Badanie mechanizmu i dozymetrii w metodach mapowania prądu rezonansu magnetycznego TES (TES)

Techniki przezczaszkowej stymulacji elektrycznej (tES), takie jak przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) i przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS), są wskazane w przypadku tak różnorodnych schorzeń, jak rehabilitacja po udarze mózgu, padaczka oraz w celu poprawy zadań związanych z pamięcią. Od 2000 roku opublikowano tysiące badań tES1. W typowych procedurach tDCS do skóry głowy przykłada się parę dużych elektrod (np. 25 cm2) i przepływa między nimi stały prąd o natężeniu 1-2 mA przez okres 10-30 min. W tACS natężenie prądu stałego jest podobne, ale zwykle stosuje się przemienny przebieg sinusoidalny. Istnieją odmiany tych technik. Na przykład w oscylacyjnym tDCS chwilowo oscylujący prąd jest łączony z prądem przesunięcia DC. W przezczaszkowej stymulacji losowym szumem (tRNS) stosuje się chwilowo losowe prądy o ustalonym maksymalnym natężeniu. Te przezczaszkowe strategie neuromodulacji elektrycznej zostały wskazane w szerokim zakresie schorzeń, w tym w rehabilitacji po udarze mózgu, leczeniu padaczki oraz w celu poprawy funkcji poznawczych, motorycznych i językowych oraz pamięci u zdrowych osób. Szczegóły dotyczące mechanizmów leżących u podstaw zarówno tDCS, jak i tACS pozostają niejasne. Przyjęto, że efekty tDCS są największe w strukturach mózgu położonych najbliżej elektrod stymulujących i że struktury te doświadczają największego pola elektrycznego lub przepływu prądu. W tDCS zastosowanym przy natężeniu prądu 1 mA stwierdzono, że efekty pobudzające zasadniczo korelują z umieszczeniem większej liczby elektrod dodatnich nad docelową strukturą, a efekty hamujące obserwuje się w strukturach pod katodami. Postawiono hipotezę, że dzieje się tak, ponieważ pole przyłożone z zewnątrz albo depolaryzuje, albo hiperpolaryzuje spoczynkowe napięcia błonowe w docelowej tkance, co prowadzi odpowiednio do zwiększonej pobudliwości lub hamowania. Sugeruje to, że zwiększona pobudliwość lub hamowanie wystąpią, gdy natężenie prądu zostanie zwiększone. Jednak istnieją również dowody na to, że przy natężeniu 2 mA obserwuje się zwiększoną pobudliwość, niezależnie od polaryzacji. Zaobserwowane efekty mogą również zależeć od całkowitego czasu stymulacji.

W tACS stwierdzono, że przy niskich częstotliwościach (do 80 Hz) częstotliwości wzbudzenia tACS mogą porywać sieci neuronowe z efektami pobudzającymi lub hamującymi, które zależą od wybranej częstotliwości, natężenia prądu i fazy aplikacji prądu w stosunku do podstawowych rytmów EEG .

Zmienność międzyosobnicza została zgłoszona zarówno w tDCS, jak i tACS, a powtarzalność badań była problematyczna. Oprócz czynników związanych ze stanem początkowym pacjenta, indywidualną neuroanatomią i różnicami w objętości płynu mózgowo-rdzeniowego, zasugerowano również, że duży udział w zmienności między poszczególnymi sesjami badania mogą mieć niespójności w protokole aplikacji elektrod. W szczególności nadmierne użycie solnego medium kontaktowego może spowodować zwiększenie efektywnej powierzchni elektrody poza powierzchnię czołową elektrody, a jeśli paski mocujące są cieńsze niż elektrody, powierzchnia kontaktu może zostać zmniejszona. Elektrody mogą również poruszać się podczas sesji lub być umieszczane niespójnie na różnych przedmiotach. Pomiędzy lokalizacjami powtarzalność może ulec pogorszeniu, ponieważ kształty, typy i rozmieszczenie elektrod nie są spójne.

