Dieses Manuskript skizziert ein neuartiges Protokoll, das die gleichzeitige Anwendung der transkraniellen Gleichstromstimulation während der Exposition gegenüber Kriegstrauma-bezogenen Hinweisen unter Verwendung virtueller Realität für Veteranen mit posttraumatischer Belastungsstörung ermöglicht.
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine Form der nicht-invasiven Hirnstimulation, die die Wahrscheinlichkeit eines neuronalen Feuerns durch Modulation neuronaler Ruhemembranen verändert. Im Vergleich zu anderen Techniken ist tDCS relativ sicher, kostengünstig und kann verabreicht werden, während Einzelpersonen an kontrollierten, spezifischen kognitiven Prozessen beteiligt sind. Dieser letzte Punkt ist wichtig, da tDCS überwiegend intrinsisch aktive neuronale Regionen betreffen kann. In dem Bestreben, tDCS als mögliche Behandlung für psychiatrische Erkrankungen zu testen, beschreibt das hier beschriebene Protokoll ein neuartiges Verfahren, das die gleichzeitige Anwendung von tDCS während der Exposition gegenüber traumabedingten Hinweisen mithilfe von Virtual Reality (tDCS + VR) für Veteranen mit posttraumatischer Belastungsstörung (NCT03372460) ermöglicht. In diesem Doppelblindprotokoll erhalten die Teilnehmer entweder 25 Minuten lang 2 mA tDCS oder Scheinstimulation, während sie passiv drei 8-minütige standardisierte Virtual-Reality-Fahrten durch den Irak oder Afghanistan beobachten, wobei Virtual-Reality-Ereignisse während jeder Fahrt an Intensität zunehmen. Die Teilnehmer durchlaufen sechs Sitzungen von tDCS + VR im Laufe von 2-3 Wochen, und die Psychophysiologie (Hautleitfähigkeitsreaktivität) wird während jeder Sitzung gemessen. Dies ermöglicht das Testen von Änderungen innerhalb und zwischen Sitzungen in Hypererregung zu Virtual-Reality-Ereignissen und Zusatzeffekten von tDCS. Die Stimulation erfolgt über ein eingebautes wiederaufladbares batteriebetriebenes tDCS-Gerät mit einer einseitigen Elektrodeneinrichtung von 1 (Anode) x 1 (Kathode). Jede Elektrode wird in einer 3 x 3 cm (Stromdichte 2,22 A/m2)wiederverwendbaren Schwammtasche platziert, die mit 0,9% normaler Kochsalzlösung gesättigt ist. Schwämme mit Elektroden werden mit einem Gummikopfband am Schädel des Teilnehmers befestigt, wobei die Elektroden so platziert sind, dass sie auf Regionen innerhalb des ventromedialen präfrontalen Kortex abzielen. Das Virtual-Reality-Headset wird so über die tDCS-Montage gelegt, dass Elektrodenstörungen vermieden werden.
Posttraumatische Belastungsstörung (PTBS) ist eine chronische und behindernde Erkrankung, die besonders bei Veteranen vorkommt. Trotz seiner Prävalenz und verheerenden Auswirkungen haben viele, die eine evidenzbasierte Psychotherapie für PTBS erhalten, signifikante Restsymptome1. Die synergistische Anwendung der nicht-invasiven Hirnstimulation zusammen mit PTBS-fokussierten Prinzipien der Psychotherapie bietet die Möglichkeit, therapeutische Gewinne zu verbessern und PTBS-bedingte Belastungen zu senken.
Eine Kernkomponente der PTBS ist die Unfähigkeit, eine maladaptive Angstreaktion zuhemmen2,3. Pathologisch erhöhte Aktivität in der Amygdala und im dorsalen vorderen cingulären Kortex, Regionen, die die Angstreaktion erleichtern, wurde bei PTBS durchweg berichtet. Dies ist zusammen mit einer reduzierten Aktivität im ventromedialen präfrontalen Kortex (VMPFC), einer Region, von der angenommenwird,dass sie die Angstreaktion herunterreguliert3,4,5,6,7. Dementsprechend kann die Erhöhung der endogenen VMPFC-Aktivität während der Verarbeitung angstauslösender Reize eine vielversprechende Methode sein, um die Hemmung von Angst und die Wirksamkeit expositionsbasierter Behandlungen zu verbessern.
