Transkraniaalisen sähköstimulaation vaikutukset aivohalvauspotilailla

Aivohalvaus on johtava kuolinsyy ja vammaisuus maailmassa. Aivohalvauksen esiintyvyys on korkea kehitysmaissa; esimerkiksi Thaimaassa aivohalvaus on yksi yleisimmistä kuolinsyistä ja työkyvyttömyydestä. Arvioitu esiintyvyys 45-vuotiailla ja sitä vanhemmilla aikuisilla on 1,88 %, ja aivohalvauskuolleisuus on edelleen noussut viimeisen 5 vuoden aikana. Maailmanlaajuisesti 87 prosenttia aivohalvauksen ihmisistä on kärsinyt iskeemisestä aivohalvauksesta ja 13 prosenttia hemorragisesta aivohalvauksesta. Maailman aivohalvausjärjestön raportoima 57 prosenttia aivohalvaustapauksista on edelleen vammaisuutta. Motorinen vajaatoiminta on suuri raja aivohalvauksen jälkeen ja se vaikuttaa jokapäiväiseen toimintaan. Kognitiivisia häiriöitä (eli toimeenpanotoimintaa, huomiokykyä ja muistia) havaitaan yleisesti aivohalvauksen jälkeen eloonjääneillä, mikä voi johtaa toimintakyvyn heikkenemiseen ja vaikuttaa kuntoutuksen tehokkuuteen aivohalvauksen yhteydessä.

Aivohalvaus määritellään äkillinen neurologinen räjähdys, jonka aiheuttaa heikentynyt perfuusio verisuonten kautta aivoihin. Iskeeminen aivohalvaus johtuu puutteellisesta verenkierrosta ja hapen saannista aivoihin, kun taas hemorragisen aivohalvauksen aiheuttaa verenvuoto tai vuotavat verisuonet, jotka johtavat solukuolemaan. Aivohalvauksen jälkeen aivokuoren kiihtyvyys vähenee ipsilesionaalisella pallonpuoliskolla ja lisääntyy kontralesionaalisella pallonpuoliskolla. Tästä johtuen kummankin pallonpuoliskon välinen interhemispheric inhibitio (IHI) on epätasapainossa. IHI-epätasapainon alkaminen aivohalvauspotilailla on edelleen epäselvä, vaikka motorisen vajaatoiminnan esiintyminen sen alkamisesta lähtien. IHI-epätasapaino säilyy kuitenkin koko aivohalvauksen ajan. IHI:n epätasapainon havaittiin korreloivan negatiivisesti aivohalvausmotorisen elpymisen kanssa; suurempi epätasapaino liittyi huonompaan moottorin suorituskykyyn. IHI-epätasapaino ei ole syy huonoon motoriseen palautumiseen, vaan se voi olla seurausta taustalla olevista palautumisprosesseista.

