TES 자기 공명 전류 매핑 방법의 메커니즘 및 선량 측정 탐색 (TES)

경두개 DC 자극(tDCS) 및 경두개 AC 자극(tACS)과 같은 경두개 전기 자극(tES) 기술은 뇌졸중 재활, 간질 및 기억력 향상과 같은 다양한 상태에 대해 표시되었습니다. 20001년 이후 수천 건의 tES 연구가 발표되었습니다. 일반적인 tDCS 절차에서는 한 쌍의 큰 전극(예: 25cm2)이 두피에 부착되고 10-30분 동안 그들 사이에 1-2mA의 정전류가 전달됩니다. tACS에서 정전류 강도는 비슷하지만 교류 정현파가 일반적으로 사용됩니다. 이러한 기술에 대한 변형이 존재합니다. 예를 들어, 진동 tDCS에서 일시적으로 진동하는 전류는 DC 오프셋 전류와 결합됩니다. 경두개 무작위 잡음 자극(tRNS)에서는 고정된 최대 강도를 가진 일시적 무작위 전류가 적용됩니다. 이러한 경두개 전기 신경조절 전략은 뇌졸중 재활, 간질 치료, 건강한 대상의 인지, 운동 및 언어 및 기억력 향상을 포함한 다양한 조건에 대해 표시되었습니다. tDCS와 tACS의 기본 메커니즘에 대한 자세한 내용은 아직 명확하지 않습니다. tDCS의 효과는 자극 전극에 가장 가까운 뇌 구조에서 가장 크고 이러한 구조에서 가장 큰 전기장 또는 전류 흐름이 발생한다고 가정했습니다. 1mA 전류 강도에서 적용된 tDCS에서 흥분 효과는 대상 구조 위에 더 많은 양극의 배치와 광범위하게 상관 관계가 있으며 억제 효과는 음극 아래의 구조에서 관찰됩니다. 이는 외부에서 인가된 필드가 표적 조직의 휴식 막 전압을 탈분극화하거나 과분극화하여 흥분성 또는 억제를 각각 증가시키기 때문이라는 가설을 세웠습니다. 이것은 전류 강도가 증가할 때 흥분성 또는 억제가 증가할 것임을 시사합니다. 그러나 극성에 관계없이 2mA 강도에서 증가된 흥분성이 관찰된다는 증거도 있습니다. 관찰된 효과는 총 자극 시간에 따라 달라질 수도 있습니다.

tACS에서 낮은 주파수(최대 80Hz)에서 tACS 여기 주파수는 선택한 주파수, 현재 강도 및 기본 EEG 리듬과 관련된 전류 적용 단계에 따라 흥분 또는 억제 효과가 있는 신경망을 동반할 수 있음이 밝혀졌습니다. .

tDCS와 tACS 모두에서 피험자 간 가변성이 보고되었으며 연구 재현성에 문제가 있었습니다. 피험자 초기 상태, 개별 신경해부학 및 뇌척수액 체적의 차이와 관련된 요인 외에도 연구의 개별 세션 간의 가변성에 대한 주요 기여 또는 전극 적용 프로토콜의 불일치일 수 있음이 제안되었습니다. 특히 식염수 접촉매체를 과도하게 사용하면 유효전극면적이 전극면을 넘어 증가할 수 있으며, 체결끈이 전극보다 얇을 경우 접촉면적이 줄어들 수 있습니다. 전극은 또한 세션 중에 움직이거나 다른 주제에 일관되지 않게 배치될 수 있습니다. 부위간 전극의 모양, 종류, 배치가 일정하지 않아 재현성이 떨어질 수 있습니다.

외부에서 인가된 전류에 의해 뇌 내에서 형성되는 정확한 분포에 대한 지식은 많은 연구 결과를 명확히 할 것이며 가장 중요한 것은 더 정확한 메커니즘 탐색을 가능하게 할 것입니다. 또한, 다양한 전류 적용 프로토콜, 전극 설계 및 연구 절차의 영향을 쉽게 해결할 수 있습니다. 따라서 tDCS 또는 tACS에 의해 형성된 전류 분포를 측정하는 방법은 이 활성 필드에서 많은 질문에 답할 것입니다.

전류 흐름 분포를 쉽게 측정하거나 이미지화하는 방법이 없는 경우, 계산 모델이 흐름 패턴을 예측하는 데 광범위하게 사용되었습니다. 다양한 몽타주, 전극 영역 및 기하학이 전압 분포, 전기장 또는 전류 흐름에 미치는 영향을 탐구하기 위해 계산 모델을 사용하는 대규모 문헌이 존재합니다. tDCS 자극을 받는 머리 주제를 모델링하기 위해 점점 더 정교한 접근 방식이 고안되었습니다. 분야가 성장함에 따라 머리 모델의 복잡성은 구형 균일, 구형 4구획, 사실적인 기하학에서 전기 자극을 받는 인간 머리의 고해상도 이방성 모델로 증가했습니다. 이 마지막 범주는 백질 전도도 텐서를 예측하기 위해 피사체의 확산 가중 이미지와 MR 이미지를 기반으로 소스 이미지를 병합하는 것과 관련이 있습니다. 이것에 대한 한 가지 접근법은 백질 전도도의 문헌 값과 조합하여 전도도 텐서의 방향을 결정하기 위해 물 변환 확산 텐서 고유 벡터를 사용합니다(동일 정렬되었다고 가정). 또 다른 접근 방식은 백질 확산 텐서를 전도도 값으로 직접 스케일링하는 것입니다. 대부분의 다른 모델 조직 전도도는 문헌의 벌크 조직에서 측정된 값에서 선택됩니다. 그러나 현재까지 이러한 모델의 검증은 인간 대상에서 가능하지 않았습니다.

