Direkt kortikal mätning av intensiteten och mönstret för strömflödet producerat av TDCS

Noninvasiv hjärnstimulering (NBS) representerar en lovande uppsättning verktyg för neuroterapeutika och rehabilitering. I en litteratursökning har NBS testats för över sjuttio neurologiska och psykiatriska tillstånd. NBS kan komplettera befintliga medicinska behandlingar, speciellt för neurologiska indikationer utan lämpliga farmakoterapier (t. tinnitus, dyskinesi) eller för patienter med läkemedelsresistent sjukdom (t.ex. svårbehandlad epilepsi, svår depression).

I synnerhet modulerar transkraniell likströmsstimulering (tDCS) hjärnans aktivitet genom att leverera lågintensiv enkelriktad ström genom hårbotten. Istället för att inducera aktionspotentialer, modulerar tDCS vilande neuronal transmembranpotential för att påverka hjärnans plasticitet. Ur ett pragmatiskt perspektiv inkluderar tDCS fördelar dessutom dess låga kostnad, portabilitet och användarvänlighet. Dessutom kan tDCS enkelt kombineras med andra interventioner såsom mental bildspråk, datoriserade kognitiva interventioner eller robotassisterad motorisk aktivitet.

Den nuvarande fysiologiska förståelsen av hur TDCS påverkar hjärnans plasticitet på synaptisk, cellulär och nätverksnivå är begränsad. Experimentellt ökar i allmänhet den spontana neuronala avfyrningsaktiviteten under anoden, medan avfyrningsaktiviteten under katoden minskar, även om de exakta effekterna förmodligen beror på axonernas orientering mot det elektriska fältet (Nitsche och Paulus, 2000, Bindman et al., 1964, Creutzfeldt et al., 1962, Purpura och McMurtry, 1965). De neuromodulerande effekterna av tDCS har också i stor utsträckning tillskrivits LTP- och LTD-liknande mekanismer för synaptisk plasticitet, som involverar modulering av NMDA-receptoraktivitet och natrium- och kalciumkanalaktivitet (Hattori et al., 1990, Islam et al., 1995) Liebetanz et al., 2002). Dessutom har funktionella neuroimagingstudier avslöjat både lokala och avlägsna nätverkseffekter inducerade av tDCS, förmodligen medierade av internuronala kretsar (Lefaucheur, 2008).

Att främja utredarnas mekanistiska förståelse för hur tDCS påverkar kortikal excitabilitet på lokal och distribuerad nivå är nödvändigt för att (1) anpassa stimuleringsparametrar (t.ex. elektrodstorlek, positionering, strömintensitet och varaktighet) för att exakt rikta in sig på hjärnregioner och maximera terapeutiska resultat, (2) bekräfta säkerhetsresultat för sårbara patientpopulationer (t.ex. barn, patienter med skalldefekter och implanterad hårdvara). Tidigare har patienter med hårbotten eller skalldefekt exkluderats från stimuleringsprotokoll (Bikson, 2012) på grund av en teoretisk risk för strömshunting genom högledande CSF-samlingar. Men patienter med penetrerande hjärnskada, stroke eller tidigare hjärnkirurgi är just de som kan ha störst nytta av dessa teknologier.

Beräkningsmodeller som använder finita elementmetoder (FEM) syftar till att bestämma mönstret och intensiteten av strömflödet genom hjärnan genom att införliva både (1) stimuleringsparametrar och (2) patientegenskaper som underliggande anatomi och vävnadsegenskaper (t. storlek och placering av skalldefekt i förhållande till elektrodkonfigurationen) (Bikson 2012). Till exempel förutspår en beräkningsmodell som inkluderar elektrodkonfiguration och skalldefektstorlek och egenskaper (Datta et al., 2010) att majoriteten av elektrodkonfigurationer som omger skalldefekten (med undantag för stimulering direkt ovanpå en liten skalldefekt) kommer att inte signifikant öka den maximala kortikala elektriska fältintensiteten. Snarare riktas ström till kanterna av bendefekten, vilket kan vara kontraproduktivt för terapeutiska mål. En annan beräkningsfallstudie på en strokepatient visade att en relativt ledande strokelesion koncentrerade ström i de perilesionella områdena och att placeringen av referenselektroden (t.ex. höger bör, höger mastoid, höger orbitofrontal och kontralateral hemisfär) signifikant förändrade vägen för största strömflödet (Datta et al., 2011).

Ändå är dessa modelleringsförutsägelser begränsade i sin kliniska tillämpning, eftersom experimentell validering är nödvändig. Kvantitativ bestämning av det elektriska fältet på nervvävnadsnivå krävs för att fastställa effektivitet och säkerhet för en given individ (Bikson 2012). Såvitt utredarna vet finns det inga publicerade studier som empiriskt har bekräftat de förutsagda mönstren och nuvarande flödesintensiteter som förutspåtts av dessa modeller. Denna föreslagna experimentella studie representerar den första i sin natur att kvantifiera spänningsintensiteter, mätta vid hjärnans yta, som svar på olika stimuleringsparametrar, och kommer att representera ett betydande framsteg inom området icke-invasiv neurostimulering