Mekanisme og dosimetriutforskning i TES Magnetic Resonance Current Mapping Methods (TES)

Teknikker for transkraniell elektrisk stimulering (tES) som transkraniell DC-stimulering (tDCS) og transkraniell AC-stimulering (tACS) har blitt indikert for så forskjellige tilstander som slagrehabilitering, epilepsi og for forbedringer i hukommelsesoppgaver. Tusenvis av tES-studier har blitt publisert siden 20001. I typiske tDCS-prosedyrer festes et par store elektroder (f.eks. 25 cm2) til hodebunnen og en konstant strøm på 1-2 mA passerer mellom dem i perioder på 10-30 minutter. I tACS er den konstante strømintensiteten lik, men en vekslende sinusformet bølgeform brukes vanligvis. Variasjoner på disse teknikkene finnes. For eksempel, i oscillerende tDCS, kombineres en temporalt oscillerende strøm med en DC offsetstrøm. Ved transkraniell tilfeldig støystimulering (tRNS) påføres tidsmessig tilfeldige strømmer med en fast maksimal intensitet. Disse transkranielle elektriske nevromodulasjonsstrategiene har blitt indisert for et bredt spekter av tilstander, inkludert slagrehabilitering, behandling av epilepsi og for å forbedre kognitiv, motorisk og språklig og hukommelsesytelse hos friske personer. Detaljer om de underliggende mekanismene til både tDCS og tACS er fortsatt uklare. Det har blitt antatt at effekten av tDCS er størst i hjernestrukturer nærmest stimulerende elektroder og at disse strukturene opplever de største elektriske feltene eller strømstrømmen. I tDCS påført ved 1 mA strømintensiteter, har det blitt funnet at eksitatoriske effekter stort sett korrelerer med plassering av mer positive elektroder over en målrettet struktur, og hemmende effekter observeres i strukturer under katoder. Det har blitt antatt at dette skyldes at eksternt påført felt enten depolariserer eller hyperpolariserer hvilemembranspenninger i målrettet vev, noe som fører til henholdsvis økt eksitabilitet eller hemming. Dette antyder at økt eksitabilitet eller hemming vil resultere når strømintensiteten økes. Det er imidlertid også bevis på at ved 2 mA intensitet observeres økt eksitabilitet, uavhengig av polaritet. Effektene som observeres kan også avhenge av den totale stimuleringstiden.

I tACS har det blitt funnet at ved lave frekvenser (opptil 80 Hz) kan tACS-eksitasjonsfrekvenser involvere nevrale nettverk med eksitatoriske eller hemmende effekter som avhenger av valgt frekvens, strømintensiteten og fasen av gjeldende påføring i forhold til underliggende EEG-rytmer .

Intersubjektvariabilitet er rapportert i både tDCS og tACS, og studiereproduserbarhet har vært problematisk. Bortsett fra faktorer knyttet til emnets initialtilstand, individuell nevroanatomi og forskjeller i cerebrospinalvæskevolum, har det også blitt foreslått at store bidrag til variasjon mellom individuelle økter av en studie eller kan være inkonsekvenser i elektrodepåføringsprotokollen. Spesielt kan overbruk av saltvannskontaktmedium føre til at det effektive elektrodearealet øker utover elektrodeflaten, og hvis festestroppene er tynnere enn elektrodene, kan kontaktarealet reduseres. Elektroder kan også bevege seg under økter, eller være plassert inkonsekvent på forskjellige emner. Mellom steder kan reproduserbarheten bli forringet fordi elektrodeformer, typer og plasseringer ikke er konsistente.

Kunnskap om den eksakte fordelingen som dannes i hjernen av de eksternt påførte strømmene ville klargjøre mange studieresultater og viktigst av alt tillate mer presise utforskninger av mekanismer. Videre kan effektene av forskjellige gjeldende applikasjonsprotokoller, elektrodedesign og studieprosedyrer lett løses. Dermed vil en metode for å måle strømfordelinger dannet av tDCS eller tACS svare på mange spørsmål i dette aktive feltet.

I fravær av metoder for enkelt å måle eller avbilde strømfordelinger, har beregningsmodeller blitt brukt mye for å forutsi strømningsmønstre. Det finnes en stor litteratur som bruker beregningsmodeller for å utforske effekter av ulike montasjer, elektrodeområder og geometrier på spenningsfordelinger, elektriske felt eller strømflyt. Stadig mer sofistikerte tilnærminger har blitt utviklet for å modellere hodet utsatt for tDCS-stimulering. Etter hvert som feltet har vokst, har hodemodellkompleksiteten økt fra sfærisk ensartet, sfærisk fireroms realistisk geometri til høyoppløselige anisotrope modeller av menneskehodet utsatt for elektrisk stimulering. Denne siste kategorien har involvert sammenslåing av kildebilder basert på MR-bilder med diffusjonsvektede bilder av motivet for å forutsi hvit substans konduktivitetstensorer. En tilnærming til dette bruker vanntranslasjonsdiffusjonstensoregenvektorer for å bestemme retningen til konduktivitetstensoren (forutsatt at de er samjustert) i kombinasjon med litteraturverdier for konduktiviteter for hvit substans. En annen tilnærming involverer direkte skalering av hvitstoffdiffusjonstensoren til konduktivitetsverdier. De fleste andre modellvevsledningsevner er valgt fra verdier målt på bulkvev i litteraturen. Men til dags dato har ingen validering av disse modellene vært mulig hos mennesker.

