Механизм и дозиметрические исследования в методах магнитно-резонансного картирования токов ТЭС (TES)

Методы транскраниальной электрической стимуляции (tES), такие как транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS) и транскраниальная стимуляция переменным током (tACS), показаны при таких различных состояниях, как реабилитация после инсульта, эпилепсия, а также для улучшения памяти. С 2000 года были опубликованы тысячи исследований ЭС. В типичных процедурах tDCS пара больших электродов (например, 25 см2) прикрепляется к коже головы, и между ними пропускают постоянный ток 1-2 мА в течение 10-30 минут. В tACS постоянная сила тока аналогична, но обычно используется переменная синусоидальная форма волны. Существуют вариации этих методов. Например, в колебательном tDCS колеблющийся во времени ток комбинируется с постоянным током смещения. При транскраниальной стимуляции случайным шумом (tRNS) применяются случайные во времени токи с фиксированной максимальной интенсивностью. Эти стратегии транскраниальной электрической нейромодуляции были показаны для широкого спектра состояний, включая реабилитацию после инсульта, лечение эпилепсии, а также для улучшения когнитивных, моторных и языковых функций и памяти у здоровых людей. Детали основных механизмов как tDCS, так и tACS остаются неясными. Предполагалось, что эффекты tDCS наиболее сильны в структурах мозга, ближайших к стимулирующим электродам, и что эти структуры испытывают самые сильные электрические поля или ток. Было обнаружено, что в tDCS, применяемом при силе тока 1 мА, возбуждающие эффекты широко коррелируют с размещением большего количества положительных электродов над целевой структурой, а тормозящие эффекты наблюдаются в структурах под катодами. Было высказано предположение, что это связано с тем, что приложенное извне поле либо деполяризует, либо гиперполяризует напряжение покоящейся мембраны в ткани-мишени, что приводит к повышению возбудимости или торможению соответственно. Это говорит о том, что при увеличении силы тока может возникнуть повышенная возбудимость или торможение. Однако есть данные и о том, что при силе тока 2 мА наблюдается повышенная возбудимость независимо от полярности. Наблюдаемые эффекты могут также зависеть от общего времени стимуляции.

Было обнаружено, что при tACS на низких частотах (до 80 Гц) частоты возбуждения tACS могут вовлекать нейронные сети с возбуждающими или тормозными эффектами, которые зависят от выбранной частоты, силы тока и фазы приложения тока по отношению к лежащим в основе ритмам ЭЭГ. .

Сообщалось о межсубъектной изменчивости как при tDCS, так и при tACS, и воспроизводимость исследований была проблематичной. Помимо факторов, связанных с исходным состоянием субъекта, индивидуальной нейроанатомией и различиями в объеме спинномозговой жидкости, также было высказано предположение, что основной вклад в вариабельность между отдельными сеансами исследования или могут быть несоответствия в протоколе наложения электродов. В частности, чрезмерное использование солевой контактной среды может привести к увеличению эффективной площади электрода за пределами поверхности электрода, а если крепежные ремни тоньше электродов, площадь контакта может уменьшиться. Электроды также могут перемещаться во время сеансов или размещаться непоследовательно на разных объектах. Между участками воспроизводимость может ухудшиться из-за непостоянства формы, типа и расположения электродов.

Знание точного распределения, сформированного в мозге внешними токами, прояснит результаты многих исследований и, что наиболее важно, позволит более точно изучить механизм. Кроме того, можно легко устранить влияние различных текущих протоколов применения, конструкций электродов и процедур исследования. Таким образом, метод измерения токовых распределений, формируемых tDCS или tACS, мог бы ответить на многие вопросы в этой активной области.

В отсутствие методов, позволяющих легко измерить или отобразить распределение текущего потока, для прогнозирования режимов потока широко использовались вычислительные модели. Существует большая литература, использующая вычислительные модели для изучения влияния различных монтажей, площадей электродов и геометрии на распределение напряжения, электрические поля или протекание тока. Разрабатываются все более сложные подходы для моделирования головы, подвергаемой стимуляции tDCS. По мере роста отрасли сложность модели головы увеличивалась от сферической однородной, сферической с четырьмя отсеками, реалистичной геометрии до анизотропных моделей головы человека с высоким разрешением, подвергающихся электрической стимуляции. Эта последняя категория включала объединение исходных изображений, основанных на МР-изображениях, с диффузионно-взвешенными изображениями субъекта для прогнозирования тензоров проводимости белого вещества. Один из подходов к этому использует собственные векторы тензора поступательной диффузии воды для определения направления тензора проводимости (при условии, что они совпадают) в сочетании с литературными значениями проводимости белого вещества. Другой подход заключается в прямом масштабировании тензора диффузии белого вещества к значениям проводимости. Проводимости большинства других модельных тканей выбираются из значений, измеренных на объемных тканях в литературе. Однако на сегодняшний день проверка этих моделей на людях невозможна.

