L'idea di applicare energia elettrica al cervello umano di modulare la sua attività è stato studiato fin dai tempi antichi. Infatti, scritti da fin dal 11 ^° secolo sono stati trovati che descrivono l'uso del pesce siluro elettrico nel trattamento delle crisi epilettiche ^1. Eppure, non è fino a poco tempo che la stimolazione cerebrale non invasiva ha ricevuto l'interesse diffuso nella comunità scientifica, come è stato dimostrato di produrre effetti modulatori sulla funzione cognitiva e la risposta del motore ^2. Mentre Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) è stato ampiamente studiato fin dai primi anni del 1980 del ^3, recente interesse transcranica stimolazione corrente continua (tDCS) è aumentata in quanto è ormai considerato una valida opzione di trattamento per una vasta gamma di neuropatologie, come l'ictus ^4, dipendenza da alcol ^{5, 6} e il dolore cronico. tDCS ha molti vantaggi rispetto alle tecniche di neurostimolazione come TMS, per esempio,poiché è relativamente poco costoso, indolore, ben tollerata dai pazienti, e portatile, rendendo così possibile somministrare al letto ^7. In realtà, solo una piccola percentuale dei pazienti avvertono una sensazione di formicolio lieve durante la stimolazione ^8. Tuttavia, questa sensazione generalmente scompare dopo pochi secondi ^9. Di conseguenza, tDCS permette, studi sham-controllato in doppio cieco robusti in quanto la maggioranza dei partecipanti non permette di distinguere la stimolazione sham da vera stimolazione ^9,10.

tDCS comporta l'induzione di una costante di corrente elettrica a basso amperaggio (1-2 mA) applicata alla corteccia tramite elettrodi di superficie posizionati sulla cute del soggetto. Gli elettrodi sono generalmente inseriti in spugna imbevuti di soluzione fisiologica o direttamente sul cuoio capelluto con una pasta EEG tipo. Per condurre uno studio tDCS, devono essere controllati dallo sperimentatore quattro parametri principali: 1) la durata della stimolazione; 2) l'intensità della stimolazione; 3) la dimensione dell'elettrodo; e 4) il montaggio dell'elettrodo. In protocolli standard, l'elettrodo "attiva" è posizionato sopra la regione di interesse mentre l'elettrodo di riferimento è solitamente posizionato sulla regione sopraorbitali. La corrente fluisce dall'anodo carica positiva verso il catodo caricato negativamente. L'effetto della tDCS sulla corteccia motoria primaria (M1) è determinato dalla polarità della stimolazione dove stimolazione anodica aumenta l'eccitabilità di una popolazione di neuroni e la stimolazione catodica riduce ^11. Diversamente TMS, la corrente indotta è insufficiente a produrre potenziali d'azione nei neuroni corticali. Le variazioni dell'eccitabilità corticale si ritiene essere dovuto alla modulazione della membrana neuronale soglia che conduce sia alla iperpolarizzazione del potenziale di membrana o di una facilitazione di depolarizzazione dei neuroni a seconda della direzione del flusso di corrente ^8,11. La durata dei cambiamenti di eccitabilità può durare fino a 90 minuti dopo l'offsetdella stimolazione, a seconda della durata di stimolazione ^11,12.

tDCS e Riabilitazione Motoria

La M1 è stato ampiamente utilizzato come un obiettivo di stimolazione in quanto i cambiamenti di eccitabilità indotte da tDCS possono essere quantificati attraverso potenziali evocati motori (MEP) indotti da singolo impulso TMS ^3. I primi studi che mostrano la possibilità di misurare specifici di polarità di eccitabilità cambiamenti indotti dalla tDCS hanno usato M1 come bersaglio di stimolazione ^11,12. Da allora, M1 è rimasto uno degli obiettivi primari della tDCS in studi che coinvolgono entrambe le popolazioni cliniche e soggetti sani a causa della sua importanza nella funzione motoria, la formazione della memoria, e il consolidamento delle capacità motorie ^12.