Elektroenkefalografia (EEG) on ei-invasiivinen mittaustyökalu, jolla on korkea ajallinen erottelukyky ja joka voi havaita yhteenvedon aivokuoren pyramidaalisten hermosolujen postsynaptisista sähkösignaaleista. EEG on hyödyllinen mittaus aivohalvauksen jälkeen. Useiden mittareiden on havaittu liittyvän palautumiseen kaikissa aivohalvausvaiheissa. Äskettäin vuonna 2022 julkaistussa katsauksessa kerrottiin, että aivojen symmetriaindeksi (BSI) ja spektriteho ovat tehokkaimpia mittareita, joita voidaan käyttää aivohalvauksen toipumisen ennustamiseen. BSI on yksi suosituimmista EEG:stä johdetuista parametreista, joita käytetään kahden pallonpuoliskon välisen keskimääräisen spektrisen epäsymmetrian määrittämiseen. Sen normaalialue on 0-1, jossa 0 tarkoittaa täydellistä symmetriaa, kun taas 1 tarkoittaa maksimaalista epäsymmetriaa. BSI oli merkittävästi korkeampi aivohalvauspotilailla, jotka osoittivat aivojen epäsymmetriaa terveisiin verrokkeihin verrattuna. Van Putten ja Tavy osoittivat akuutilla iskeemisellä aivohalvauspotilailla, että BSI oli muuttumaton 24 tunnin sisällä aivohalvauksen jälkeen, mutta sillä oli positiivinen korrelaatio National Institutes of Health Stroke Scalen välillä ( NIHSS); korkeampi vajaatoiminta, suurempi aivojen epäsymmetria. Raportoitiin, että korkeampi BSI-arvo akuutista subakuuttiin vaiheeseen liittyi heikompaan motoriseen suorituskykyyn 4 viikkoa myöhemmin, mikä viittaa siihen, että BSI voisi mahdollisesti auttaa ennustamaan motorisia tuloksia aivohalvauksen toipumisvaiheen aikana. Lisäksi aivohalvauksen saaneiden henkilöiden spektritehoanalyysi osoitti solukuoleman aiheuttaman aivovärähtelyn vaihtelun, kuten matalataajuisen tehon (delta ja theta) lisääntymisen ipsilesionaalisella pallonpuoliskolla, joka tapahtui jo minuutin kuluttua aivohalvauksesta, kun taas korkeataajuinen teho (alfa) ja beta) vähenivät. Delta-aktiivisuuden lisääntyminen aivohalvauksen jälkeen oli myös negatiivisesti yhteydessä kognitiiviseen toimintaan. Kortikaalinen aktiivisuus palautumisvaiheessa voi edustaa motorista palautumista ja kognitiivista toimintaa aivohalvauksen jälkeen. Korkeataajuisten aivoaaltojen lisääntyminen (esim. beeta-alue) liittyy motorisen palautumisen parantamiseen aivohalvauksen subakuuteissa ja kroonisissa vaiheissa. Lisäksi alfa-vyöhykkeen kasvu ja delta-kaistan väheneminen korreloivat aivohalvauksesta selviytyneiden kognitiivisten toimintojen paranemisen kanssa.

Motorinen palautuminen aivohalvauksen jälkeen lisääntyy nopeasti ensimmäisten 3 kuukauden aikana (akuutti varhainen subakuutti vaihe) ja vähemmän merkittävä toipuminen myöhemmin subakuutin loppuvaiheessa (3-6 kuukautta), sitten spontaani toipuminen johtaa vakaaseen rajansa kroonisessa vaiheessa ( >6 kuukautta), mutta toipuminen voi jatkua jopa 2 vuotta aivohalvauksen jälkeen kuntoutuksen jälkeen. Siksi kuntoutus voi parantaa aivohalvauksen toipumista spontaanin toipumisen lisäksi subakuutissa ja kroonisessa vaiheessa. Aivohalvauksen paranemiseen vaikuttaa kaksi tekijää: 1) sisäiset tekijät, jotka ovat ikä, sukupuoli, aivohalvauksen alkaminen, aivohalvauksen tyyppi, vakavuus, rinnakkaissairaudet, sosioekonominen tila ja geneettiset profiilit, 2) ulkoiset tekijät, kuten hoitajan tuki, farmakologia ja kuntoutus. ohjelma, jossa on alhaalta ylös ja ylhäältä alas -lähestymistapa. Aivohalvauksen jälkeistä kuntoutusta suositellaan palautumisen edistämiseksi ja pitkäaikaisen vamman vähentämiseksi. American Stroke Associationin (ASA) ohjeissa on suositeltu, että aivohalvauspotilaat vaativat terapeuttista interventiota vähintään 3 kertaa viikossa 20-60 minuuttia per hoitokerta.

Non-invasiivinen aivojen stimulaatio (NIBS) eli transkraniaalinen sähköstimulaatio (tES) on ylhäältä alas -lähestymistapa, jota on suositeltu käytettäväksi lisätoimenpiteenä aivohalvauksen jälkeisessä kuntoutuksessa. Yleisimmät tutkimuksessa käytetyt tES-tekniikat ovat 1) transkraniaalinen tasavirtastimulaatio (tDCS) ja 2) transkraniaalinen vaihtovirtastimulaatio (tACS). Ero näiden kahden tES-tekniikan välillä on nykyiset muodot.