Expositionsbasierte Psychotherapien, eine Erstlinienbehandlung für PTBS, zielen darauf ab, korrigierendes Lernen zu erleichtern, indem sie den Patienten beibringen, dass die gefährliche Erfahrung (d. H. Die Ursache ihrer PTBS) in ihrer aktuellen Umgebung nicht mehr vorhanden oder bedrohlich ist8,9. Emotionales Engagement in der PTBS-Therapie ist eine entscheidende Komponente des Erfolgs10, wird aber durch Patienten behindert, die belastende Emotionen und das Vorhandensein komorbider psychiatrischer Störungen vermeiden möchten. Ein attraktiver Ansatz zur Maximierung und Verfolgung des emotionalen Engagements während der Sitzungen ist die Verwendung immersiver und kontextrelevanter Virtual Reality (VR)-Umgebungen11,12. Die VR-Implementierung wird durch frühere Daten unterstützt, die darauf hindeuten, dass VR Wirksamkeitsraten generieren könnte, die mit denen vergleichbar sind, die mit standarden kognitiven Verhaltensinterventionen11,13,14beobachtet wurden. VR hat den zusätzlichen Vorteil, eine standardisierte Umgebung für die Behandlungsentwicklung für spezifische Hypothesentests bereitzustellen.
Die VR-Umgebung ermöglicht darüber hinaus die Integration von begleitenden nicht-invasiven Hirnstimulationsmethoden, wie der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS). tDCS verändert die kortikale Erregbarkeit durch subthresresholdation neuronaler Ruhemembranpotentiale unter Verwendung eines schwachen (typischerweise 1 – 2 mA) konstanten elektrischen Stroms15. Die Stimulation erfolgt typischerweise über einen Zeitraum von 20 bis 30 Minuten. Die Auswirkungen von tDCS sind abhängig von der aktuellen Polarität. Obwohl eine zu starke Vereinfachung theoretisch der positive Stromfluss (d.h. die Anodalstimulation) die Wahrscheinlichkeit einer neuronalen Depolarisation erhöht, während der negative Stromfluss (d.h. die kathodale Stimulation) die Wahrscheinlichkeit neuronaler Aktionspotentiale verringert16,17. Als solches bereitet tDCS das Gehirn auf nachfolgende Reaktionen auf externe Reize vor, um das Lernen und Gedächtnis zu erleichtern18.
tDCS hat ein günstiges Sicherheitsprofil als risikoarme Technik, die gut vertragen wird und mit minimalen Nebenwirkungen verbunden ist19,20. tDCS ist auch preiswert; tDCS-Geräte kosten rund 9.000 US-Dollar im Vergleich zu > 70.000 US-Dollar für klinisch verfügbare nicht-invasive Hirnstimulationsmethoden wie die transkranielle Magnetstimulation. tDCS-Geräte sind auch tragbar, da sie batteriebetrieben sind, anstatt einen dedizierten Stromkreis zu benötigen. Diese Portabilität ermöglicht den Einsatz an jedem Bürostandort oder Raum, auch zu Hause. Diese Faktoren ermöglichen den Einsatz von tDCS in Kombination mit therapeutischen Interventionen einschließlich VR und bestehenden Modellen der PTBS-Behandlung. Flexibler Einsatz kann in der neuen Landschaft, die psychiatrische Versorgung und nicht-invasive Hirnstimulation in der Post-COVID19-Welt bietet, besonders wichtig sein.
Das unten beschriebene Protokoll wurde entwickelt, um tDCS während der VR-Administration (tDCS + VR) bei Personen mit kriegsbedingter PTBS zu integrieren, um die ängstliche Gewöhnung zu verstärken. Die VR-Sitzungen ermöglichen es, die Exposition gegenüber traumabezogenen Ereignissen für die Teilnehmer zu standardisiert, um einen konsistenten Inhalt für diese Gewöhnung zu gewährleisten. Die Teilnehmer durchlaufen sechs Sitzungen von tDCS+VR im Laufe von zwei bis drei Wochen, wobei jede Sitzung aus drei identischen VR-Drive-Throughs besteht. Sechs Sitzungen wurden ausgewählt, um die Dauer von VR in Rothbaum et al.14 und Difede & Hoffman21 anzunähern. Diese Anzahl von Sitzungen zeigte Wirksamkeit in typischen, nicht-VR-Behandlungsstudien (z. B. Bryant et al.22) und wurde durch Machbarkeitsdaten aus der vorherigen Pilotstudie23weiter informiert. Während jeder Sitzung wird die Psychophysiologie (d.h. der Hautleitfähigkeit) gemessen. Dies ermöglicht das Testen von Änderungen innerhalb und zwischen Sitzungen bei Hypererregung