tDCS로 인한 전류 분포를 측정하기 위해 일부 노력이 이루어졌습니다. 최근 논문에서 Opitz et al. 간질 발작 병소를 식별하기 위해 모니터링되는 환자의 피질 표면 근처에 배치된 전극 어레이를 사용하여 양측 몽타주(왼쪽 및 오른쪽 관자놀이)에 배치된 전극을 통한 경두개 자극으로 인한 전기장 분포를 측정했습니다. tACS는 1mA의 세기로 1-15Hz에서 인가되었고, 0.36 및 0.16mV/mm의 최대 전기장 세기가 확인되었다. 약간의 주파수 의존 전도도 증가(ca. 10%)이 관찰되었고 용량성 효과는 거의 없었다. 다시 말하지만, 이러한 전계 강도는 일반적으로 직접적인 조직 자극을 유발하기에 충분하지 않으며 약간의 탈분극이 tDCS 효과의 원인이 될 수 있다는 이론을 뒷받침합니다.

tES 메커니즘을 이해하고자 하는 연구자들은 BOLD 대조18-20의 변화에 ​​의해 입증된 바와 같이 치료 전류 관리와 뇌 활동의 상관관계를 조사하기 위해 fMRI 연구를 시작했습니다. 이 연구 과정에서 현재 행정부가 MR 이미지에 아티팩트를 생성한다는 사실이 지적되었습니다. 다른 논문에서는 fMRI 분석 방법을 사용하여 현재 흐름 특징과 관련된 복셀 클러스터를 찾았습니다. 그러나 지금까지 인간의 tDCS 또는 tACS 전류 밀도 분포를 직접 비침습적으로 이미지화하려는 시도는 없었습니다.

Scott 등이 제안한 CDI(Current Density Imaging) 기술. (1991)은 자기공명영상의 위상 부분을 외부에서 인가된 전류 흐름에 의해 발생하는 개별 자속 밀도 벡터 성분으로 변환하는 방법이다. 그런 다음 이러한 측정값을 사용하여 암페어의 법칙을 사용하여 전류 밀도 분포를 계산할 수 있습니다. 기본 CDI 기술은 MR 이미지를 생성하는 데 사용되는 일련의 RF 펄스 및 기울기 필드와 함께 피험자에게 외부 전류를 주입해야 합니다. 이 기술은 팬텀에서 시연되었으며 토끼 뇌의 전류 흐름을 이미지화하는 데 사용되었습니다. 불행하게도 자속 밀도의 세 가지 구성 요소를 모두 얻기 위해 스캐너 보어 내부에서 피사체를 두 번 회전시켜야 하기 때문에 인간에게는 불가능합니다.

MR 전기 임피던스 단층 촬영(MREIT)은 인체의 전류 밀도 및 전도도 분포를 이미징하기 위한 방법으로 지난 10년 동안 개발되었습니다. CDI에서와 같이 MREIT는 특정 MR 시퀀스와 함께 대상에 전류를 적용해야 합니다. 그러나 MREIT 방법을 사용하면 자속 밀도 벡터의 한 구성 요소(Bz)만 사용하여 대상의 전도도, 전기장 및 전류 밀도 분포를 재구성할 수 있습니다. 최근 개발된 MREIT 방법인 DT-MREIT는 동일한 주제에서 수집된 MREIT 및 DTI 데이터를 사용하여 전체 이방성 전도도 및 전류 밀도 분포를 재구성하는 데 사용할 수 있으며 최근 개에서 시연되었습니다.

이 작업에서 조사자는 MREIT 방법을 사용하여 다음을 생성합니다.

A. tES 재현성을 입증하는 정량적 물리적 측정, 측정된 전류 분포에 대한 전류 강도, 성별 및 신경해부학적 차이의 영향을 탐색합니다.

B. 표적 구조(DLPFC)에서 개발된 실제 전류 밀도 분포와 fMRI 활동 측정치의 비교.

이러한 연구는 다음과 같은 가정에 대한 첫 번째 테스트를 제공할 것입니다.

• tDCS 자극의 효과는 표적 지역에서 가장 큽니다
• 목표 지역에서 가장 큰 필드와 전류 흐름이 발견되므로 이러한 연구는 tES 메커니즘과 실행에 대한 이해를 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

이 작업에는 세 가지 목표가 있습니다. 하나는 현재 MREIT 획득 절차의 기술적 개선에 초점을 맞추고, 다른 하나는 반복성을 정량화하고, 다른 전류 강도에서 전류 흐름 분포를 측정하고, 마지막으로 뇌 활동 측정과 전기장 및 전류 밀도 분포의 상관 관계를 평가하는 것입니다. fMRI를 사용하여

특정 목표 1(SA1) MREIT 펄스 시퀀스 가속 및 개선.

SA2(Specific Aim 2) Replicability and Consistency in tDCS/tACS Protocols 현재 밀도 분포는 F3-F4 몽타주를 사용하여 세 가지 다른 전류 강도를 사용하여 일반 지원자에서 이미지화되고 최소 1주일 간격으로 측정을 반복합니다. 매번 몽타주가 다시 적용되고 대상이 다시 이미지화됩니다. 측정된 전류 및 전기장 분포의 개체 내 및 개체 간 변동이 모두 결정됩니다.

특정 목표 3(SA3) 측정된 전기 분배 측정과 기능적 측정의 상관 관계 2백/0백 메모리 작업에 대한 참가자의 성능은 1, 1.5 또는 2mA 강도 자극을 사용하여 가짜 및 활성 대상 모두에서 비교됩니다.