1. tDCS tuottaa heikon tasavirran moduloidakseen aivokuoren kiihottumista polariteettispesifisillä vaikutuksilla. Anodaalinen tDCS lisää aivokuoren kiihtyvyyttä rajoitetun annoksen puitteissa, kun taas katodinen tDCS vähentää sitä. On olemassa useita tutkimuksia, joissa on raportoitu tDCS:n vaikutuksesta fyysiseen ja kognitiiviseen suorituskykyyn terveillä henkilöillä sekä ihmisillä, joilla on neurologisia häiriöitä. IHI:n tasapainottamisen edistämiseksi tDCS:ää käytetään levittämällä anodielektrodi ipsilesionaalisen aivopuoliskon päälle ja katodielektrodia kontralesionaalisen puolipallon päälle samanaikaisesti, jota kutsutaan dual- tai bilateral-tDCS:ksi. Monet meta-analyysit ja yksilötutkimukset osoittivat, että bilateral-tDCS primaarisen motorisen aivokuoren (M1) yli oli tehokkaampi parantamaan ylä- ja alaraajojen motorisia suorituskykyä muihin montaaseihin verrattuna. Suurin osa aiemmista tutkimuksista käytti eri intensiteettejä 2 mA stimulaation keston ollessa 20 minuuttia. Äskettäinen meta-analyysi kuitenkin ehdotti, että yli 20 minuuttia stimulaation kesto lisää stimulaation kestoa ja stimulaatioistuntojen lukumäärää 15-20 istunnon aikana tehostivat tehokkaasti tDCS:n vaikutusta motoriseen toimintaan. Kognitiivisten toimintojen osalta äskettäinen meta-analyysi raportoi dorsolateraaliseen prefrontaaliseen aivokuoreen (DLPFC) levitetyn tDCS:n positiivisen vaikutuksen kognitiivisten toimintojen palautumiseen verrattuna huijaukseen aivohalvauspopulaatiossa. Aiemmassa tutkimuksessa kerrottiin, että M1:een kohdistuva tDCS yhdessä motorisen harjoittelun kanssa voisi parantaa motorista ja kognitiivista suorituskykyä, vaikka vaikutus saattaa olla pienempi kuin DLPFC:hen kohdistuva vaikutus.
2. tACS toimittaa vaihtosähkövirtaa aivokuoren kiihottumisen ja endogeenisen aivojen värähtelyn moduloimiseksi taajuusspesifisellä. Alfa- (8-12 Hz) ja beetataajuuden (13-30 Hz) aktiivisuus on näkyvästi ihmisen sensorimotorisessa aivokuoressa lepotilan aikana. Meta-analyysin mukaan beeta-taajuusalueella toimitettu tACS voisi lisätä primaarisen motorisen aivokuoren aivokuoren kiihtyneisyyttä. Tämä vaikutus on erityisen voimakas, kun stimulaation intensiteetti oli yli 1 mA. Terveillä populaatioilla jotkin tutkimukset ovat osoittaneet, että M1:n päällä käytetty beeta-tACS voisi parantaa motorista oppimista, ja suurempi vaikutus havaittiin alfa-tACS:ään verrattuna. Sama havainto raportoitiin aivohalvauspopulaatiossa, beeta-tACS (20 Hz) 1 mA:lla indusoi suurempia modulaatiovaikutuksia kuin alfa-tACS (10 Hz 1 mA:lla motoriikkaan liittyvillä alueilla). Kymmenen tACS-istuntoa 2 mA:lla sairaan pallonpuoliskon M1:n päällä kävelyharjoittelun kanssa voisi parantaa kävelysuorituskykyä kroonista aivohalvausta sairastavilla henkilöillä. tACS:llä näyttää olevan potentiaalia aivohalvauksen jälkeiseen motoriseen palautumiseen, kuten muillakin NIBS:illä, mutta relevantti määrä satunnaistettuja kontrolloituja tutkimuksia (RCT) aivohalvauspopulaatiossa on hyvin rajallinen verrattuna tDCS:n tutkimuksiin. Sekä tDCS että tACS ovat kannettavia, helppokäyttöisiä ja aiheuttavat vain lieviä haittavaikutuksia. Toistaiseksi on vain vähän tutkimuksia, joissa verrataan tDCS:n vaikutuksia tACS:iin. Mitä tulee tehoon aivokuoren kiihtyvyysmuutoksissa, samanlaisilla stimulaatiokuvioilla (1,0 mA ja 10 min), tACS lisäsi merkittävästi aivokuoren kiihtyneisyyttä terveillä koehenkilöillä valekuoreen verrattuna, mutta tDCS ei kuitenkaan ollut suurempi kuin vale. Mitä tulee motoriseen suorituskykyyn, sekä beeta-tACS (20 Hz) että anodi-tDCS M1:n yli voisivat pidentää reaktioaikaa terveillä koehenkilöillä ilman merkittävää eroa haussa. Kuitenkin ihmisillä, joilla on lievä kognitiivinen vajaatoiminta, osoitettiin, että tACS (40 Hz), jota käytetään DLPFC:n päälle 2 mA:lla, lisää beetaaktiivisuutta ja kognitiivista toimintaa verrattuna 2 mA-tDCS:ään ja huijaukseen. tACS näytti olevan parempi kuin tDCS kognitiivisten tulosten parantamisessa.

