Directe corticale meting van de intensiteit en het patroon van de stroom geproduceerd door TDCS

Niet-invasieve hersenstimulatie (NBS) vertegenwoordigt een veelbelovende reeks hulpmiddelen voor neurotherapeutica en revalidatie. In een literatuuronderzoek is NBS getest op meer dan zeventig neurologische en psychiatrische aandoeningen. NBS kan bestaande medische behandelingen aanvullen, vooral voor neurologische indicaties zonder geschikte farmacotherapieën (bijv. tinnitus, dyskinesieën) of voor patiënten met een farmacoresistente ziekte (bijv. hardnekkige epilepsie, ernstige depressie).

In het bijzonder moduleert transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) de hersenactiviteit door eenrichtingsstroom van lage intensiteit door de hoofdhuid te sturen. In plaats van actiepotentialen te induceren, moduleert tDCS het rustende neuronale transmembraanpotentieel om de plasticiteit van de hersenen te beïnvloeden. Bovendien zijn de voordelen van tDCS vanuit een pragmatisch perspectief onder meer de lage kosten, draagbaarheid en gebruiksgemak. Bovendien kan tDCS gemakkelijk worden gecombineerd met andere interventies, zoals mentale beeldvorming, computergestuurde cognitieve interventies of robotondersteunde motorische activiteit.

Het huidige fysiologische begrip van hoe TDCS de plasticiteit van de hersenen beïnvloedt op synaptisch, cellulair en netwerkniveau is beperkt. Experimenteel neemt de spontane neuronale afvuuractiviteit onder de anode over het algemeen toe, terwijl de afvuuractiviteit onder de kathode afneemt, hoewel de precieze effecten waarschijnlijk afhangen van de oriëntatie van de axonen ten opzichte van het elektrische veld (Nitsche en Paulus, 2000; Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al., 1962, Purpura en McMurtry, 1965). De neuromodulerende effecten van tDCS zijn ook algemeen toegeschreven aan LTP- en LTD-achtige mechanismen van synaptische plasticiteit, waarbij de NMDA-receptoractiviteit en natrium- en calciumkanaalactiviteit worden gemoduleerd (Hattori et al., 1990; Islam et al., 1995). , Liebetanz et al., 2002). Bovendien hebben functionele neuroimaging-onderzoeken zowel lokale als verre netwerkeffecten onthuld die worden veroorzaakt door tDCS, waarschijnlijk gemedieerd door interneuronale circuits (Lefaucheur, 2008).

Het bevorderen van het mechanistische begrip van de onderzoekers van hoe tDCS de corticale exciteerbaarheid op lokaal en verdeeld niveau beïnvloedt, is noodzakelijk om (1) stimulatieparameters aan te passen (bijv. elektrodegrootte, positionering, stroomintensiteit en duur) om hersengebieden nauwkeurig te targeten en therapeutische resultaten te maximaliseren, (2) veiligheidsresultaten bevestigen voor kwetsbare patiëntenpopulaties (bijv. kinderen, patiënten met schedeldefecten en geïmplanteerde hardware). Voorheen werden patiënten met een hoofdhuid- of schedeldefect uitgesloten van stimulatieprotocollen (Bikson, 2012) vanwege een theoretisch risico op stroomshunting door sterk geleidende CSF-verzamelingen. Patiënten met doordringend hersenletsel, een beroerte of een eerdere hersenoperatie zijn echter juist degenen die het meeste baat kunnen hebben bij deze technologieën.

Computationele modellen die gebruikmaken van eindige-elementenmethoden (FEM) zijn bedoeld om het patroon en de intensiteit van de stroom door de hersenen te bepalen door zowel (1) stimulatieparameters als (2) patiëntkenmerken zoals onderliggende anatomie en weefseleigenschappen (bijv. grootte en positie van schedeldefect ten opzichte van elektrodeconfiguratie) (Bikson 2012). Een rekenmodel waarin de elektrodeconfiguratie en de grootte en eigenschappen van het schedeldefect zijn verwerkt (Datta et al., 2010) voorspelt bijvoorbeeld dat de meeste elektrodeconfiguraties rondom het schedeldefect (met uitzondering van stimulatie direct bovenop een klein schedeldefect) de maximale corticale elektrische veldintensiteit niet significant verhogen. In plaats daarvan wordt de stroom naar de randen van het botdefect geleid, wat contraproductief kan zijn voor therapeutische doelen. Een andere computationele casestudy bij een patiënt met een beroerte toonde aan dat een relatief geleidende beroerte-laesie stroom concentreerde in de perilesionale gebieden en dat de plaatsing van de referentie-elektrode (bijv. rechter schouder, rechter mastoïde, rechter orbitofrontale en contralaterale hemisfeer) hebben het pad van de grootste stroom aanzienlijk veranderd (Datta et al., 2011).

Toch zijn deze modelleringsvoorspellingen beperkt in hun klinische toepassing, omdat experimentele validatie noodzakelijk is. Kwantitatieve bepaling van het elektrische veld op neuraal weefselniveau is vereist om de werkzaamheid en veiligheid voor een bepaald individu vast te stellen (Bikson 2012). Voor zover de onderzoekers weten, zijn er geen gepubliceerde onderzoeken die de voorspelde patronen en stroomsterktes die door deze modellen worden voorspeld, empirisch hebben bevestigd. Deze voorgestelde experimentele studie vertegenwoordigt de eerste in zijn soort om spanningsintensiteiten te kwantificeren, zoals gemeten aan het hersenoppervlak, in reactie op verschillende stimulatieparameters, en zal een aanzienlijke vooruitgang betekenen op het gebied van niet-invasieve neurostimulatie