Exploração de Mecanismo e Dosimetria em Métodos de Mapeamento de Corrente por Ressonância Magnética TES (TES)

As técnicas de estimulação elétrica transcraniana (tES), como a estimulação transcraniana DC (tDCS) e a estimulação transcraniana AC (tACS), têm sido indicadas para condições tão diversas como reabilitação de AVC, epilepsia e para melhorias nas tarefas de memória. Milhares de estudos tES foram publicados desde 20001. Em procedimentos tDCS típicos, um par de eletrodos grandes (por exemplo, 25cm2) é conectado ao couro cabeludo e uma corrente constante de 1-2 mA passa entre eles por períodos de 10-30 min. No tACS, a intensidade de corrente constante é semelhante, mas uma forma de onda senoidal alternada é geralmente empregada. Existem variações dessas técnicas. Por exemplo, no tDCS oscilatório, uma corrente oscilante temporalmente é combinada com uma corrente de compensação DC. Na estimulação transcraniana com ruído aleatório (tRNS), são aplicadas correntes temporalmente aleatórias com uma intensidade máxima fixa. Essas estratégias de neuromodulação elétrica transcraniana têm sido indicadas para uma ampla gama de condições, incluindo reabilitação de acidente vascular cerebral, tratamento de epilepsia e para melhorar o desempenho cognitivo, motor e de linguagem e memória em indivíduos saudáveis. Detalhes dos mecanismos subjacentes de tDCS e tACS permanecem obscuros. Supõe-se que os efeitos do tDCS são maiores nas estruturas cerebrais mais próximas dos eletrodos estimulantes e que essas estruturas experimentam os maiores campos elétricos ou fluxo de corrente. Em tDCS aplicado em intensidades de corrente de 1 mA, descobriu-se que os efeitos excitatórios se correlacionam amplamente com a colocação de mais eletrodos positivos sobre uma estrutura alvo, e efeitos inibitórios são observados em estruturas sob cátodos. Foi levantada a hipótese de que isso ocorre porque o campo aplicado externamente despolariza ou hiperpolariza as voltagens da membrana em repouso no tecido alvo, levando ao aumento da excitabilidade ou inibição, respectivamente. Isso sugere que o aumento da excitabilidade ou inibição resultaria quando a intensidade da corrente é aumentada. No entanto, também há evidências de que na intensidade de 2 mA ocorre aumento da excitabilidade, independentemente da polaridade. Os efeitos observados também podem depender do tempo total de estimulação.

No tACS, descobriu-se que em baixas frequências (até 80 Hz), as frequências de excitação do tACS podem arrastar redes neurais com efeitos excitatórios ou inibitórios que dependem da frequência escolhida, da intensidade da corrente e da fase de aplicação da corrente em relação aos ritmos EEG subjacentes .

A variabilidade interindividual foi relatada em tDCS e tACS, e a reprodutibilidade do estudo tem sido problemática. Além de fatores relacionados ao estado inicial do sujeito, neuroanatomia individual e diferenças no volume do líquido cefalorraquidiano, também foi sugerido que grandes contribuições para a variabilidade entre as sessões individuais de um estudo ou podem ser inconsistências no protocolo de aplicação do eletrodo. Em particular, o uso excessivo de meio de contato salino pode resultar no aumento da área efetiva do eletrodo além da face do eletrodo e, se as tiras de fixação forem mais finas que os eletrodos, a área de contato pode ser reduzida. Os eletrodos também podem se mover durante as sessões ou ser colocados de forma inconsistente em diferentes objetos. Entre os locais, a reprodutibilidade pode ser degradada porque as formas, tipos e posicionamentos dos eletrodos não são consistentes.

O conhecimento da distribuição exata formada dentro do cérebro pelas correntes aplicadas externamente esclareceria muitos resultados do estudo e, o mais importante, permitiria explorações mais precisas do mecanismo. Além disso, os efeitos de diferentes protocolos de aplicação atuais, projetos de eletrodos e procedimentos de estudo podem ser facilmente resolvidos. Assim, um método para medir distribuições de corrente formadas por tDCS ou tACS responderia a muitas perguntas neste campo ativo.

Na ausência de métodos para medir facilmente ou imaginar distribuições de fluxo de corrente, modelos computacionais têm sido usados ​​extensivamente para prever padrões de fluxo. Existe uma grande literatura usando modelos computacionais para explorar efeitos de diferentes montagens, áreas de eletrodos e geometrias em distribuições de tensão, campos elétricos ou fluxo de corrente. Abordagens cada vez mais sofisticadas foram desenvolvidas para modelar a cabeça sujeita à estimulação tDCS. À medida que o campo cresceu, a complexidade do modelo de cabeça aumentou de uniforme esférico, geometria realista esférica de quatro compartimentos, para modelos anisotrópicos de alta resolução da cabeça humana sujeitos a estimulação elétrica. Esta última categoria envolveu a fusão de imagens de origem baseadas em imagens de RM com imagens ponderadas por difusão do sujeito para prever os tensores de condutividade da substância branca. Uma abordagem para isso usa autovetores de tensor de difusão translacional de água para determinar a direção do tensor de condutividade (assumindo que eles são co-alinhados) em combinação com valores de literatura de condutividades de substância branca. Outra abordagem envolve dimensionamento direto do tensor de difusão de matéria branca para valores de condutividade. A maioria dos outros modelos de condutividade de tecidos são escolhidos a partir de valores medidos em tecidos volumosos na literatura. No entanto, até o momento, nenhuma validação desses modelos foi possível em seres humanos.