Noen anstrengelser er gjort for å måle nåværende fordelinger som følge av tDCS. I en fersk artikkel skrev Opitz et al. målte elektriske feltfordelinger forårsaket av transkraniell stimulering via elektroder plassert i en bilateral montasje (venstre og høyre tinninger) ved bruk av elektrodearrayer plassert nær den kortikale overflaten til pasienter som overvåkes for å identifisere epilepsianfallsfokus. tACS ble påført ved 1-15 Hz med en intensitet på 1 mA, og maksimale elektriske feltstyrker på 0,36 og 0,16 mV/mm ble identifisert. En liten frekvensavhengig økning i konduktivitet (ca. 10 %) ble observert, og liten kapasitiv effekt. Igjen, disse feltstyrkene vil normalt ikke være tilstrekkelige til å forårsake direkte vevstimulering, og støtter teorier om at små depolarisasjoner kan være ansvarlige for tDCS-effekter.

Forskere som søker å forstå tES-mekanismer har startet fMRI-studier for å undersøke korrelasjonen mellom terapeutisk strømadministrasjon og hjerneaktivitet, noe som fremgår av endringer i BOLD-kontrasten18-20. I løpet av denne forskningen har det blitt lagt merke til at nåværende administrasjon lager artefakter på MR-bilder. I en annen artikkel ble fMRI-analysemetoder brukt for å finne voxel-klynger som korrelerer med gjeldende flytfunksjoner22. Til dags dato har det imidlertid ikke vært forsøk på å ikke-invasivt avbilde tDCS- eller tACS-strømtetthetsfordelinger hos mennesker direkte.

Teknikken for Current Density Imaging (CDI) som foreslått av Scott et al. (1991) er en metode for å oversette fasedelen av magnetiske resonansbilder til individuelle magnetiske flukstetthetsvektorkomponenter forårsaket av en eksternt påført strøm. Disse målingene kan deretter brukes til å beregne strømtetthetsfordelinger ved å bruke Amperes lov. Den grunnleggende CDI-teknikken krever at den eksterne strømmen injiseres i forsøkspersonene i samspill med en sekvens av RF-pulser og gradientfelt som brukes til å lage MR-bilder. Teknikken ble demonstrert i fantomer og brukt til å avbilde strømflyt i en kaninhjerne. Dessverre er det umulig for mennesker på grunn av behovet for å rotere motivet to ganger inne i skannerboringen for å oppnå alle tre komponentene i den magnetiske flukstettheten.

MR Electrical Impedance Tomography (MREIT) har blitt utviklet i løpet av det siste tiåret som en metode for å avbilde strømtetthet og ledningsevnefordelinger i menneskekroppen. Som i CDI, krever MREIT at strøm påføres et emne i forbindelse med en bestemt MR-sekvens. MREIT-metoder gjør det imidlertid mulig å rekonstruere ledningsevne, elektrisk felt og strømtetthetsfordelinger i forsøkspersoner ved å bruke bare én komponent (Bz) av magnetiske flukstetthetsvektorer. En nylig utviklet MREIT-metode, DT-MREIT, kan brukes til å rekonstruere fulle anisotropiske konduktiviteter og strømtetthetsfordelinger ved å bruke MREIT- og DTI-data samlet fra samme emne, og har nylig blitt demonstrert i hjørnetenner.

I dette arbeidet vil etterforskerne bruke MREIT-metoder for å produsere:

A. Kvantitative fysiske mål som viser tES-reproduserbarhet, undersøker effekter av strømintensitet, kjønn og nevranatomiske forskjeller på målte strømfordelinger.

B. Sammenligninger av faktiske strømtetthetsfordelinger utviklet i en målstruktur (DLPFC) med fMRI-mål for aktivitet.

Disse studiene vil gi de første testene av forutsetningene som

• effektene av tDCS-stimulering er størst i målregionen
• at den største felt- og strømflyten finnes i målregionen. Disse studiene har derfor potensial til å revolusjonere forståelsen av tES-mekanismer og praksis.

Dette arbeidet har tre mål, ett fokusert på tekniske forbedringer i våre nåværende MREIT-anskaffelsesprosedyrer, et annet rettet mot å kvantifisere replikerbarhet, måle strømstrømfordelinger ved forskjellige strømintensiteter, og til slutt på å vurdere korrelasjoner mellom elektrisk felt og strømtetthetsfordelinger med hjerneaktivitetsmål. ved hjelp av fMRI.

Spesifikt mål 1 (SA1) MREIT Pulse Sequence Acceleration and Improvements.

Spesifikt mål 2 (SA2) Replikerbarhet og konsistens i tDCS/tACS-protokoller Strømtetthetsfordelinger vil bli avbildet hos normale frivillige ved bruk av en F3-F4-montasje med tre forskjellige strømintensiteter, og gjenta målingen med intervaller på minst én uke. Hver gang vil montasjen bli brukt på nytt og motivene re-images. Både intra- og inter-subjektvariasjoner i målte strøm- og elektriske feltfordelinger vil bli bestemt.

Spesifikt mål 3 (SA3) Korrelasjon av funksjonelle mål med målte elektriske distribusjonsmål Deltakernes prestasjoner på en 2-back/0-back minneoppgave vil bli sammenlignet i både Sham- og Aktive forsøkspersoner, ved bruk av enten 1, 1,5 eller 2 mA intensitetsstimulering.