Znajomość dokładnego rozkładu utworzonego w mózgu przez przyłożone zewnętrznie prądy wyjaśniłaby wiele wyników badań i, co najważniejsze, umożliwiłaby dokładniejsze zbadanie mechanizmu. Co więcej, skutki różnych aktualnych protokołów aplikacji, konstrukcji elektrod i procedur badawczych można łatwo rozwiązać. Tak więc metoda pomiaru rozkładów prądu tworzonych przez tDCS lub tACS odpowiedziałaby na wiele pytań w tej aktywnej dziedzinie.

Wobec braku metod łatwego pomiaru lub obrazowania rozkładu przepływu prądu, modele obliczeniowe były szeroko stosowane do przewidywania wzorców przepływu. Istnieje obszerna literatura wykorzystująca modele obliczeniowe do badania wpływu różnych montaży, obszarów elektrod i geometrii na rozkłady napięcia, pola elektryczne lub przepływ prądu. Opracowano coraz bardziej wyrafinowane podejścia do modelowania głowy poddanej stymulacji tDCS. Wraz z rozwojem dziedziny złożoność modelu głowy wzrosła od kulistego, jednorodnego, sferycznego czteroprzedziałowego, realistycznej geometrii, do anizotropowych modeli głowy ludzkiej o wysokiej rozdzielczości poddanych stymulacji elektrycznej. Ta ostatnia kategoria obejmowała łączenie obrazów źródłowych opartych na obrazach MR z obrazami ważonymi dyfuzją podmiotu w celu przewidywania tensorów przewodnictwa istoty białej. Jedno podejście do tego wykorzystuje translacyjne wektory własne tensora dyfuzji wody do określenia kierunku tensora przewodnictwa (zakładając, że są one współosiowe) w połączeniu z wartościami literaturowymi przewodnictwa istoty białej. Inne podejście obejmuje bezpośrednie skalowanie tensora dyfuzji istoty białej do wartości przewodnictwa. Większość innych przewodności tkanek modelowych jest wybierana z wartości mierzonych na tkankach masowych w literaturze. Jednak do tej pory żadna walidacja tych modeli nie była możliwa u ludzi.

Podjęto pewne wysiłki, aby zmierzyć obecne rozkłady wynikające z tDCS. W niedawnym artykule Opitz i in. zmierzono rozkłady pola elektrycznego wywołane stymulacją przezczaszkową za pomocą elektrod umieszczonych w obustronnym montażu (lewa i prawa skroń) za pomocą układów elektrod umieszczonych w pobliżu powierzchni korowej monitorowanych pacjentów w celu identyfikacji ognisk napadów padaczkowych. Zastosowano tACS przy 1-15 Hz z natężeniem 1 mA i zidentyfikowano maksymalne natężenia pola elektrycznego 0,36 i 0,16 mV/mm. Niewielki wzrost przewodnictwa zależny od częstotliwości (ok. 10%) i niewielki efekt pojemnościowy. Ponownie, te natężenia pola normalnie nie byłyby wystarczające do wywołania bezpośredniej stymulacji tkanki i wspierają teorie, że niewielkie depolaryzacje mogą być odpowiedzialne za efekty tDCS.

Naukowcy chcący zrozumieć mechanizmy tES zainicjowali badania fMRI w celu zbadania korelacji podawania prądu terapeutycznego i aktywności mózgu, o czym świadczą zmiany w kontraście BOLD18-20. W trakcie tych badań zauważono, że obecna administracja tworzy artefakty na obrazach MR. W innym artykule wykorzystano metody analizy fMRI do znalezienia klastrów wokseli korelujących z cechami przepływu prądu22. Jednak do tej pory nie podjęto prób nieinwazyjnego obrazowania rozkładów gęstości prądu tDCS lub tACS bezpośrednio u ludzi.