Alguns esforços têm sido feitos para medir as distribuições atuais resultantes do tDCS. Em um artigo recente, Opitz et al. distribuições de campos elétricos medidos causadas por estimulação transcraniana por meio de eletrodos colocados em uma montagem bilateral (têmporas esquerda e direita) usando arranjos de eletrodos colocados perto da superfície cortical de pacientes sendo monitorados para identificar focos de epilepsia. tACS foi aplicado em 1-15 Hz com intensidade de 1 mA, e forças de campo elétrico máximo de 0,36 e 0,16 mV/mm foram identificadas. Um ligeiro aumento dependente da frequência na condutividade (ca. 10%) e pouco efeito capacitivo. Novamente, essas intensidades de campo normalmente não seriam suficientes para causar estimulação tecidual direta e sustentam teorias de que despolarizações leves podem ser responsáveis ​​pelos efeitos do tDCS.

Os pesquisadores que buscam entender os mecanismos tES iniciaram estudos de fMRI para investigar a correlação da administração de corrente terapêutica e atividade cerebral, conforme evidenciado por alterações no contraste BOLD18-20. No decorrer desta pesquisa, observou-se que a administração atual cria artefatos nas imagens de RM. Em outro artigo, métodos de análise fMRI foram usados ​​para encontrar agrupamentos de voxels correlacionados com características de fluxo atual22. No entanto, até o momento, não houve tentativas de obter imagens não invasivas das distribuições de densidade de corrente tDCS ou tACS diretamente em humanos.

A técnica de Current Density Imaging (CDI) sugerida por Scott et al. (1991) é um método para traduzir a parte de fase de imagens de ressonância magnética em componentes de vetor de densidade de fluxo magnético individuais causados ​​por um fluxo de corrente aplicado externamente. Essas medições podem então ser usadas para calcular distribuições de densidade de corrente usando a lei de Ampere. A técnica CDI básica requer que a corrente externa seja injetada nos objetos em conjunto com uma sequência de pulsos de RF e campos de gradiente usados ​​para criar imagens de RM. A técnica foi demonstrada em fantasmas e usada para visualizar o fluxo de corrente no cérebro de um coelho. Infelizmente, é inviável em humanos devido à necessidade de girar o sujeito duas vezes dentro do orifício do scanner para obter todos os três componentes da densidade do fluxo magnético.

A Tomografia por Impedância Elétrica por RM (MREIT) foi desenvolvida na última década como um método para imagens de densidade de corrente e distribuições de condutividade no corpo humano. Como no CDI, o MREIT requer que a corrente seja aplicada a um sujeito em conjunto com uma sequência particular de RM. No entanto, os métodos MREIT tornam possível reconstruir as distribuições de condutividade, campo elétrico e densidade de corrente em indivíduos usando apenas um componente (Bz) de vetores de densidade de fluxo magnético. Um método MREIT recentemente desenvolvido, DT-MREIT, pode ser usado para reconstruir condutividades anisotrópicas completas e distribuições de densidade de corrente usando dados MREIT e DTI coletados do mesmo assunto e recentemente demonstrado em caninos.

Neste trabalho, os investigadores usarão métodos MREIT para produzir:

A. Medidas físicas quantitativas demonstrando a reprodutibilidade do tES, explorando os efeitos da intensidade da corrente, sexo e diferenças neuroanatômicas nas distribuições de corrente medidas.

B. Comparações de distribuições de densidade de corrente reais desenvolvidas em uma estrutura alvo (DLPFC) com medidas de fMRI de atividade.

Esses estudos fornecerão os primeiros testes das suposições que

• os efeitos da estimulação tDCS são maiores na região alvo
• que o maior campo e fluxo de corrente são encontrados na região-alvo Esses estudos, portanto, têm o potencial de revolucionar a compreensão dos mecanismos e da prática do tES.

Este trabalho tem três objetivos, um focado em melhorias técnicas em nossos atuais procedimentos de aquisição de MREIT, outro direcionado a quantificar a replicabilidade, medindo distribuições de fluxo de corrente em diferentes intensidades de corrente e, finalmente, avaliando correlações de campos elétricos e distribuições de densidade de corrente com medidas de atividade cerebral usando fMRI.

Objetivo Específico 1 (SA1) Aceleração e Melhorias da Sequência de Pulso MREIT.

Objetivo específico 2 (SA2) Replicabilidade e consistência em protocolos tDCS/tACS As distribuições de densidade de corrente serão visualizadas em voluntários normais usando uma montagem F3-F4 com três intensidades de corrente diferentes e repetir a medida em intervalos de pelo menos uma semana. A cada vez, a montagem será reaplicada e os assuntos refeitos. Serão determinadas as variações intra e intersujeitos nas distribuições de corrente e campo elétrico medidos.

Objetivo Específico 3 (SA3) Correlação de medidas funcionais com medidas de distribuição elétrica medidas O desempenho dos participantes em uma tarefa de memória 2-back/0-back será comparado em sujeitos Sham e Active, usando estimulação de intensidade de 1, 1,5 ou 2 mA.