Het gebruik van Magnetic Resonance Spectroscopy als een instrument voor het meten van Bi-hemisferische Transcraniale Elektrische Stimulatie Beïnvloeding van de Primaire Motor Cortex Metabolisme

Het idee om elektriciteit aan de menselijke hersenen zijn moduleren is onderzocht sinds de oudheid. In feite zijn geschriften al vanaf de 11e ^eeuw is gebleken dat het gebruik van de torpedo elektrische vissen in de behandeling van epileptische aanvallen ¹ beschrijven. Toch is pas onlangs dat niet-invasieve hersenstimulatie grote belangstelling in de wetenschappelijke gemeenschap heeft ontvangen het bleek modulerende effecten op de cognitieve functies en motorische respons ² produceren. Terwijl transcraniële magnetische stimulatie (TMS) uitgebreid onderzocht sinds de vroege jaren 1980 ^3, heeft recent belangstelling transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS) toegenomen nu wordt beschouwd als een levensvatbare behandeling voor diverse neuropathologieën, zoals beroerte ^4, alcoholverslaving ^5, en chronische pijn ^6. tDCS veel voordelen heeft boven neurostimulatie technieken zoals TMS, bijvoorbeeld,omdat het relatief goedkoop, pijnloos, goed getolereerd door patiënten en draagbaar, waardoor het mogelijk toe te dienen aan het bed ^7. In feite, slechts een klein percentage patiënten ervaren een mild tintelend gevoel tijdens stimulatie ^8. Echter, dit gevoel verdwijnt meestal na enkele seconden ^9. Bijgevolg tDCS maakt robuuste double-blind, sham-gecontroleerde studies, omdat een meerderheid van de deelnemers kan geen onderscheid maken sham stimulatie van echte stimulatie ^9,10.

tDCS betreft de inductie van een constante lage stroomsterkte elektrische stroom (1-2 mA) aangebracht op de cortex via oppervlakte-elektroden aangebracht op de hoofdhuid van het subject. De elektroden worden gewoonlijk geplaatst in zoutoplossing geweekte sponzen of direct op de hoofdhuid een EEG-type pasta. Om een ​​tDCS onderzoek uit te voeren, moeten de vier belangrijkste parameters te worden gecontroleerd door de experimentator: 1) de duur van de stimulatie; 2) de intensiteit van de stimulatie; 3) de grootte van de elektrode; en 4) de elektrode montage. In standaardprotocollen, wordt de "actieve" elektrode geplaatst over het gebied van belang, terwijl de referentie-elektrode meestal via supraorbitale gebied geplaatst. De stroom stroomt van de positief geladen anode naar de negatief geladen kathode. Het effect van tDCS op primaire motorische cortex (M1) wordt bepaald door de polariteit van de stimulatie waar anodische stimulatie verhoogt de prikkelbaarheid van een populatie van neuronen en kathodische stimulering reduceert ^11. In tegenstelling tot TMS, de geïnduceerde stroom is onvoldoende om actiepotentialen produceren in corticale neuronen. De veranderingen in corticale prikkelbaarheid zijn vermoedelijk te wijten aan de modulatie van het neuronale membraan drempel waardoor ofwel de hyperpolarisatie van membraanpotentialen of vergemakkelijking van depolarisatie van neuronen afhankelijk van de richting van de stroom ^8,11. De duur van de prikkelbaarheid veranderingen kunnen aanhouden tot 90 min na de offsetvan stimulatie, afhankelijk stimulatie duur ^11,12.

tDCS en Motor Revalidatie

De M1 is uitgebreid gebruikt als een doel van stimulatie sinds prikkelbaarheid veranderingen uitgelokt door tDCS kan worden gekwantificeerd door middel van de motor evoked potentials (EP) veroorzaakt door enkele puls TMS ^3. Vroege studies tonen de mogelijkheid van het meten van de polariteit-specifieke prikkelbaarheid veranderingen bij tDCS hebben M1 gebruikt als een doel van stimulatie ^11,12. Sindsdien heeft M1 bleef een van de primaire doelstellingen van tDCS in studies waarbij zowel klinische populaties en gezonde proefpersonen, omdat het belang ervan in de motorische functies, vorming van het geheugen, en de consolidatie van motorische vaardigheden ^12.