Technika Current Density Imaging (CDI) zaproponowana przez Scotta i in. (1991) to metoda translacji części fazowej obrazów rezonansu magnetycznego na poszczególne składowe wektora gęstości strumienia magnetycznego wywołane zewnętrznym przepływem prądu. Pomiary te można następnie wykorzystać do obliczenia rozkładu gęstości prądu przy użyciu prawa Ampere'a. Podstawowa technika CDI wymaga wstrzyknięcia zewnętrznego prądu pacjentom w porozumieniu z sekwencją impulsów RF i pól gradientowych używanych do tworzenia obrazów MR. Technikę zademonstrowano na fantomach i wykorzystano do zobrazowania przepływu prądu w mózgu królika. Niestety jest to niewykonalne u ludzi ze względu na konieczność dwukrotnego obrócenia obiektu w otworze skanera w celu uzyskania wszystkich trzech składowych gęstości strumienia magnetycznego.

Tomografia impedancji elektrycznej MR (MREIT) została opracowana w ciągu ostatniej dekady jako metoda obrazowania rozkładu gęstości prądu i przewodnictwa w ludzkim ciele. Podobnie jak w CDI, MREIT wymaga przyłożenia prądu do pacjenta w połączeniu z określoną sekwencją MR. Jednak metody MREIT umożliwiają rekonstrukcję rozkładów przewodnictwa, pola elektrycznego i gęstości prądu u badanych osób przy użyciu tylko jednej składowej (Bz) wektorów gęstości strumienia magnetycznego. Niedawno opracowana metoda MREIT, DT-MREIT, może być wykorzystana do rekonstrukcji pełnych przewodnictwa anizotropowego i rozkładów gęstości prądu przy użyciu danych MREIT i DTI zebranych od tego samego osobnika, a ostatnio została zademonstrowana na psach.

W tej pracy badacze wykorzystają metody MREIT do wytworzenia:

A. Ilościowe pomiary fizyczne wykazujące odtwarzalność tES, badające wpływ natężenia prądu, płci i różnic neuroanatomicznych na mierzone rozkłady prądu.

B. Porównanie rzeczywistych rozkładów gęstości prądu opracowanych w strukturze docelowej (DLPFC) z miarami aktywności fMRI.

Badania te dostarczą pierwszych testów założeń, które

• efekty stymulacji tDCS są największe w regionie docelowym
• że największe pole i przepływ prądu występuje w docelowym regionie Badania te mają zatem potencjał zrewolucjonizowania zrozumienia mechanizmów i praktyki tES.

Ta praca ma trzy cele, jeden koncentruje się na ulepszeniach technicznych w naszych obecnych procedurach akwizycji MREIT, inny jest ukierunkowany na ilościowe określenie powtarzalności, pomiar rozkładów przepływu prądu przy różnych natężeniach prądu, a na koniec ocena korelacji rozkładów pola elektrycznego i gęstości prądu z miarami aktywności mózgu za pomocą fMRI.

Cel szczegółowy 1 (SA1) MREIT Przyspieszenie sekwencji impulsów i ulepszenia.

Cel szczegółowy 2 (SA2) Powtarzalność i spójność w protokołach tDCS/tACS Rozkłady gęstości prądu zostaną zobrazowane u zdrowych ochotników przy użyciu montażu F3-F4 z trzema różnymi natężeniami prądu, a pomiar zostanie powtórzony w odstępach co najmniej jednego tygodnia. Za każdym razem montaż zostanie ponownie zastosowany, a obiekty ponownie sfotografowane. Określone zostaną zarówno wewnątrz-, jak i międzyosobnicze różnice w zmierzonym rozkładzie prądu i pola elektrycznego.

Cel szczegółowy 3 (SA3) Korelacja miar funkcjonalnych ze zmierzonymi miarami dystrybucji elektrycznej Wyniki uczestników w zadaniu pamięciowym 2-wstecz/0-wstecz zostaną porównane zarówno u osób pozorowanych, jak i aktywnych, przy użyciu stymulacji o natężeniu 1, 1,5 lub 2 mA.