TES磁気共鳴電流マッピング法におけるメカニズムと線量測定の探索 (TES)

経頭蓋直流刺激 (tDCS) や経頭蓋交流刺激 (tACS) などの経頭蓋電気刺激 (tES) 技術は、脳卒中リハビリテーション、てんかんなどのさまざまな症状や記憶課題の改善に適応されています。 2000 年以来、何千もの tES 研究が発表されてきました1。 典型的な tDCS 手順では、一対の大きな電極 (例: 25cm2) が頭皮に取り付けられ、電極間に 1 ～ 2 mA の定電流が 10 ～ 30 分間流されます。 tACS では、定電流強度は同様ですが、通常は交流正弦波形が使用されます。 これらの手法にはバリエーションが存在します。 たとえば、振動性 tDCS では、一時的に振動する電流が DC オフセット電流と組み合わされます。 経頭蓋ランダムノイズ刺激 (tRNS) では、最大強度が固定された時間的にランダムな電流が適用されます。 これらの経頭蓋電気的神経調節戦略は、脳卒中リハビリテーション、てんかんの治療、健康な被験者の認知能力、運動能力、言語能力、記憶能力を改善するなど、幅広い症状に適応されています。 tDCS と tACS の両方の基礎となるメカニズムの詳細は不明のままです。 tDCS の効果は刺激電極に最も近い脳構造で最大であり、これらの構造は最大の電場または電流の流れを受けると想定されています。 1 mA の電流強度で適用される tDCS では、興奮効果は標的構造上により多くの正極を配置することと広く相関し、陰極の下の構造では抑制効果が観察されることが判明しました。 これは、外部から印加された場が標的組織の静止膜電圧を脱分極または過分極させ、それぞれ興奮性または抑制性の増加を引き起こすためであると仮説が立てられています。 これは、電流強度が増加すると興奮性または抑制性が増加することを示唆しています。 ただし、極性に関係なく、2 mA の強度では興奮性の増加が観察されるという証拠もあります。 観察される効果は、合計の刺激時間にも依存する可能性があります。

tACS では、低周波数 (最大 80 Hz) では、tACS 興奮周波数が、選択された周波数、基礎となる EEG リズムに対する電流印加の電流強度および位相に応じて、興奮性または抑制性の効果を持つニューラルネットワークを同調させる可能性があることがわかっています。 。

tDCS と tACS の両方で被験者間の変動が報告されており、研究の再現性に問題がありました。 被験者の初期状態、個々の神経解剖学的構造、脳脊髄液量の違いに関連する要因とは別に、研究の個々のセッション間の変動への主な寄与、または電極適用プロトコルの不一致の可能性も示唆されています。 特に、生理食塩水の接触媒体を過剰に使用すると、有効電極面積が電極面を超えて増加する可能性があり、固定ストラップが電極よりも薄い場合、接触面積が減少する可能性があります。 電極はセッション中に移動したり、異なる被験者に一貫性なく配置されたりすることもあります。 部位間では、電極の形状、種類、配置が一致しないため、再現性が低下する可能性があります。

外部から加えられた電流によって脳内に形成される正確な分布がわかれば、多くの研究結果が明らかになり、最も重要なことに、メカニズムのより正確な調査が可能になります。 さらに、さまざまな電流印加プロトコル、電極設計、研究手順の影響を簡単に解決できます。 したがって、tDCS または tACS によって形成される電流分布を測定する方法は、このアクティブな分野における多くの質問に答えることになります。

電流の流れの分布を簡単に測定または画像化する方法がないため、流れパターンを予測するために計算モデルが広く使用されてきました。 計算モデルを使用して、電圧分布、電界、または電流の流れに対するさまざまなモンタージュ、電極面積、形状の影響を調査する大規模な文献が存在します。 tDCS 刺激を受ける頭部をモデル化するために、ますます洗練されたアプローチが考案されています。 この分野が成長するにつれて、頭部モデルの複雑さは、均一な球形、球形の 4 コンパートメント、現実的な幾何学形状から、電気刺激を受ける人間の頭部の高解像度異方性モデルへと増加しました。 この最後のカテゴリには、白質の伝導率テンソルを予測するために、MR 画像に基づくソース画像と被験者の拡散強調画像を結合することが含まれます。 これに対する 1 つのアプローチでは、水の並進拡散テンソル固有ベクトルを使用して、白質の導電率の文献値と組み合わせて導電率テンソルの方向を決定します (それらが同一位置にあると仮定して)。 別のアプローチには、白質拡散テンソルを導電率値に直接スケーリングすることが含まれます。 他のほとんどのモデル組織の導電率は、文献にあるバルク組織で測定された値から選択されます。 しかし、これまでのところ、これらのモデルを人間の被験者で検証することはできていません。