Il cervello si basa su una complessa interazione tra le regioni a motore di entrambi gli emisferi per l'esecuzione di un movimento ^14. Quando un settore è danneggiato, dopo aver subito un ictus ad esempio, inter-interazioni emisferiche sono alterati. Studi sulla plasticità del cervello hanno dimostrato che le aree motorie del cervello adattarsi a questa modifica in diversi modi ^15. In primo luogo, le intatte, regioni circostanti della zona danneggiata può diventare overactived, che porta alla inibizione della zona danneggiata – un processo chiamato inibizione intra-emisferica. In secondo luogo, la regione omologa della zona danneggiata può diventare overactivated ed esercitare inibizione dell'emisfero ferito – un processo chiamato inibizione inter-emisferica. L'interessato M1 può quindi essere penalizzato due volte: prima dalla lesione e in secondo luogo l'inibizione proveniente sia dal inalterato M1 e la regione circostante della M1 colpito ^16. Un recente studio ha dimostrato che una maggiore eccitabilità nell'emisfero inalterato è legata alla riabilitazione più lenta ^17, che è stato descritto come disadattivi concorrenza tra emisferica ^18.

Comprendere la plasticità che si verifica dopoun ictus può portare allo sviluppo di protocolli di neuromodulazione in grado di ripristinare le interazioni interemisferiche ^19. Tre principali trattamenti tDCS sono stati proposti in pazienti con deficit motori seguenti ictus ^20,21. Il primo trattamento ha lo scopo di riattivare la corteccia motoria lesa dalla stimolazione anodica unilaterale (a-tDCS). In questo caso, la stimolazione mira ad aumentare direttamente l'attività in aree perilesionali, che si ritiene essere essenziale per il recupero. Infatti, gli studi hanno mostrato un miglioramento del paretico arto superiore o inferiore dopo questo trattamento ^22-26. Il secondo trattamento è stata sviluppata con l'obiettivo di ridurre l'eccessiva attivazione dell'emisfero controlesionale applicando tDCS catodica unilaterali (c-tDCS) sulla M1 intatta. Qui, la stimolazione mira ad indirettamente, aumentando l'attività nelle aree perilesionali attraverso interazioni interhemispehric. I risultati di questi studi hanno dimostrato un miglioramento della functi motoredopo c-tDCS ^4,27-29. Infine, il terzo trattamento mira a combinare gli effetti eccitatori di un tDCS sulla ferita M1 con gli effetti inibitori di c-tDCS sul inalterato M1 utilizzando tDCS bilaterali. I risultati hanno mostrato miglioramenti nella funzione motoria dopo tDCS bilaterali ^27,30,31. Inoltre, uno studio ha dimostrato grandi miglioramenti seguenti tDCS bilaterali rispetto a entrambi i metodi unilaterali ^32.

Fisiologici meccanismi di tDCS

Nonostante il crescente utilizzo di tDCS nel trattamento di ictus, il meccanismo fisiologico sottostante suoi effetti rimane sconosciuta ^33. Una migliore comprensione degli effetti fisiologici potrebbe contribuire allo sviluppo di migliori opzioni di trattamento e potrebbe portare a protocolli standardizzati. Come accennato in precedenza, gli effetti della tDCS può durare fino a 90 minuti dopo l'offset della stimolazione ^11,12. Pertanto, iperpolarizzazione / depolarizzazioneI processi non possono spiegare completamente gli effetti di lunga durata ^33,34. Diverse ipotesi sono state proposte per quanto riguarda il meccanismo fisiologico alla base tDCS postumi sulla M1 compresi i cambiamenti di rilascio dei neurotrasmettitori, la sintesi proteica, la funzione dei canali ionici, o attività del recettore ^34,35. Approfondimenti sulla materia sono stati acquisiti attraverso studi farmacologici che mostrano una soppressione della postumi di anodica e la stimolazione catodica sulla M1 eccitabilità da parte del glutammato N-metil-D-aspartato (NMDA) destrometorfano ^36,37, mentre l'effetto contrario è stato dimostrato con un agonista del recettore NMDA ^38. Recettori NMDA sono pensati per essere coinvolti nella funzione di apprendimento e memoria attraverso potenziamento a lungo termine (LTP) e depressione a lungo termine (LTD), sia mediato da neuroni GABAergici del glutammato e ^39,40. Gli studi su animali sono in linea con questa ipotesi in quanto hanno dimostrato che una-tDCS induce LTP ^13.

