TDCS 产生的电流强度和模式的直接皮层测量

无创脑刺激 (NBS) 代表了一组很有前途的神经治疗和康复工具。 在文献检索中，NBS 已针对 70 多种神经和精神疾病进行了测试。 NBS 可以补充现有的药物治疗，特别是对于没有合适药物治疗的神经系统适应症（例如 耳鸣、运动障碍）或患有耐药性疾病的患者（例如 顽固性癫痫、严重抑郁症）。

特别是，经颅直流电刺激 (tDCS) 通过头皮输送低强度单向电流来调节大脑活动。 tDCS 不是诱导动作电位，而是调节静息神经元跨膜电位以影响大脑可塑性。 此外，从务实的角度来看，tDCS 的优势包括低成本、便携性和易用性。 此外，tDCS 可以很容易地与其他干预措施相结合，例如心理意象、计算机化认知干预或机器人辅助运动活动。

目前对 TDCS 如何在突触、细胞和网络水平上影响大脑可塑性的生理学理解是有限的。 在实验上，阳极下的自发神经元放电活动通常会增加，而阴极下的放电活动会减少，尽管精确的效果可能取决于轴突对电场的方向（Nitsche 和 Paulus，2000 年，Bindman 等人，1964 年， Creutzfeldt 等人，1962 年；Purpura 和 McMurtry，1965 年）。 tDCS 的神经调节作用也广泛归因于突触可塑性的 LTP 和 LTD 样机制，涉及 NMDA 受体活性以及钠和钙通道活性的调节（Hattori 等人，1990 年，Islam 等人，1995 年） , Liebetanz 等人，2002 年）。 此外，功能性神经影像学研究揭示了 tDCS 诱导的局部和远距离网络效应，可能由神经元间回路介导 (Lefaucheur, 2008)。

促进研究人员对 tDCS 如何影响局部和分布式皮质兴奋性的机械理解对于 (1) 定制刺激参数（例如 电极尺寸、定位、电流强度和持续时间）以精确定位大脑区域并最大限度地提高治疗效果，(2) 确认弱势患者群体的安全结果（例如 儿童、颅骨缺损和植入硬件的患者）。 以前，头皮或颅骨缺损的患者已被排除在刺激 (Bikson, 2012) 协议之外，因为理论上存在电流通过高导电 CSF 集合分流的风险。 然而，患有穿透性脑损伤、中风或既往脑部手术的患者恰恰是最有可能从这些技术中获益的人。

使用有限元方法 (FEM) 的计算模型旨在通过结合 (1) 刺激参数和 (2) 患者特征（例如潜在的解剖结构和组织特性（例如， 相对于电极配置的颅骨缺损的大小和位置）（Bikson 2012）。 例如，一个包含电极配置和颅骨缺损大小和特性的计算模型（Datta 等人，2010 年）预测，围绕颅骨缺损的大多数电极配置（除了直接在小颅骨缺损顶部刺激外）将不会显着增加峰值皮质电场强度。 相反，电流被引导到骨缺损的边缘，这可能对治疗目标起反作用。 另一项针对中风患者的计算案例研究表明，相对导电的中风病灶会在病灶周围区域集中电流，并且参考电极的放置（例如 右侧应该、右侧乳突、右侧眶额和对侧半球）显着改变了最大电流的路径（Datta 等人，2011 年）。

然而，这些模型预测在其临床应用中受到限制，因为实验验证是必要的。 需要对神经组织水平的电场进行定量测定，以确定特定个体的有效性和安全性 (Bikson 2012)。 据调查人员所知，没有已发表的研究从经验上证实了这些模型预测的预测模式和电流强度。 这项拟议的实验研究代表了第一个量化电压强度的方法，如在大脑表面测量的，以响应各种刺激参数，并将代表无创神经刺激领域的重大进步