Misura corticale diretta dell'intensità e del modello del flusso di corrente prodotto da TDCS

La stimolazione cerebrale non invasiva (NBS) rappresenta un insieme promettente di strumenti per la neuroterapia e la riabilitazione. In una ricerca bibliografica, la NBS è stata testata per oltre settanta condizioni neurologiche e psichiatriche. La NBS può integrare i trattamenti medici esistenti, in particolare per le indicazioni neurologiche senza adeguate terapie farmacologiche (ad es. tinnito, discinesie) o per pazienti con malattia farmacoresistente (ad es. epilessia intrattabile, grave depressione).

In particolare, la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) modula l'attività cerebrale erogando corrente unidirezionale a bassa intensità attraverso il cuoio capelluto. Invece di indurre potenziali d'azione, la tDCS modula il potenziale transmembrana neuronale a riposo per influenzare la plasticità cerebrale. Inoltre, da una prospettiva pragmatica, i vantaggi di tDCS includono il basso costo, la portabilità e la facilità d'uso. Inoltre, tDCS può essere facilmente combinato con altri interventi come immagini mentali, interventi cognitivi computerizzati o attività motoria assistita da robot.

L'attuale comprensione fisiologica di come il TDCS influisce sulla plasticità cerebrale a livello sinaptico, cellulare e di rete è limitata. Sperimentalmente, l'attività di attivazione neuronale spontanea sotto l'anodo generalmente aumenta, mentre l'attività di attivazione sotto il catodo diminuisce, sebbene gli effetti precisi dipendano probabilmente dall'orientamento degli assoni rispetto al campo elettrico (Nitsche e Paulus, 2000, Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al., 1962, Purpura e McMurtry, 1965). Gli effetti neuromodulatori della tDCS sono stati anche ampiamente attribuiti a meccanismi di plasticità sinaptica simili a LTP e LTD, che coinvolgono la modulazione dell'attività del recettore NMDA e l'attività dei canali del sodio e del calcio (Hattori et al., 1990, Islam et al., 1995 , Liebetanz et al., 2002). Inoltre, studi di neuroimaging funzionale hanno rivelato effetti di rete locali e distanti indotti dalla tDCS, probabilmente mediati da circuiti interneuronali (Lefaucheur, 2008).

È necessario far avanzare la comprensione meccanicistica dei ricercatori su come la tDCS influisca sull'eccitabilità corticale a livello locale e distribuito per (1) personalizzare i parametri di stimolazione (ad es. dimensione dell'elettrodo, posizionamento, intensità e durata della corrente) per mirare con precisione alle regioni cerebrali e massimizzare i risultati terapeutici, (2) confermare i risultati di sicurezza per le popolazioni di pazienti vulnerabili (ad es. bambini, pazienti con difetti cranici e hardware impiantato). In precedenza, i pazienti con un difetto del cuoio capelluto o del cranio erano esclusi dai protocolli di stimolazione (Bikson, 2012) a causa di un rischio teorico di shunt di corrente attraverso raccolte di CSF altamente conduttive. Tuttavia, i pazienti con lesioni cerebrali penetranti, ictus o precedenti interventi chirurgici al cervello sono proprio quelli che possono beneficiare maggiormente di queste tecnologie.

I modelli computazionali che utilizzano metodi agli elementi finiti (FEM) mirano a determinare il modello e l'intensità del flusso di corrente attraverso il cervello incorporando sia (1) i parametri di stimolazione che (2) le caratteristiche del paziente come l'anatomia sottostante e le proprietà dei tessuti (ad es. dimensioni e posizione del difetto cranico rispetto alla configurazione degli elettrodi) (Bikson 2012). Ad esempio, un modello computazionale che incorpora la configurazione degli elettrodi e le dimensioni e le proprietà del difetto cranico (Datta et al., 2010) prevede che la maggior parte delle configurazioni degli elettrodi che circondano il difetto cranico (con l'eccezione della stimolazione direttamente sopra un piccolo difetto cranico) non aumentare significativamente l'intensità del campo elettrico corticale di picco. Piuttosto, la corrente è diretta ai margini del difetto osseo, il che può essere controproducente per gli obiettivi terapeutici. Un altro caso di studio computazionale su un paziente con ictus ha dimostrato che una lesione da ictus relativamente conduttiva concentrava la corrente nelle aree perilesionali e che il posizionamento dell'elettrodo di riferimento (ad es. dovrebbe, mastoide destro, emisfero orbitofrontale destro e controlaterale) hanno alterato in modo significativo il percorso del flusso di corrente maggiore (Datta et al., 2011).

Tuttavia, queste previsioni di modellazione sono limitate nella loro applicazione clinica, poiché è necessaria la convalida sperimentale. La determinazione quantitativa del campo elettrico a livello del tessuto neurale è necessaria per stabilire l'efficacia e la sicurezza per un dato individuo (Bikson 2012). A conoscenza dei ricercatori, non ci sono studi pubblicati che abbiano confermato empiricamente i modelli previsti e le intensità di flusso attuali previste da questi modelli. Questo studio sperimentale proposto rappresenta il primo nel suo genere a quantificare le intensità di tensione, misurate sulla superficie del cervello, in risposta a vari parametri di stimolazione, e rappresenterà un progresso significativo nel campo della neurostimolazione non invasiva