TDCS によって生成される電流の強度とパターンの皮質の直接測定

非侵襲的脳刺激 (NBS) は、神経治療とリハビリテーションのための有望なツールのセットです。 文献検索では、NBS は 70 を超える神経学的および精神的症状に対してテストされています。 NBS は、特に適切な薬物療法（例: 耳鳴り、ジスキネジア）、または薬剤耐性疾患の患者（例： 難治性てんかん、重度のうつ病）。

特に、経頭蓋直流刺激 (tDCS) は、頭皮に低強度の一方向電流を送達することで脳の活動を調節します。 tDCS は活動電位を誘導するのではなく、安静時ニューロンの膜貫通電位を調節して脳の可塑性に影響を与えます。 さらに、実用的な観点から見ると、tDCS の利点には、低コスト、移植性、使いやすさが含まれます。 さらに、tDCS は、心的イメージ、コンピュータによる認知的介入、ロボット支援による運動活動などの他の介入と簡単に組み合わせることができます。

TDCS がシナプス、細胞、ネットワークレベルで脳の可塑性にどのような影響を与えるかについての現在の生理学的理解は限られています。 実験的には、陽極下での自発的なニューロン発火活動は一般に増加するが、陰極下での発火活動は減少するが、正確な効果はおそらく電場に対する軸索の向きに依存する(Nitsche and Paulus, 2000、Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al.、1962、Purpura および McMurtry、1965)。 tDCS の神経調節効果は、NMDA 受容体活性の調節やナトリウムおよびカルシウムチャネル活性を含む、シナプス可塑性の LTP および LTD 様機構にも広く起因すると考えられています (Hattori et al., 1990、Islam et al., 1995) 、リーベタンツら、２００２）。 さらに、機能的神経画像研究により、おそらくニューロン間回路によって媒介される、tDCSによって誘発される局所的および遠隔的ネットワーク効果の両方が明らかになった(Lefaucheur, 2008)。

tDCS が局所および分散レベルで皮質の興奮性にどのような影響を与えるかについて研究者らの機構的理解を進めるには、(1) 刺激パラメーター (例: 刺激パラメーター) をカスタマイズする必要があります。 電極のサイズ、位置、電流の強さ、持続時間など）を正確に脳領域を標的にし、治療結果を最大化するため、（2）脆弱な患者集団（例： 子供、頭蓋骨欠損およびインプラントされたハードウェアのある患者）。 これまで、頭皮または頭蓋骨に欠損のある患者は、導電性の高いCSF採取による電流短絡の理論的リスクのため、刺激プロトコルから除外されてきました(Bikson、2012)。 しかし、貫通性脳損傷、脳卒中、または過去に脳手術を受けた患者こそが、これらのテクノロジーから最も恩恵を受ける可能性がある患者です。

有限要素法 (FEM) を使用した計算モデルは、(1) 刺激パラメーターと (2) 根底にある解剖学的構造や組織特性 (例: 電極構成に対する頭蓋骨欠損のサイズと位置）（Bikson 2012）。 例えば、電極構成と頭蓋骨欠損のサイズおよび特性を組み込んだ 1 つの計算モデル (Datta et al., 2010) では、頭蓋骨欠損を囲む電極構成の大部分 (小さな頭蓋骨欠損の上部を直接刺激する場合を除く) が、皮質電場のピーク強度を大幅に増加させることはありません。 むしろ、電流は骨欠損の端に向けられるため、治療目標に対して逆効果となる可能性があります。 脳卒中患者に関する別の計算ケーススタディでは、比較的導電性の脳卒中病変では電流が病変周囲領域に集中し、参照電極の配置（例: 右肩、右乳様突起、右眼窩前頭、および対側半球）は、最大電流の流れの経路を大幅に変更しました（Datta et al.、2011）。

ただし、実験による検証が必要であるため、これらのモデリング予測は臨床応用には制限があります。 特定の個人に対する有効性と安全性を確立するには、神経組織レベルでの電場の定量的決定が必要です (Bikson 2012)。 研究者の知る限り、これらのモデルによって予測された予測パターンと電流強度を経験的に確認した発表された研究はありません。 この提案された実験研究は、さまざまな刺激パラメータに応じて脳表面で測定される電圧強度を定量化する初めての研究であり、非侵襲性神経刺激の分野における大きな進歩となるでしょう。