Были предприняты некоторые попытки измерить текущие распределения в результате tDCS. В недавней статье Opitz et al. измеряли распределения электрического поля, вызванного транскраниальной стимуляцией с помощью электродов, размещенных в билатеральном монтаже (левый и правый виски), с использованием массивов электродов, расположенных вблизи поверхности коры головного мозга пациентов, за которыми ведется наблюдение, для выявления очагов приступов эпилепсии. tACS применяли на частоте 1-15 Гц с интенсивностью 1 мА, и были определены максимальные значения напряженности электрического поля 0,36 и 0,16 мВ/мм. Небольшое частотно-зависимое увеличение проводимости (ок. 10%) и небольшой емкостной эффект. Опять же, эти силы поля обычно недостаточны для прямой стимуляции тканей и поддерживают теории о том, что небольшая деполяризация может быть ответственна за эффекты tDCS.

Исследователи, стремящиеся понять механизмы tES, инициировали исследования фМРТ для изучения корреляции терапевтического тока и активности мозга, о чем свидетельствуют изменения в контрасте BOLD18-20. В ходе этого исследования было отмечено, что действующая администрация создает артефакты на МР-изображениях. В другой статье методы анализа фМРТ использовались для поиска кластеров вокселей, коррелирующих с текущими особенностями потока22. Однако на сегодняшний день не было попыток неинвазивного изображения распределения плотности тока tDCS или tACS непосредственно у людей.

Техника визуализации плотности тока (CDI), предложенная Scott et al. (1991) представляет собой метод преобразования фазовой части магнитно-резонансных изображений в отдельные компоненты вектора плотности магнитного потока, вызванные внешним приложенным током. Затем эти измерения можно использовать для расчета распределения плотности тока с использованием закона Ампера. Базовый метод CDI требует, чтобы внешний ток вводился в субъектов в сочетании с последовательностью RF-импульсов и градиентных полей, используемых для создания MR-изображений. Этот метод был продемонстрирован на фантомах и использован для визуализации тока в мозгу кролика. К сожалению, для людей это невозможно из-за необходимости дважды вращать объект внутри отверстия сканера, чтобы получить все три компонента плотности магнитного потока.

МР-электроимпедансная томография (МРЭИТ) была разработана в течение последнего десятилетия как метод визуализации распределения плотности тока и проводимости в организме человека. Как и в CDI, MREIT требует применения тока к субъекту в сочетании с определенной последовательностью MR. Однако методы МРЭИТ позволяют реконструировать распределения проводимости, электрического поля и плотности тока в субъектах, используя только одну компоненту (Bz) векторов плотности магнитного потока. Недавно разработанный метод MREIT, DT-MREIT, может использоваться для реконструкции полной анизотропной проводимости и распределения плотности тока с использованием данных MREIT и DTI, собранных у одного и того же субъекта, и недавно был продемонстрирован на собаках.

В этой работе исследователи будут использовать методы MREIT для получения:

A. Количественные физические измерения, демонстрирующие воспроизводимость tES, исследующие влияние силы тока, пола и нейроанатомических различий на измеренное распределение тока.

B. Сравнение фактических распределений плотности тока, разработанных в структуре-мишени (DLPFC), с показателями активности фМРТ.

Эти исследования обеспечат первую проверку предположений о том, что

• эффекты стимуляции tDCS являются наибольшими в целевой области
• что самое большое поле и поток тока находятся в целевом регионе. Таким образом, эти исследования могут революционизировать понимание механизмов и практики tES.

Эта работа преследует три цели: одна из них направлена ​​на технические усовершенствования наших нынешних процедур сбора данных MREIT, другая направлена ​​на количественную оценку воспроизводимости, измерение распределения тока при различной силе тока и, наконец, на оценку корреляций распределения электрического поля и плотности тока с измерениями активности мозга. с помощью фМРТ.

Конкретная цель 1 (SA1) MREIT Ускорение последовательности импульсов и улучшения.

Конкретная цель 2 (SA2) Воспроизводимость и согласованность в протоколах tDCS/tACS Распределения плотности тока будут отображаться у нормальных добровольцев с использованием монтажа F3-F4 с тремя различными значениями силы тока, и повторять измерения с интервалами не менее одной недели. Каждый раз монтаж будет применяться повторно, а объекты перерисовываться. Будут определены как внутри-, так и межсубъектные вариации в измеренном распределении тока и электрического поля.

Конкретная цель 3 (SA3) Корреляция функциональных показателей с измеренными показателями электрического распределения Показатели участников в задаче на память 2-обратно/0-обратно будут сравниваться как у симулированных, так и у активных субъектов с использованием стимуляции интенсивностью 1, 1,5 или 2 мА.