Mechanisme en Dosimetry Exploration in TES Magnetic Resonance Current Mapping Methods (TES)

Transcraniële elektrische stimulatie (tES) technieken zoals transcraniële DC-stimulatie (tDCS) en transcraniële AC-stimulatie (tACS) zijn geïndiceerd voor aandoeningen die uiteenlopen van revalidatie na een beroerte, epilepsie en voor het verbeteren van geheugentaken. Sinds 2000 zijn er duizenden tES-onderzoeken gepubliceerd1. Bij typische tDCS-procedures wordt een paar grote elektroden (bijv. 25 cm2) op de hoofdhuid bevestigd en wordt er gedurende 10-30 minuten een constante stroom van 1-2 mA tussen geleid. In tACS is de constante stroomintensiteit vergelijkbaar, maar wordt meestal een alternerende sinusvormige golfvorm gebruikt. Variaties op deze technieken bestaan. In oscillerende tDCS wordt bijvoorbeeld een tijdelijk oscillerende stroom gecombineerd met een DC-offsetstroom. Bij transcraniële willekeurige ruisstimulatie (tRNS) worden tijdelijk willekeurige stromen met een vaste maximale intensiteit toegepast. Deze transcraniële elektrische neuromodulatiestrategieën zijn geïndiceerd voor een breed scala aan aandoeningen, waaronder revalidatie na een beroerte, behandeling van epilepsie en voor het verbeteren van cognitieve, motorische en taal- en geheugenprestaties bij gezonde proefpersonen. Details van de onderliggende mechanismen van zowel tDCS als tACS blijven onduidelijk. Aangenomen is dat de effecten van tDCS het grootst zijn in hersenstructuren die zich het dichtst bij stimulerende elektroden bevinden en dat deze structuren de grootste elektrische velden of stroom ervaren. In tDCS toegepast bij stroomintensiteiten van 1 mA, is gevonden dat prikkelende effecten in grote lijnen correleren met plaatsing van meer positieve elektroden over een beoogde structuur, en remmende effecten worden waargenomen in structuren onder kathodes. De hypothese is dat dit komt doordat een extern aangelegd veld ofwel de rustmembraanspanningen in het beoogde weefsel depolariseert of hyperpolariseert, wat respectievelijk leidt tot verhoogde prikkelbaarheid of remming. Dit suggereert dat verhoogde prikkelbaarheid of remming het gevolg zou zijn wanneer de stroomintensiteit wordt verhoogd. Er zijn echter ook aanwijzingen dat bij een intensiteit van 2 mA een verhoogde prikkelbaarheid wordt waargenomen, ongeacht de polariteit. De waargenomen effecten kunnen ook afhangen van de totale stimulatietijd.

In tACS is gevonden dat bij lage frequenties (tot 80 Hz) tACS-excitatiefrequenties neurale netwerken kunnen meeslepen met prikkelende of remmende effecten die afhangen van de gekozen frequentie, de huidige intensiteit en de fase van de huidige toepassing ten opzichte van onderliggende EEG-ritmes. .

Intersubject-variabiliteit is gemeld in zowel tDCS als tACS, en de reproduceerbaarheid van het onderzoek was problematisch. Afgezien van factoren die verband houden met de begintoestand van het onderwerp, individuele neuroanatomie en verschillen in cerebrospinale vloeistofvolume, is ook gesuggereerd dat belangrijke bijdragen aan de variabiliteit tussen individuele sessies van een onderzoek of inconsistenties in het protocol voor het aanbrengen van elektroden kunnen zijn. In het bijzonder kan overmatig gebruik van contactmedium met een zoutoplossing ertoe leiden dat het effectieve elektrodegebied groter wordt dan het elektrodevlak, en als bevestigingsbanden dunner zijn dan elektroden, kan het contactoppervlak worden verkleind. Elektroden kunnen ook tijdens sessies bewegen of inconsistent op verschillende onderwerpen worden geplaatst. Tussen locaties kan de reproduceerbaarheid verslechteren omdat elektrodevormen, typen en plaatsingen niet consistent zijn.