tDCS から生じる電流分布を測定するために、いくつかの努力がなされてきました。 最近の論文で、Opitz et al.彼らは、てんかん発作焦点を特定するためにモニタリングされている患者の皮質表面近くに配置された電極アレイを使用して、両側モンタージュ（左右のこめかみ）に配置された電極を介した経頭蓋刺激によって引き起こされる電場分布を測定しました。 tACS は 1 mA の強度で 1 ～ 15 Hz で適用され、最大電場強度は 0.36 および 0.16 mV/mm であることが確認されました。 周波数に依存して導電率がわずかに増加します (約 100 %)。 10%）が観察され、容量性の影響はほとんどありませんでした。 繰り返しになりますが、これらの電界強度は通常、直接組織刺激を引き起こすのに十分ではなく、わずかな脱分極が tDCS 効果の原因である可能性があるという理論を裏付けています。

tES メカニズムを理解しようとしている研究者は、BOLD コントラストの変化によって証明されるように、治療電流の投与と脳活動の相関関係を調査するために fMRI 研究を開始しました 18-20。 この研究の過程で、現在の政権が MR 画像にアーチファクトを作成していることが指摘されました。 別の論文では、fMRI 解析手法を使用して、電流の流れの特徴と相関するボクセル クラスターを見つけました 22。 しかし、これまでのところ、人間の tDCS または tACS 電流密度分布を非侵襲的に直接画像化する試みは行われていません。

Scottらによって提案された電流密度イメージング（CDI）の技術。 (1991) は、磁気共鳴画像の位相部分を、外部から印加された電流によって引き起こされる個々の磁束密度ベクトル成分に変換する方法です。 これらの測定値は、アンペールの法則を使用して電流密度分布を計算するために使用できます。 基本的な CDI 技術では、MR 画像の作成に使用される一連の RF パルスおよび傾斜磁場と連携して、外部電流を被験者に注入する必要があります。 この技術はファントムで実証され、ウサギの脳内の電流の流れを画像化するために使用されました。 残念ながら、磁束密度の 3 つの成分すべてを取得するには、スキャナーのボア内で対象を 2 回回転させる必要があるため、人間には実行できません。

MR 電気インピーダンス断層撮影法 (MREIT) は、人体の電流密度と導電率分布を画像化する方法として過去 10 年にわたって開発されてきました。 CDI と同様に、MREIT では、特定の MR シーケンスと連動して被験者に電流を印加する必要があります。 しかし、MREIT 法では、磁束密度ベクトルの 1 つの成分 (Bz) だけを使用して、被験者の導電率、電場、電流密度の分布を再構築することが可能です。 最近開発された MREIT 法である DT-MREIT は、同じ被験者から収集された MREIT と DTI データを使用して完全な異方性導電率と電流密度分布を再構築するために使用でき、最近イヌで実証されました。

この研究では、調査員は MREIT 手法を使用して以下を生成します。

A. tESの再現性を実証する定量的物理的測定。測定された電流分布に対する電流強度、性別、神経解剖学的差異の影響を調査します。

B. ターゲット構造 (DLPFC) 内で発生した実際の電流密度分布と fMRI 活動測定値の比較。

これらの研究は、次の仮定の最初のテストを提供します。

• tDCS刺激の効果は標的領域で最大になります
• したがって、これらの研究は、tES メカニズムと実践の理解に革命をもたらす可能性を秘めています。

この研究には 3 つの目的があり、1 つは現在の MREIT 取得手順の技術的改善に焦点を当て、もう 1 つは再現性の定量化、さまざまな電流強度での電流分布の測定、そして最後に、電場および電流密度分布と脳活動測定との相関関係の評価を目的としています。 fMRIを使って。

具体的な目的 1 (SA1) MREIT パルス シーケンスの高速化と改善。

具体的な目的 2 (SA2) tDCS/tACS プロトコルの再現性と一貫性 3 つの異なる電流強度で F3 ～ F4 モンタージュを使用して、正常なボランティアで電流密度分布を画像化し、少なくとも 1 週間の間隔で測定を繰り返します。 毎回、モンタージュが再適用され、被写体が再撮影されます。 測定された電流と電場の分布における被験者内および被験者間の両方の変動が測定されます。

具体的な目的 3 (SA3) 機能的測定値と測定された電気分布測定値の相関関係 2 バック/0 バック記憶課題における参加者のパフォーマンスは、1、1.5、または 2 mA の強度刺激のいずれかを使用して、シャム被験者とアクティブ被験者の両方で比較されます。