Direkte kortikal måling av intensiteten og mønsteret av strømstrøm produsert av TDCS

Ikke-invasiv hjernestimulering (NBS) representerer et lovende sett med verktøy for nevroterapeutikk og rehabilitering. I et litteratursøk har NBS blitt testet for over sytti nevrologiske og psykiatriske tilstander. NBS kan utfylle eksisterende medisinske behandlinger, spesielt for nevrologiske indikasjoner uten egnede farmakoterapier (f. tinnitus, dyskinesier) eller for pasienter med farmako-resistent sykdom (f.eks. uhåndterlig epilepsi, alvorlig depresjon).

Spesielt modulerer transkraniell likestrømsstimulering (tDCS) hjerneaktiviteten ved å levere lav intensitet ensrettet strøm gjennom hodebunnen. I stedet for å indusere handlingspotensialer, modulerer tDCS hvilende neuronalt transmembranpotensial for å påvirke hjernens plastisitet. Fra et pragmatisk perspektiv inkluderer fordelene med tDCS dessuten lave kostnader, portabilitet og brukervennlighet. Videre kan tDCS enkelt kombineres med andre intervensjoner som mentale bilder, datastyrte kognitive intervensjoner eller robotassistert motorisk aktivitet.

Den nåværende fysiologiske forståelsen av hvordan TDCS påvirker hjernens plastisitet på synaptisk, cellulært og nettverksnivå er begrenset. Eksperimentelt øker spontan nevronal avfyringsaktivitet under anoden generelt, mens avfyringsaktivitet under katoden avtar, selv om de nøyaktige effektene sannsynligvis avhenger av orienteringen av aksonene til det elektriske feltet (Nitsche og Paulus, 2000, Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al., 1962, Purpura og McMurtry, 1965). De nevromodulerende effektene av tDCS har også i stor grad blitt tilskrevet LTP- og LTD-lignende mekanismer for synaptisk plastisitet, som involverer modulering av NMDA-reseptoraktivitet og natrium- og kalsiumkanalaktivitet (Hattori et al., 1990, Islam et al., 1995) , Liebetanz et al., 2002). Videre har funksjonelle neuroimaging-studier avslørt både lokale og fjerntliggende nettverkseffekter indusert av tDCS, sannsynligvis mediert av interneuronale kretser (Lefaucheur, 2008).

Å fremme etterforskernes mekanistiske forståelse av hvordan tDCS påvirker kortikal eksitabilitet på et lokalt og distribuert nivå er nødvendig for å (1) tilpasse stimuleringsparametere (f.eks. elektrodestørrelse, plassering, strømintensitet og varighet) for nøyaktig å målrette hjerneregioner og maksimere terapeutiske resultater, (2) bekrefte sikkerhetsresultater for sårbare pasientpopulasjoner (f.eks. barn, pasienter med skalledefekter og implantert maskinvare). Tidligere har pasienter med hodebunns- eller skalledefekt blitt ekskludert fra stimuleringsprotokoller (Bikson, 2012) på grunn av en teoretisk risiko for strømshunting gjennom høyt ledende CSF-samlinger. Pasienter med penetrerende hjerneskade, hjerneslag eller tidligere hjernekirurgi er imidlertid nettopp de som kan ha størst nytte av disse teknologiene.

Beregningsmodeller som bruker endelige elementmetoder (FEM) tar sikte på å bestemme mønsteret og intensiteten av strømstrømmen gjennom hjernen ved å inkludere både (1) stimuleringsparametre og (2) pasientkarakteristikker som underliggende anatomi og vevsegenskaper (f. størrelse og plassering av skalledefekt i forhold til elektrodekonfigurasjon) (Bikson 2012). For eksempel forutsier en beregningsmodell som inkluderer elektrodekonfigurasjon og skalledefektstørrelse og egenskaper (Datta et al., 2010) at flertallet av elektrodekonfigurasjonene rundt skalledefekten (med unntak av stimulering direkte på toppen av en liten skalledefekt) vil øker ikke den maksimale kortikale elektriske feltintensiteten signifikant. Snarere blir strømmen rettet mot kantene av beindefekten, noe som kan være kontraproduktivt for terapeutiske mål. En annen beregningsbasert casestudie på en slagpasient viste at en relativt ledende slaglesjon konsentrerte strøm i de perilesjonelle områdene, og at plassering av referanseelektroden (f. høyre bør, høyre mastoid, høyre orbitofrontal og kontralateral hemisfære) signifikant endret banen for størst strømflyt (Datta et al., 2011).

Likevel er disse modelleringsspådommene begrenset i sin kliniske anvendelse, da eksperimentell validering er nødvendig. Kvantitativ bestemmelse av det elektriske feltet på nevralt vevsnivå er nødvendig for å etablere effektivitet og sikkerhet for et gitt individ (Bikson 2012). Så vidt etterforskerne vet, er det ingen publiserte studier som empirisk har bekreftet de forutsagte mønstrene og strømningsintensitetene forutsagt av disse modellene. Denne foreslåtte eksperimentelle studien representerer den første av typen som kvantifiserer spenningsintensiteter, målt ved hjerneoverflaten, som svar på ulike stimuleringsparametre, og vil representere et betydelig fremskritt innen ikke-invasiv nevrostimulering