Kennis van de exacte verdeling die in de hersenen wordt gevormd door de extern toegepaste stromen, zou veel studieresultaten verduidelijken en, belangrijker nog, een preciezere verkenning van mechanismen mogelijk maken. Verder zouden de effecten van verschillende huidige toepassingsprotocollen, elektrodeontwerpen en studieprocedures gemakkelijk kunnen worden opgelost. Een methode voor het meten van stroomverdelingen gevormd door tDCS of tACS zou dus veel vragen in dit actieve veld beantwoorden.

Bij gebrek aan methoden voor het eenvoudig meten of afbeelden van stroomverdelingen, zijn er veel computermodellen gebruikt om stroompatronen te voorspellen. Er bestaat een grote literatuur waarin computermodellen worden gebruikt om de effecten van verschillende montages, elektrodegebieden en geometrieën op spanningsverdelingen, elektrische velden of stroom te onderzoeken. Er zijn steeds geavanceerdere benaderingen bedacht om het hoofd te modelleren dat onderhevig is aan tDCS-stimulatie. Naarmate het veld is gegroeid, is de complexiteit van het hoofdmodel toegenomen van sferische uniforme, sferische viercompartimenten, realistische geometrie, naar anisotrope modellen met hoge resolutie van het menselijk hoofd onderworpen aan elektrische stimulatie. Deze laatste categorie omvatte het samenvoegen van bronbeelden op basis van MR-beelden met diffusiegewogen beelden van het onderwerp om geleidbaarheidstensoren van witte stof te voorspellen. Een benadering hiervoor maakt gebruik van water-translatie-diffusietensor-eigenvectoren om de richting van de geleidbaarheidstensor te bepalen (ervan uitgaande dat ze samen zijn uitgelijnd) in combinatie met literatuurwaarden van geleidbaarheid van witte stof. Een andere benadering omvat het direct schalen van de diffusietensor van de witte stof naar geleidbaarheidswaarden. De meeste andere modelweefselgeleidingsvermogens worden gekozen uit waarden gemeten op bulkweefsels in de literatuur. Tot op heden is er echter geen validatie van deze modellen mogelijk bij menselijke proefpersonen.

Er zijn enige pogingen gedaan om de huidige distributies als gevolg van tDCS te meten. In een recent artikel, Opitz et al. gemeten elektrische veldverdelingen veroorzaakt door transcraniale stimulatie via elektroden geplaatst in een bilaterale montage (linker en rechter slapen) met behulp van elektrode-arrays geplaatst nabij het corticale oppervlak van patiënten die worden gecontroleerd om epilepsie-aanvalshaarden te identificeren. tACS werd toegepast bij 1-15 Hz met een intensiteit van 1 mA, en maximale elektrische veldsterktes van 0,36 en 0,16 mV/mm werden geïdentificeerd. Een lichte frequentieafhankelijke toename van de geleidbaarheid (ca. 10%) werd waargenomen, en weinig capacitief effect. Nogmaals, deze veldsterktes zouden normaal gesproken niet voldoende zijn om directe weefselstimulatie te veroorzaken, en ondersteunen theorieën dat lichte depolarisaties verantwoordelijk kunnen zijn voor tDCS-effecten.

Onderzoekers die tES-mechanismen willen begrijpen, zijn begonnen met fMRI-onderzoeken om de correlatie van therapeutische huidige toediening en hersenactiviteit te onderzoeken, zoals blijkt uit veranderingen in het BOLD-contrast18-20. In de loop van dit onderzoek is opgemerkt dat de huidige regering artefacten creëert op MR-beelden. In een ander artikel werden fMRI-analysemethoden gebruikt om voxelclusters te vinden die correleren met huidige stroomkenmerken . Tot op heden zijn er echter geen pogingen gedaan om tDCS- of tACS-stroomdichtheidsverdelingen bij mensen rechtstreeks op niet-invasieve wijze in beeld te brengen.

