Bezpośredni korowy pomiar intensywności i wzorca przepływu prądu wytwarzanego przez TDCS

Nieinwazyjna stymulacja mózgu (NBS) to obiecujący zestaw narzędzi dla neuroterapii i rehabilitacji. Podczas wyszukiwania literatury NBS został przetestowany pod kątem ponad siedemdziesięciu schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych. NBS może stanowić uzupełnienie istniejących metod leczenia, zwłaszcza ze wskazań neurologicznych bez odpowiednich farmakoterapii (np. szum w uszach, dyskinezy) lub u pacjentów z chorobami opornymi na leki (np. nieuleczalna padaczka, ciężka depresja).

W szczególności przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) moduluje aktywność mózgu poprzez dostarczanie jednokierunkowego prądu o niskim natężeniu przez skórę głowy. Zamiast indukować potencjały czynnościowe, tDCS moduluje spoczynkowy potencjał transbłonowy neuronów, aby wpływać na plastyczność mózgu. Ponadto, z pragmatycznego punktu widzenia, zalety tDCS obejmują niski koszt, przenośność i łatwość użytkowania. Co więcej, tDCS można łatwo łączyć z innymi interwencjami, takimi jak obrazy mentalne, komputerowe interwencje poznawcze lub aktywność ruchowa wspomagana przez robota.

Obecne fizjologiczne zrozumienie, w jaki sposób TDCS wpływa na plastyczność mózgu na poziomie synaptycznym, komórkowym i sieciowym, jest ograniczone. Eksperymentalnie spontaniczna aktywność odpalania neuronów pod anodą generalnie wzrasta, podczas gdy aktywność odpalania pod katodą maleje, chociaż dokładne efekty prawdopodobnie zależą od orientacji aksonów względem pola elektrycznego (Nitsche i Paulus, 2000, Bindman i in., 1964, Creutzfeldt i in., 1962, Purpura i McMurtry, 1965). Neuromodulacyjne efekty tDCS zostały również szeroko przypisane mechanizmom plastyczności synaptycznej podobnym do LTP i LTD, obejmującym modulację aktywności receptora NMDA oraz aktywność kanałów sodowych i wapniowych (Hattori i in., 1990, Islam i in., 1995 , Liebetanz i in., 2002). Ponadto funkcjonalne badania neuroobrazowania ujawniły zarówno lokalne, jak i odległe efekty sieciowe indukowane przez tDCS, prawdopodobnie za pośrednictwem obwodów międzyneuronalnych (Lefaucheur, 2008).

Aby (1) dostosować parametry stymulacji (np. rozmiar elektrody, umiejscowienie, natężenie i czas trwania prądu) w celu precyzyjnego ukierunkowania na obszary mózgu i maksymalizacji wyników terapeutycznych, (2) potwierdzenie wyników bezpieczeństwa dla wrażliwych populacji pacjentów (np. dzieci, pacjentów z wadami czaszki i implantowanym sprzętem). Wcześniej pacjenci z wadami skóry głowy lub czaszki byli wykluczani z protokołów stymulacji (Bikson, 2012) ze względu na teoretyczne ryzyko przetoczenia prądu przez wysoce przewodzące zbiorniki płynu mózgowo-rdzeniowego. Jednak pacjenci z penetrującym uszkodzeniem mózgu, udarem mózgu lub przebytą operacją mózgu są właśnie tymi, którzy mogą odnieść największe korzyści z tych technologii.

Modele obliczeniowe wykorzystujące metody elementów skończonych (MES) mają na celu określenie wzorca i natężenia przepływu prądu przez mózg poprzez uwzględnienie zarówno (1) parametrów stymulacji, jak i (2) cech pacjenta, takich jak podstawowa anatomia i właściwości tkanek (np. wielkość i położenie ubytku czaszki w stosunku do konfiguracji elektrod) (Bikson 2012). Na przykład jeden model obliczeniowy obejmujący konfigurację elektrod oraz rozmiar i właściwości ubytku czaszki (Datta i in., 2010) przewiduje, że większość konfiguracji elektrod otaczających ubytek czaszki (z wyjątkiem stymulacji bezpośrednio nad niewielkim ubytkiem czaszki) będzie nie zwiększa znacząco szczytowego natężenia korowego pola elektrycznego. Prąd jest raczej kierowany na krawędzie ubytku kostnego, co może być przeciwne do celów terapeutycznych. Inne obliczeniowe studium przypadku pacjenta po udarze wykazało, że względnie przewodząca zmiana udarowa koncentrowała prąd w obszarach wokół zmiany, a umieszczenie elektrody referencyjnej (np. prawa powinna, prawa wyrostek sutkowaty, prawa półkula oczodołowo-czołowa i kontralateralna) znacząco zmieniły ścieżkę największego przepływu prądu (Datta i in., 2011).

Jednak te prognozy modelowania mają ograniczone zastosowanie kliniczne, ponieważ konieczna jest walidacja eksperymentalna. Ilościowe określenie pola elektrycznego na poziomie tkanki nerwowej jest niezbędne do ustalenia skuteczności i bezpieczeństwa dla danej osoby (Bikson 2012). Zgodnie z wiedzą badaczy nie ma opublikowanych badań, które empirycznie potwierdziły przewidywane wzorce i natężenia przepływu prądu przewidywane przez te modele. To proponowane badanie eksperymentalne stanowi pierwsze w swoim rodzaju ilościowe określenie intensywności napięcia mierzonego na powierzchni mózgu w odpowiedzi na różne parametry stymulacji i będzie stanowić znaczący postęp w dziedzinie nieinwazyjnej neurostymulacji