De hersenen is gebaseerd op een complexe interactie tussen motorische gebieden van beide hersenhelften om een beweging te ¹⁴ voeren. Wanneer een gebied wordt beschadigd na een beroerte bijvoorbeeld inter-hemisferische interacties worden gewijzigd. Studies over hersenplasticiteit gebleken dat de motorische gebieden van de hersenen aan te passen aan deze wijziging op verschillende manieren ^15. Ten eerste kan het intacte, rond gebieden van het beschadigde gebied overactived, wat leidt tot remming van het beschadigde gebied – een proces dat intra-hemisferische remming. Ten tweede kan het homologe gebied van het beschadigde gebied overactivated geworden en oefenen remming op de geblesseerde halfrond – een proces genaamd inter-hemisferische remming. De getroffen M1 kan dus twee keer worden bestraft: eerst door de laesie en de tweede door de remming afkomstig van zowel de niet-aangedane M1 en de omliggende regio van de getroffen M1 ^16. Een recente studie heeft aangetoond dat verhoogde prikkelbaarheid in de onaangetaste hemisfeer gekoppeld langzamer herstel ^17, die is beschreven als onaangepast inter-hemisferische concurrentie ^18.

Inzicht in de plasticiteit optreedt naeen beroerte kan leiden tot de ontwikkeling van neuromodulatie protocollen die interhemisferische interacties ¹⁹ kunnen herstellen. Drie belangrijke tDCS behandelingen bij patiënten met motorische stoornissen na een beroerte ^20,21 voorgesteld. De eerste behandeling is bedoeld om de benadeelde motorische cortex activeren door eenzijdige anodische stimulering (a-tDCS). In dit geval stimulatie beoogt rechtstreeks toenemende activiteit in perilesionale gebieden die vermoedelijk essentieel zijn voor herstel hebben. In feite, hebben studies aangetoond verbetering van de paretische bovenste of onderste ledematen na deze behandeling ^22-26. De tweede behandeling werd ontwikkeld met het doel de overactivering van de contralesional hemisfeer door toepassing eenzijdige kathodische tDCS (c-tDCS) over het intacte M1. Hier, de stimulatie is gericht op het indirect toenemende activiteit in perilesionale gebieden via interhemispehric interacties. Resultaten van deze onderzoeken hebben aangetoond verbetering van motorische functina c-tDCS ^4,27-29. Ten slotte is de derde behandeling is gericht op het combineren van de prikkelende effecten van een-tDCS over de gewonde M1 met de remmende effecten van c-tDCS over de onaangetast M1 bilaterale tDCS. De resultaten hebben aangetoond verbeteringen in de motorische functie na bilaterale tDCS ^27,30,31. Bovendien is een studie toonde grotere verbeteringen volgende bilaterale tDCS vergelijking met zowel eenzijdige methodes ^32.

Fysiologische mechanismen van tDCS

Ondanks het toenemende gebruik van tDCS bij de behandeling van een beroerte, de fysiologische mechanisme achter de effecten blijft onbekend ^33. Een beter begrip van de fysiologische effecten zouden kunnen helpen betere behandelingsmogelijkheden te ontwikkelen en zou kunnen leiden tot gestandaardiseerde protocollen. Zoals eerder vermeld, kunnen de effecten van tDCS duren 90 minuten na de verschuiving van stimulatie ^11,12. Daarom hyperpolarisatie / depolarisatieprocessen kan langdurige gevolgen ^33,34 niet volledig verklaren. Verschillende hypotheses zijn voorgesteld met betrekking tot de fysiologische mechanisme dat ten grondslag tDCS na-effecten op M1 met inbegrip van veranderingen in neurotransmitter afgifte, eiwitsynthese, ionkanaalfunctie, of receptor activiteit ^34,35. Inzicht in deze zaak werden voor het eerst verworven door farmacologische studies met een onderdrukking van de na-effecten van de anodische en kathodische stimulering op M1 prikkelbaarheid door de glutamatergische N-methyl-D-aspartaat (NMDA) receptor antagonist dextromethorfan ^36,37 terwijl het tegenovergestelde effect werd aangetoond met een NMDA receptor agonist ^38. NMDA-receptoren zijn gedacht te worden betrokken bij het ​​leren en het geheugen functie door middel van lange termijn potentiëring (LTP) en lange termijn depressie (LTD), beide gemedieerd door Glu en GABA-erge neuronen ^39,40. Dierproeven zijn in lijn met deze hypothese als ze hebben aangetoond dat een-tDCS induceert LTP ^13.

