Exploration des mécanismes et de la dosimétrie dans les méthodes de cartographie des courants par résonance magnétique TES (TES)

Les techniques de stimulation électrique transcrânienne (tES) telles que la stimulation transcrânienne DC (tDCS) et la stimulation transcrânienne AC (tACS) ont été indiquées pour des conditions aussi diverses que la rééducation après un AVC, l'épilepsie et pour l'amélioration des tâches de mémoire. Des milliers d'études tES ont été publiées depuis 20001. Dans les procédures tDCS typiques, une paire de grandes électrodes (par exemple, 25 cm2) est attachée au cuir chevelu et un courant constant de 1 à 2 mA est passé entre elles pendant des périodes de 10 à 30 min. Dans tACS, l'intensité du courant constant est similaire, mais une forme d'onde sinusoïdale alternative est généralement utilisée. Des variantes de ces techniques existent. Par exemple, dans le tDCS oscillatoire, un courant oscillant dans le temps est combiné avec un courant continu de décalage. Dans la stimulation par bruit aléatoire transcrânien (tRNS), des courants temporellement aléatoires avec une intensité maximale fixe sont appliqués. Ces stratégies de neuromodulation électrique transcrânienne ont été indiquées pour un large éventail de conditions, y compris la réadaptation après un AVC, le traitement de l'épilepsie et pour améliorer les performances cognitives, motrices, langagières et mémorielles chez des sujets sains. Les détails des mécanismes sous-jacents de la tDCS et de la tACS restent flous. Il a été supposé que les effets de la tDCS sont les plus importants dans les structures cérébrales les plus proches des électrodes de stimulation et que ces structures subissent les champs électriques ou les flux de courant les plus importants. Dans le tDCS appliqué à des intensités de courant de 1 mA, il a été constaté que les effets excitateurs sont largement corrélés avec le placement d'électrodes plus positives sur une structure ciblée, et des effets inhibiteurs sont observés dans les structures sous cathodes. Il a été émis l'hypothèse que cela est dû au fait que le champ appliqué de l'extérieur dépolarise ou hyperpolarise les tensions de membrane au repos dans les tissus ciblés, entraînant respectivement une excitabilité ou une inhibition accrue. Cela suggère qu'une excitabilité ou une inhibition accrue se produirait lorsque l'intensité du courant est augmentée. Cependant, il existe également des preuves qu'à une intensité de 2 mA, une excitabilité accrue est observée, quelle que soit la polarité. Les effets observés peuvent également dépendre du temps total de stimulation.

Dans le tACS, il a été constaté qu'aux basses fréquences (jusqu'à 80 Hz), les fréquences d'excitation du tACS peuvent entraîner des réseaux de neurones avec des effets excitateurs ou inhibiteurs qui dépendent de la fréquence choisie, de l'intensité du courant et de la phase d'application du courant par rapport aux rythmes EEG sous-jacents. .

La variabilité inter-sujets a été rapportée à la fois dans le tDCS et le tACS, et la reproductibilité de l'étude a été problématique. Outre les facteurs liés à l'état initial du sujet, à la neuroanatomie individuelle et aux différences de volume de liquide céphalo-rachidien, il a également été suggéré que des contributions majeures à la variabilité entre les sessions individuelles d'une étude ou peuvent être des incohérences dans le protocole d'application des électrodes. En particulier, une utilisation excessive du milieu de contact salin peut entraîner une augmentation de la surface d'électrode effective au-delà de la face de l'électrode, et si les sangles de fixation sont plus minces que les électrodes, la surface de contact peut être réduite. Les électrodes peuvent également bouger pendant les séances ou être placées de manière incohérente sur différents sujets. Entre les sites, la reproductibilité peut être dégradée car les formes, les types et les emplacements des électrodes ne sont pas cohérents.

La connaissance de la distribution exacte formée dans le cerveau par les courants appliqués de l'extérieur clarifierait de nombreux résultats d'études et, surtout, permettrait des explorations plus précises du mécanisme. En outre, les effets des différents protocoles d'application actuels, des conceptions d'électrodes et des procédures d'étude pourraient facilement être résolus. Ainsi, une méthode de mesure des distributions de courant formées par tDCS ou tACS répondrait à de nombreuses questions dans ce domaine actif.

En l'absence de méthodes permettant de mesurer ou d'imager facilement les distributions de flux de courant, des modèles informatiques ont été largement utilisés pour prédire les modèles de flux. Il existe une importante littérature utilisant des modèles informatiques pour explorer les effets de différents montages, zones d'électrodes et géométries sur les distributions de tension, les champs électriques ou le flux de courant. Des approches de plus en plus sophistiquées ont été imaginées pour modéliser la tête soumise à la stimulation tDCS. Au fur et à mesure que le domaine s'est développé, la complexité des modèles de tête a augmenté, passant d'une géométrie sphérique uniforme, sphérique à quatre compartiments et réaliste, à des modèles anisotropes à haute résolution de la tête humaine soumise à une stimulation électrique. Cette dernière catégorie a impliqué la fusion d'images sources basées sur des images MR avec des images pondérées en diffusion du sujet pour prédire les tenseurs de conductivité de la matière blanche. Une approche à cet égard utilise des vecteurs propres de tenseur de diffusion translationnelle de l'eau pour déterminer la direction du tenseur de conductivité (en supposant qu'ils sont co-alignés) en combinaison avec les valeurs de la littérature des conductivités de la matière blanche. Une autre approche implique une mise à l'échelle directe du tenseur de diffusion de la substance blanche aux valeurs de conductivité. La plupart des autres conductivités tissulaires modèles sont choisies à partir de valeurs mesurées sur des tissus en vrac dans la littérature. Cependant, à ce jour, aucune validation de ces modèles n'a été possible chez des sujets humains.