<p class = "jove_content"> Nonostante i notevoli progressi compiuti nella comprensione dei meccanismi di azione alla base tDCS effetti, i protocolli farmacologici attuali limitazioni importanti. Infatti, l'azione farmaco non può essere spazialmente specifico tDCS, specialmente nel contesto della sperimentazione umana, e il meccanismo di azione dei loro effetti è dovuto principalmente ai recettori postsinaptici ^34. Pertanto, vi è la necessità di indagare più direttamente gli effetti della tDCS sul cervello umano. Spettroscopia di risonanza magnetica protonica ^(1H-MRS) è un buon candidato in quanto consente non invasivo in vivo di rilevamento delle concentrazioni di neurotrasmettitori in una regione specifica di interesse. Questo metodo si basa sul principio che ogni neurochimico-protone contenente nel cervello ha una struttura molecolare specifica e, di conseguenza, produce risonanze chimicamente specifici che possono essere rilevati da ¹ H-MRS ^41. Il segnale acquisito dal volume del cervello inTERESSE è generato da tutti i protoni che risuonano tra 1 e 5 ppm. Le sostanze neurochimiche acquisite sono rappresentate su uno spettro e riportati in funzione del loro spostamento chimico con alcuni picchi chiaramente distinguibili, ma dove molte risonanze dei diversi neurochimiche sovrappongono. L'intensità di ogni segnale di picco è proporzionale alla concentrazione del neurometabolite ^41. La quantità di sostanze neurochimiche che possono essere quantificati dipende dalla forza del campo magnetico ^42,43. Tuttavia, i metaboliti a bassa concentrazione, che sono oscurati dalle risonanze molto forti, sono difficili da quantificare a intensità di campo inferiori come 3 T. Un modo per ottenere informazioni su tali segnali si sovrappongono è quello di rimuovere le forti risonanze tramite editing spettrale. Una di queste tecniche è una sequenza MEGA-PRESS, che consente il rilevamento di acido γ-amminobutirrico (GABA) segnali ^44,45.

Solo pochi studi hanno indagato l'effetto della tDCS sulmetabolismo cerebrale con ¹ H-MRS a motore ^34,46 e non motori regioni ^47. Stagg e collaboratori ³⁴ ha valutato gli effetti di un-tDCS, c-tDCS, e la stimolazione sham sul metabolismo M1. Hanno trovato una significativa riduzione della concentrazione di GABA in seguito a-tDCS, e una significativa riduzione del glutammato + glutammina (Glx) e GABA seguente c-tDCS. In un altro studio, è stato riferito che la quantità di cambiamenti nella concentrazione di GABA indotto da un-tDCS su M1 era legata all'apprendimento del motore ^46.

Questi studi mettono in luce le potenzialità di combinare ¹ H-MRS con tDCS per aumentare la nostra comprensione dei meccanismi fisiologici alla base l'effetto della tDCS sulla funzione motoria. Inoltre, l'uso di protocolli clinici come un tDCS e c-tDCS sopra M1 è utile perché i loro effetti comportamentali sono ben studiata e possono essere direttamente connessi ai risultati fisiologici. Pertanto, un protocollo standard per la combinazione tDC bilateraleS e ¹ H-MRS è dimostrata in soggetti sani con un sistema a 3 T MRI. Bihemispheric tDCS è presentato in contrasto con i dati di uno studio precedente in cui MRS catodica unilaterale o tDCS anodica unilaterali sono stati applicati su corteccia motoria ^34. Il protocollo è descritto specificamente per la stimolazione con uno stimolatore NeuroConn in una T scanner Siemens 3 esegue MEGA-PRESS ¹ H-MRS.