<p class = "jove_content"> Ondanks de belangrijke vooruitgang die is geboekt in ons begrip van de mechanismen van de actie ten grondslag liggen tDCS effecten, farmacologische protocollen aanwezig zijn belangrijke beperkingen. Inderdaad, kan drug actie niet zo ruimtelijk specifiek tDCS zijn, vooral in de context van menselijke experimenten, en het werkingsmechanisme van de gevolgen ervan is vooral te wijten aan post-synaptische receptoren ^34. Daarom is er behoefte directer de effecten van tDCS op het menselijk brein onderzoeken. Proton magnetische resonantie spectroscopie ^(1H-MRS) is een goede kandidaat omdat hiermee niet-invasief in vivo detectie van neurotransmitter concentraties in een bepaald gebied van belang. Deze methode is gebaseerd op het principe dat elke protonbevattende neurochemische in de hersenen heeft een specifieke moleculaire structuur en bijgevolg produceert chemisch specifieke resonanties die kunnen worden gedetecteerd door ^{1H-MRS 41.} De verworven signaal van het volume van in de hersenenlangstelling wordt gegenereerd uit alle protonen die resoneren tussen 1 en 5 ppm. De verworven neurotransmitters worden vertegenwoordigd een spectrum en uitgezet als functie van hun chemische verschuiving enkele duidelijk te onderscheiden pieken, maar waar veel resonanties van de verschillende neurochemicals overlappen. De signaalintensiteit van elke piek is evenredig met de concentratie van de neurometabolite ^41. De hoeveelheid neurotransmitters kunnen worden gekwantificeerd afhankelijk van de sterkte van het magnetisch veld ^42,43. Echter, een lage concentratie metabolieten, die worden overschaduwd door zeer sterke resonanties, zijn moeilijk te kwantificeren bij lagere veldsterkte zoals 3 T. Een manier om informatie over dergelijke overlappende signalen te verkrijgen is aan de sterke resonanties verwijderen via spectrale editing. Eén van dergelijke technieken is een MEGA-PRESS sequentie, die detectie van γ-aminoboterzuur (GABA) signalen ^44,45 toelaat.

Slechts enkele studies hebben het effect van tDCS onderzocht op destofwisseling van de hersenen met behulp van ^1H-MRS in motor ^34,46 en niet-motorische gebieden ^47. Stagg en medewerkers ³⁴ beoordeelde de effecten van een-tDCS, c-tDCS en sham stimulatie op M1 metabolisme. Zij vonden een significante vermindering GABA concentratie na een tDCS en een significante vermindering van glutamaat + glutamine (Glx) en GABA na c-tDCS. In een andere studie werd gemeld dat de hoeveelheid veranderingen in GABA concentratie geïnduceerd door een tDCS dan M1 betrof motorisch leren ^46.

Deze studies wijzen op de mogelijkheden van het combineren van ¹ H-MRS met tDCS aan ons begrip van de fysiologische mechanismen ten grondslag liggen aan het effect van tDCS op de motorische functie te verhogen. Bovendien, het gebruik van klinische protocollen zoals een tDCS en c-tDCS dan M1 is nuttig omdat de gedragseffecten goed bestudeerd en kan direct worden gerelateerd aan fysiologische resultaten. Daarom is een standaard protocol voor het combineren bilaterale TDCS en ^1H-MRS is aangetoond in gezonde vrijwilligers met een 3 T MRI systeem. Bihemispheric tDCS wordt gepresenteerd aan data contrast met een eerdere MRS studie waaraan unilaterale kathodische of eenzijdige anodale tDCS werden aangebracht over motorische cortex ^34. Het protocol is specifiek beschreven voor stimulatie met een NeuroConn stimulator in een Siemens 3 T scanner uitvoeren MEGA-PRESS ¹ H-MRS.