Прямое корковое измерение интенсивности и характера тока, создаваемого TDCS

Неинвазивная стимуляция мозга (NBS) представляет собой многообещающий набор инструментов для нейротерапии и реабилитации. В ходе литературного поиска NBS был протестирован при более чем семидесяти неврологических и психиатрических состояниях. NBS может дополнять существующие медицинские методы лечения, особенно при неврологических показаниях без подходящей фармакотерапии (например, шум в ушах, дискинезии) или у пациентов с фармакорезистентными заболеваниями (например, неизлечимая эпилепсия, тяжелая депрессия).

В частности, транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS) модулирует активность мозга, пропуская однонаправленный ток низкой интенсивности через кожу головы. Вместо того, чтобы индуцировать потенциалы действия, tDCS модулирует трансмембранный потенциал нейронов в состоянии покоя, чтобы влиять на пластичность мозга. Кроме того, с прагматической точки зрения преимущества tDCS включают его низкую стоимость, портативность и простоту использования. Кроме того, tDCS можно легко комбинировать с другими вмешательствами, такими как ментальные образы, компьютеризированные когнитивные вмешательства или двигательная активность с помощью роботов.

Текущее физиологическое понимание того, как TDCS влияет на пластичность мозга на синаптическом, клеточном и сетевом уровне, ограничено. Экспериментально спонтанная активация нейронов под анодом обычно увеличивается, тогда как активность под катодом снижается, хотя конкретные эффекты, вероятно, зависят от ориентации аксонов по отношению к электрическому полю (Nitsche and Paulus, 2000, Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al., 1962; Purpura and McMurtry, 1965). Нейромодуляторные эффекты tDCS также широко объясняются LTP- и LTD-подобными механизмами синаптической пластичности, включая модуляцию активности NMDA-рецепторов и активности натриевых и кальциевых каналов (Hattori et al., 1990, Islam et al., 1995). , Либетанц и др., 2002). Кроме того, исследования функциональной нейровизуализации выявили как локальные, так и отдаленные сетевые эффекты, индуцированные tDCS, вероятно, опосредованные межнейронными цепями (Lefaucheur, 2008).

Продвижение исследователями механистического понимания того, как tDCS влияет на возбудимость коры на локальном и распределенном уровне, необходимо для (1) настройки параметров стимуляции (например, размер электрода, положение, сила и продолжительность тока) для точного нацеливания на области мозга и максимизации терапевтических результатов, (2) подтверждения результатов безопасности для уязвимых групп пациентов (например, дети, пациенты с дефектами черепа и имплантированными металлоконструкциями). Ранее пациенты с дефектами скальпа или черепа исключались из протоколов стимуляции (Bikson, 2012) из-за теоретического риска шунтирования тока через скопления спинномозговой жидкости с высокой проводимостью. Однако пациенты с проникающими травмами головного мозга, инсультом или предшествующими операциями на головном мозге — это именно те, кто может получить наибольшую пользу от этих технологий.

Вычислительные модели с использованием методов конечных элементов (FEM) направлены на определение характера и интенсивности тока, протекающего через мозг, путем включения как (1) параметров стимуляции, так и (2) характеристик пациента, таких как основная анатомия и свойства тканей (например, размер и положение дефекта черепа относительно конфигурации электродов) (Bikson 2012). Например, одна вычислительная модель, включающая конфигурацию электродов, размер и свойства дефекта черепа (Datta et al., 2010), предсказывает, что большинство конфигураций электродов, окружающих дефект черепа (за исключением стимуляции непосредственно поверх небольшого дефекта черепа), будут существенно не увеличивает пиковую интенсивность коркового электрического поля. Скорее ток направляется к краям костного дефекта, что может быть контрпродуктивно для терапевтических целей. Другое вычислительное исследование пациента, перенесшего инсульт, продемонстрировало, что относительно проводящее поражение, вызванное инсультом, концентрирует ток в областях, расположенных вокруг очага поражения, и что размещение контрольного электрода (например, правое предплечье, правый сосцевидный отросток, правое орбитофронтальное и контралатеральное полушарие) значительно изменили путь наибольшего тока (Datta et al., 2011).

Тем не менее, эти прогнозы моделирования ограничены в своем клиническом применении, поскольку необходима экспериментальная проверка. Количественное определение электрического поля на уровне нервной ткани необходимо для установления эффективности и безопасности для данного человека (Bikson 2012). Насколько известно исследователям, нет опубликованных исследований, которые бы эмпирически подтвердили предсказанные модели и текущие интенсивности потока, предсказанные этими моделями. Это предлагаемое экспериментальное исследование представляет собой первое в своем роде количественное определение интенсивности напряжения, измеренного на поверхности мозга, в ответ на различные параметры стимуляции, и представляет собой значительный прогресс в области неинвазивной нейростимуляции.