Certains efforts ont été faits pour mesurer les distributions actuelles résultant de tDCS. Dans un article récent, Opitz et al. distributions mesurées du champ électrique causées par la stimulation transcrânienne via des électrodes placées dans un montage bilatéral (tempes gauche et droite) à l'aide de réseaux d'électrodes placés près de la surface corticale des patients surveillés pour identifier les foyers de crise d'épilepsie. tACS a été appliqué à 1-15 Hz avec une intensité de 1 mA, et des intensités de champ électrique maximales de 0,36 et 0,16 mV/mm ont été identifiées. Une légère augmentation de la conductivité en fonction de la fréquence (env. 10%) a été observé, et peu d'effet capacitif. Encore une fois, ces intensités de champ ne seraient normalement pas suffisantes pour provoquer une stimulation directe des tissus et étayer les théories selon lesquelles de légères dépolarisations pourraient être responsables des effets du tDCS.

Les chercheurs cherchant à comprendre les mécanismes du tES ont lancé des études d'IRMf pour étudier la corrélation entre l'administration de courant thérapeutique et l'activité cérébrale, comme en témoignent les changements dans le contraste BOLD18-20. Au cours de cette recherche, il a été noté que l'administration actuelle crée des artefacts sur les images RM. Dans un autre article, des méthodes d'analyse IRMf ont été utilisées pour trouver des clusters de voxels en corrélation avec les caractéristiques de flux de courant22. Cependant, à ce jour, il n'y a eu aucune tentative d'imagerie non invasive des distributions de densité de courant tDCS ou tACS chez l'homme directement.

La technique d'imagerie de densité de courant (CDI) telle que suggérée par Scott et al. (1991) est une méthode pour traduire la partie de phase des images de résonance magnétique en composants vectoriels de densité de flux magnétique individuels provoqués par un flux de courant appliqué de l'extérieur. Ces mesures peuvent ensuite être utilisées pour calculer les distributions de densité de courant en utilisant la loi d'Ampère. La technique CDI de base nécessite que le courant externe soit injecté dans les sujets de concert avec une séquence d'impulsions RF et de champs de gradient utilisés pour créer des images RM. La technique a été démontrée dans des fantômes et utilisée pour imager le flux de courant dans un cerveau de lapin. Malheureusement, cela est irréalisable chez l'homme en raison de la nécessité de faire pivoter le sujet deux fois à l'intérieur de l'alésage du scanner afin d'obtenir les trois composantes de la densité de flux magnétique.

La tomographie par impédance électrique MR (MREIT) a été développée au cours de la dernière décennie en tant que méthode d'imagerie de la densité de courant et des distributions de conductivité dans le corps humain. Comme dans CDI, MREIT exige que le courant soit appliqué à un sujet en conjonction avec une séquence MR particulière. Cependant, les méthodes MREIT permettent de reconstruire les distributions de conductivité, de champ électrique et de densité de courant chez les sujets en utilisant une seule composante (Bz) des vecteurs de densité de flux magnétique. Une méthode MREIT récemment développée, DT-MREIT, peut être utilisée pour reconstruire les conductivités anisotropes complètes et les distributions de densité de courant à l'aide des données MREIT et DTI recueillies auprès du même sujet, et a récemment été démontrée chez les chiens.

Dans ce travail, les enquêteurs utiliseront les méthodes MREIT pour produire :

A. Mesures physiques quantitatives démontrant la reproductibilité tES, explorant les effets de l'intensité du courant, du sexe et des différences neuroanatomiques sur les distributions de courant mesurées.

B. Comparaisons des distributions de densité de courant réelles développées dans une structure cible (DLPFC) avec des mesures d'activité IRMf.

Ces études fourniront les premiers tests des hypothèses selon lesquelles

• les effets de la stimulation tDCS sont les plus importants dans la région ciblée
• que le champ et le flux de courant les plus importants se trouvent dans la région ciblée. Ces études ont donc le potentiel de révolutionner la compréhension des mécanismes et de la pratique des tES.

Ce travail a trois objectifs, l'un axé sur les améliorations techniques de nos procédures d'acquisition MREIT actuelles, un autre visant à quantifier la réplicabilité, à mesurer les distributions de flux de courant à différentes intensités de courant, et enfin, à évaluer les corrélations des distributions de champ électrique et de densité de courant avec les mesures de l'activité cérébrale. à l'aide de l'IRMf.

Objectif spécifique 1 (SA1) Accélération et améliorations de la séquence d'impulsions MREIT.

Objectif spécifique 2 (SA2) Réplicabilité et cohérence dans les protocoles tDCS/tACS Les distributions de densité de courant seront imagées chez des volontaires normaux à l'aide d'un montage F3-F4 avec trois intensités de courant différentes, et répéteront la mesure à des intervalles d'au moins une semaine. A chaque fois, le montage sera réappliqué et les sujets réimaginés. Les variations intra- et inter-sujets des distributions de courant et de champ électrique mesurées seront déterminées.

Objectif spécifique 3 (SA3) Corrélation des mesures fonctionnelles avec les mesures de distribution électrique mesurées Les performances des participants sur une tâche de mémoire 2 dos/0 dos seront comparées chez les sujets fictifs et actifs, en utilisant une stimulation d'intensité de 1, 1,5 ou 2 mA.