Esplorazione del meccanismo e della dosimetria nei metodi di mappatura della corrente di risonanza magnetica TES (TES)

Le tecniche di stimolazione elettrica transcranica (tES) come la stimolazione DC transcranica (tDCS) e la stimolazione AC transcranica (tACS) sono state indicate per condizioni diverse come la riabilitazione dell'ictus, l'epilessia e per miglioramenti nei compiti di memoria. Migliaia di studi tES sono stati pubblicati dal 20001. Nelle tipiche procedure tDCS una coppia di elettrodi di grandi dimensioni (ad esempio, 25 cm2) è attaccata al cuoio capelluto e una corrente costante di 1-2 mA è passata tra di loro per periodi di 10-30 min. In tACS, l'intensità di corrente costante è simile, ma di solito viene impiegata una forma d'onda sinusoidale alternata. Esistono variazioni su queste tecniche. Ad esempio, nella tDCS oscillatoria, una corrente temporalmente oscillante è combinata con una corrente DC offset. Nella stimolazione del rumore casuale transcranico (tRNS) vengono applicate correnti temporalmente casuali con un'intensità massima fissa. Queste strategie di neuromodulazione elettrica transcranica sono state indicate per un'ampia gamma di condizioni, tra cui la riabilitazione dell'ictus, il trattamento dell'epilessia e per migliorare le prestazioni cognitive, motorie, del linguaggio e della memoria in soggetti sani. I dettagli dei meccanismi alla base di tDCS e tACS rimangono poco chiari. Si è ipotizzato che gli effetti della tDCS siano maggiori nelle strutture cerebrali più vicine agli elettrodi stimolanti e che queste strutture subiscano i campi elettrici o il flusso di corrente più ampi. In tDCS applicato a intensità di corrente di 1 mA, è stato riscontrato che gli effetti eccitatori sono ampiamente correlati al posizionamento di più elettrodi positivi su una struttura mirata e si osservano effetti inibitori nelle strutture sotto i catodi. È stato ipotizzato che ciò sia dovuto al fatto che il campo applicato esternamente depolarizza o iperpolarizza le tensioni di membrana a riposo nel tessuto bersaglio, portando rispettivamente a una maggiore eccitabilità o inibizione. Ciò suggerisce che una maggiore eccitabilità o inibizione risulterebbe quando l'intensità della corrente viene aumentata. Tuttavia, ci sono anche prove che a 2 mA di intensità si osserva un aumento dell'eccitabilità, indipendentemente dalla polarità. Gli effetti osservati possono anche dipendere dal tempo totale di stimolazione.

In tACS, è stato riscontrato che a basse frequenze (fino a 80 Hz) le frequenze di eccitazione tACS possono trascinare reti neurali con effetti eccitatori o inibitori che dipendono dalla frequenza scelta, dall'intensità della corrente e dalla fase di applicazione della corrente relativa ai ritmi EEG sottostanti .

La variabilità tra soggetti è stata segnalata sia in tDCS che in tACS e la riproducibilità dello studio è stata problematica. Oltre ai fattori relativi allo stato iniziale del soggetto, alla neuroanatomia individuale e alle differenze nel volume del liquido cerebrospinale, è stato anche suggerito che i maggiori contributi alla variabilità tra le singole sessioni di uno studio o possano essere incoerenze nel protocollo di applicazione degli elettrodi. In particolare, l'uso eccessivo del mezzo di contatto salino può comportare un aumento dell'area effettiva dell'elettrodo oltre la faccia dell'elettrodo e, se le cinghie di fissaggio sono più sottili degli elettrodi, l'area di contatto può ridursi. Gli elettrodi possono anche muoversi durante le sessioni o essere posizionati in modo incoerente su soggetti diversi. Tra i siti, la riproducibilità può essere compromessa perché le forme, i tipi e i posizionamenti degli elettrodi non sono coerenti.

La conoscenza dell'esatta distribuzione formata all'interno del cervello dalle correnti applicate dall'esterno chiarirebbe molti risultati dello studio e, soprattutto, consentirebbe esplorazioni più precise del meccanismo. Inoltre, gli effetti dei diversi protocolli applicativi attuali, design degli elettrodi e procedure di studio potrebbero essere facilmente risolti. Pertanto, un metodo per misurare le distribuzioni di corrente formate da tDCS o tACS risponderebbe a molte domande in questo campo attivo.

In assenza di metodi per misurare o visualizzare facilmente le distribuzioni del flusso di corrente, i modelli computazionali sono stati ampiamente utilizzati per prevedere i modelli di flusso. Esiste un'ampia letteratura che utilizza modelli computazionali per esplorare gli effetti di diversi montaggi, aree di elettrodi e geometrie su distribuzioni di tensione, campi elettrici o flusso di corrente. Sono stati ideati approcci sempre più sofisticati per modellare la testa soggetta a stimolazione tDCS. Man mano che il campo è cresciuto, la complessità del modello di testa è aumentata da geometria sferica uniforme, sferica a quattro compartimenti, realistica, a modelli anisotropici ad alta risoluzione della testa umana soggetta a stimolazione elettrica. Quest'ultima categoria ha comportato la fusione di immagini sorgente basate su immagini MR con immagini pesate in diffusione del soggetto per prevedere i tensori di conduttività della materia bianca. Un approccio a questo utilizza autovettori del tensore di diffusione traslazionale dell'acqua per determinare la direzione del tensore di conducibilità (supponendo che siano co-allineati) in combinazione con i valori della letteratura delle conducibilità della sostanza bianca. Un altro approccio prevede il ridimensionamento diretto del tensore di diffusione della sostanza bianca ai valori di conducibilità. La maggior parte degli altri modelli di conducibilità dei tessuti sono scelti dai valori misurati sui tessuti sfusi in letteratura. Tuttavia, fino ad oggi nessuna validazione di questi modelli è stata possibile in soggetti umani.