Toistaiseksi ei ole tehty tutkimusta, jossa verrattaisiin tDCS:n ja tACS:n vaikutuksia aivohalvauspopulaatioon, erityisesti motoriseen suorituskykyyn. Moottorin suorituskyvyn parantamiseksi M1 on yleisin sähköstimulaation kohde. Lisäksi M1-stimulaation yhdessä motorisen harjoittelun on raportoitu parantavan motorista ja kognitiivista suorituskykyä. Tässä tutkimuksessa tutkitaan M1:n päälle yhdistettyjen tDCS:n ja tACS:n vaikutuksia aivokuoren aktiivisuuteen, motorisiin ja kognitiivisiin tuloksiin henkilöillä, joilla on aivohalvaus. subakuutti ja krooninen vaihe 2 vuoden sisällä aivohalvauksen jälkeen. Molemmat tES-tekniikat yhdistetään tavanomaiseen fysioterapiaan 15 istunnon ajan (3 päivää viikossa, 5 viikkoa), minkä jälkeen suoritetaan motorinen harjoittelu ASA:n suosittelemalla tavalla. Kortikaalinen aktiivisuus arvioidaan EEG:llä, ja se toimii ensisijaisena tuloksena. Kunkin taajuuskaistan (alfa, beeta, delta, theta) absoluuttinen spektriteho analysoidaan. Lisäksi aivojen toiminnan analysoinnissa keskitytään aivojen symmetriaindeksiin (BSI), joka edustaa tasapainoa kontralesionaalisen ja ipsilesionaalisen aivopuoliskon välillä. Kliiniset tulokset toimitetaan toissijaisena tuloksena, sillä yläraajojen suorituskyvyn arvioinnit koostuvat yläraajojen Fugl-Meyerin arvioinnista (FMA-UE) ja Wolf Motor Function Testistä (WMFT). Alaraajojen suorituskykyä varten tehdään Fugl-Meyerin alemman (FMA-LE) ja Timed Up and Go -testin (TUG) arviointi. Five Time Sit to Stand (FTST), kävelyanalyysi ja tasapaino käyttämällä Zebris Force Distribution Measurement-T -ohjelmistoa ja alustaa (FDM). Kognitiivista toimintaa tutkii Montreal Cognitive Assessment (MoCA) thai-versiossa. Kaikki tulokset arvioidaan ennen interventiota, sen jälkeen sekä 1 kuukauden ja 3 kuukauden seurannassa.