen virran- ja sähkökenttäjakaumien väliset ja sisäiset vaihtelut määritetään.

Erityinen tavoite 3 (SA3) Toiminnallisten mittareiden korrelaatio mitattuihin sähköjakelumittareihin Osallistujien suorituskykyä 2-back/0-back-muistitehtävässä verrataan sekä vale- että aktiivikohteissa käyttämällä joko 1, 1,5 tai 2 mA intensiteetin stimulaatiota.