Sono stati compiuti alcuni sforzi per misurare le distribuzioni correnti risultanti da tDCS. In un recente articolo, Opitz et al. ha misurato le distribuzioni del campo elettrico causate dalla stimolazione transcranica tramite elettrodi posizionati in un montaggio bilaterale (tempie sinistra e destra) utilizzando array di elettrodi posizionati vicino alla superficie corticale dei pazienti monitorati per identificare focolai di crisi epilettiche. tACS è stato applicato a 1-15 Hz con un'intensità di 1 mA e sono state identificate intensità di campo elettrico massime di 0,36 e 0,16 mV/mm. Un leggero aumento della conduttività dipendente dalla frequenza (ca. 10%) e poco effetto capacitivo. Ancora una volta, queste intensità di campo non sarebbero normalmente sufficienti per causare la stimolazione diretta dei tessuti e supportano le teorie secondo cui lievi depolarizzazioni potrebbero essere responsabili degli effetti tDCS.

I ricercatori che cercano di comprendere i meccanismi tES hanno avviato studi fMRI per studiare la correlazione tra la somministrazione di corrente terapeutica e l'attività cerebrale, come evidenziato dai cambiamenti nel contrasto BOLD18-20. Nel corso di questa ricerca è stato notato che l'attuale amministrazione crea artefatti sulle immagini RM. In un altro documento, sono stati utilizzati metodi di analisi fMRI per trovare cluster di voxel correlati alle caratteristiche del flusso corrente22. Tuttavia, fino ad oggi, non ci sono stati tentativi di visualizzare in modo non invasivo le distribuzioni di densità di corrente tDCS o tACS direttamente negli esseri umani.

La tecnica del Current Density Imaging (CDI) suggerita da Scott et al. (1991) è un metodo per tradurre la parte di fase delle immagini di risonanza magnetica in singole componenti del vettore di densità del flusso magnetico causate da un flusso di corrente applicato esternamente. Queste misurazioni possono quindi essere utilizzate per calcolare le distribuzioni di densità di corrente utilizzando la legge di Ampere. La tecnica CDI di base richiede che la corrente esterna venga iniettata nei soggetti in concerto con una sequenza di impulsi RF e campi gradiente utilizzati per creare immagini RM. La tecnica è stata dimostrata nei fantasmi e utilizzata per visualizzare il flusso di corrente nel cervello di un coniglio. Sfortunatamente, non è fattibile negli esseri umani a causa della necessità di ruotare il soggetto due volte all'interno del foro dello scanner per ottenere tutti e tre i componenti della densità del flusso magnetico.

La tomografia a impedenza elettrica MR (MREIT) è stata sviluppata nell'ultimo decennio come metodo per l'imaging della densità di corrente e delle distribuzioni di conduttività nel corpo umano. Come in CDI, MREIT richiede che la corrente venga applicata a un soggetto insieme a una particolare sequenza MR. Tuttavia, i metodi MREIT consentono di ricostruire le distribuzioni di conducibilità, campo elettrico e densità di corrente nei soggetti utilizzando una sola componente (Bz) dei vettori di densità di flusso magnetico. Un metodo MREIT sviluppato di recente, DT-MREIT, può essere utilizzato per ricostruire conducibilità anisotrope complete e distribuzioni di densità di corrente utilizzando i dati MREIT e DTI raccolti dallo stesso soggetto ed è stato recentemente dimostrato nei canini.

In questo lavoro, i ricercatori utilizzeranno i metodi MREIT per produrre:

A. Misure fisiche quantitative che dimostrano la riproducibilità di tES, esplorando gli effetti dell'intensità di corrente, del sesso e delle differenze neuroanatomiche sulle distribuzioni di corrente misurate.

B. Confronti delle distribuzioni di densità di corrente effettive sviluppate in una struttura bersaglio (DLPFC) con misure di attività fMRI.

Questi studi forniranno i primi test delle ipotesi che

• gli effetti della stimolazione tDCS sono maggiori nella regione target
• che il campo e il flusso di corrente più grandi si trovano nella regione target Questi studi hanno quindi il potenziale per rivoluzionare la comprensione dei meccanismi e della pratica tES.

Questo lavoro ha tre obiettivi, uno incentrato sui miglioramenti tecnici nelle nostre attuali procedure di acquisizione MREIT, un altro mirato a quantificare la replicabilità, misurare le distribuzioni del flusso di corrente a diverse intensità di corrente e, infine, valutare le correlazioni del campo elettrico e le distribuzioni di densità di corrente con misure di attività cerebrale utilizzando fMRI.

Obiettivo specifico 1 (SA1) Accelerazione e miglioramenti della sequenza di impulsi MREIT.

Obiettivo specifico 2 (SA2) Replicabilità e coerenza nei protocolli tDCS/tACS Le distribuzioni di densità di corrente saranno visualizzate in volontari normali utilizzando un montaggio F3-F4 con tre diverse intensità di corrente e ripetendo la misura ad intervalli di almeno una settimana. Ogni volta, il montaggio verrà riapplicato e i soggetti ricreati. Saranno determinate le variazioni sia intra- che inter-soggettive della corrente misurata e delle distribuzioni del campo elettrico.

Obiettivo specifico 3 (SA3) Correlazione delle misure funzionali con le misure di distribuzione elettrica misurate Le prestazioni dei partecipanti su un compito di memoria 2-back/0-back saranno confrontate in entrambi i soggetti Sham e Active, utilizzando una stimolazione di intensità di 1, 1,5 o 2 mA.