De techniek van Current Density Imaging (CDI) zoals voorgesteld door Scott et al. (1991) is een methode voor het vertalen van het fasegedeelte van magnetische resonantiebeelden in individuele magnetische fluxdichtheidsvectorcomponenten veroorzaakt door een extern aangelegde stroom. Deze metingen kunnen vervolgens worden gebruikt om stroomdichtheidsverdelingen te berekenen met behulp van de wet van Ampere. De basis-CDI-techniek vereist dat de externe stroom in proefpersonen wordt geïnjecteerd in combinatie met een reeks RF-pulsen en gradiëntvelden die worden gebruikt om MR-beelden te creëren. De techniek werd gedemonstreerd in fantomen en gebruikt om de stroom in de hersenen van een konijn in beeld te brengen. Helaas is het niet haalbaar bij mensen vanwege de noodzaak om het onderwerp twee keer in de scannerboring te draaien om alle drie de componenten van de magnetische fluxdichtheid te verkrijgen.

MR Electrical Impedance Tomography (MREIT) is de afgelopen tien jaar ontwikkeld als een methode om stroomdichtheid en geleidbaarheidsverdelingen in het menselijk lichaam in beeld te brengen. Net als bij CDI vereist MREIT dat stroom wordt toegepast op een onderwerp in combinatie met een bepaalde MR-sequentie. MREIT-methoden maken het echter mogelijk om geleidbaarheids-, elektrische veld- en stroomdichtheidsverdelingen bij proefpersonen te reconstrueren door slechts één component (Bz) van magnetische fluxdichtheidsvectoren te gebruiken. Een recent ontwikkelde MREIT-methode, DT-MREIT, kan worden gebruikt om volledige anisotrope geleidbaarheid en stroomdichtheidsverdelingen te reconstrueren met behulp van MREIT- en DTI-gegevens die van hetzelfde onderwerp zijn verzameld, en is onlangs aangetoond bij honden.

In dit werk zullen de onderzoekers MREIT-methoden gebruiken om te produceren:

A. Kwantitatieve fysieke metingen die de reproduceerbaarheid van tES aantonen, waarbij de effecten van stroomintensiteit, geslacht en neuroanatomische verschillen op gemeten stroomverdelingen worden onderzocht.

B. Vergelijkingen van werkelijke stroomdichtheidsverdelingen ontwikkeld in een doelstructuur (DLPFC) met fMRI-activiteitsmetingen.

Deze studies zullen de eerste tests van de veronderstellingen opleveren die

• effecten van tDCS-stimulatie zijn het grootst in de beoogde regio
• dat de grootste veld- en stroomstroom wordt gevonden in de beoogde regio. Deze studies hebben daarom het potentieel om het begrip van tES-mechanismen en -praktijk radicaal te veranderen.

Dit werk heeft drie doelen, één gericht op technische verbeteringen in onze huidige MREIT-acquisitieprocedures, een ander gericht op het kwantificeren van repliceerbaarheid, het meten van stroomstroomverdelingen bij verschillende stroomintensiteiten, en ten slotte op het beoordelen van correlaties van elektrisch veld en stroomdichtheidsverdelingen met metingen van hersenactiviteit. met behulp van fMRI.

Specifiek doel 1 (SA1) MREIT-pulssequentieversnelling en -verbeteringen.

Specifiek doel 2 (SA2) Repliceerbaarheid en consistentie in tDCS/tACS-protocollen Stroomdichtheidsverdelingen zullen worden afgebeeld bij normale vrijwilligers met behulp van een F3-F4-montage met drie verschillende stroomintensiteiten, en de meting wordt herhaald met tussenpozen van ten minste één week. Elke keer wordt de montage opnieuw aangebracht en worden de onderwerpen opnieuw afgebeeld. Zowel intra- als interindividuele variaties in gemeten stroom- en elektrische veldverdelingen zullen worden bepaald.

Specifiek doel 3 (SA3) Correlatie van functionele metingen met gemeten elektrische distributiemetingen De prestaties van de deelnemers op een 2-back/0-back geheugentaak zullen worden vergeleken bij zowel Sham- als actieve proefpersonen, gebruikmakend van stimulatie met een intensiteit van 1, 1,5 of 2 mA.