zu Virtual-Reality-Ereignissen und Zusatzeffekten von tDCS. Die tDCS-Intensität ist auf 2 mA eingestellt und wird über einen eingebauten batteriebetriebenen Stimulator geliefert, der einen konstanten Gleichstrom unter Verwendung einer einseitigen Elektrodeneinstellung von 1 (Anode) x 1 (Kathode) liefert. Jede Elektrode wird in einer 3 x 3 cm (Stromdichte 2,22 A/m2)wiederverwendbaren Schwammtasche platziert, die mit 0,9% normaler Kochsalzlösung gesättigt ist. Schwämme mit Elektroden werden mit einem Gummikopfband am Schädel des Teilnehmers befestigt, wobei die Anode über Fp1- und AF3-Regionen und die Kathode über PO8 des 10 – 20 EEG-Elektrodenkoordinationssystems platziert wird, um den ventromedialen präfrontalen Kortex anzusprechen und gleichzeitig die kathodale Stimulation über dem präfrontalen Kortex zu verhindern. Ähnliche Elektrodenmontagen, die auf die VMPFC abzielen, wurden verwendet, um die Auslöschung von konditionierten Angstreaktionen von unserem Labor24,25 sowie anderen26zu modulieren. Das Virtual-Reality-Headset wird so über die tDCS-Montage gelegt, dass Interferenzen mit tDCS-Elektroden vermieden werden. tDCS sollte während der Einführung von VR23 beginnen und durchgehend fortgesetzt werden. Die Teilnehmer kehren für 1- und 3-monatige Nachbehandlungsbesuche zurück, um die längerfristigen Auswirkungen von tDCS + VR auf Veränderungen der Symptome von PTBS, Depressionen, Angstzuständen und Wut sowie Verbesserungen des Schlafes und der Lebensqualität zu bewerten. Zu testende Hypothesen sind 1A) die Vorhersage, dass aktive tDCS + VR im Vergleich zu Sham + VR zu einer größeren Veränderung der PTBS-Symptome und der Lebensqualität / sozialen Funktion am Ende der Behandlung führt, und 1B) eine anhaltende Veränderung nach 1 und 3 Monaten nach der Behandlung und 2) dass sich die Veränderung der psychophysiologischen Reaktionen, die die Gewöhnung widerspiegelt, auf Veränderungen der PTBS-Symptome und der Lebensqualität / -funktion nach aktivem tDCS + VR im Vergleich zu Sham + VR bezieht. Diese klinische Studie ist unter ClinicalTrials.gov Identifier registriert: NCT03372460.
Das oben beschriebene Protokoll beschreibt die gleichzeitige Anwendung von tDCS und VR im Gegensatz zur seriellen Anwendung beider Techniken. Im Hinblick auf bestehende Methoden ist die gleichzeitige Anwendung von tDCS mit VR wichtig. Während die VR eine kontextuell reichhaltige und immersive Umgebung für die angstbezogene Verarbeitung bietet, ermöglicht die von tDCS bereitgestellte Subthreshold-Stimulation die Modulate der intrinsischen neuronalen Aktivierung, die mit dieser angstbezogenen Verarbeitung verbunden sind. Es gibt mehrere kritische Schritte in diesem Protokoll, die in diejenigen unterteilt werden können, die sich auf die Implementierung von tDCS + VR beziehen, und diejenigen, die sich auf die psychophysiologische Datenerfassung für Analysen beziehen. In Bezug auf tDCS+VR ist es von entscheidender Bedeutung, eine korrekte Randomisierung und gleichzeitige Anwendung von tDCS während der gesamten VR-Sitzung sicherzustellen. Ein weiterer verblindeter Mitarbeiter kann eine weitere Bestätigung der Randomisierung durchführen.
Um die gleichzeitige tDCS+VR zu gewährleisten, sind zwei Aspekte wichtig; 1) die beim Aufbau von tDCS erreichte Impedanz und 2) das Starten des tDCS-Geräts in unmittelbarer Nähe zum Starten von VR. Letzteres Problem ist relativ einfach und sollte sicherstellen, dass tDCS während der gesamten VR-Präsentation kontinuierlich angewendet wird, während es innerhalb der Sicherheitsgrenzen von tDCS bleibt, wenn eine Intensität von 2 mA über eine Dauer von 25 Minuten angewendet wird20. In Bezug auf die Impedanz ist eine niedrige Impedanz wünschenswert. Zu wissen, ob eine ausreichende Impedanz oder Kontaktqualität erreicht wird, hängt vom verwendeten tDCS-Gerät ab. Einige Geräte zeigen eine Impedanz in Ohm an, wo niedriger besser ist, während andere Geräte eine 10- oder 20-Punkt-Anzeigeskala verwenden, die die Kontaktqualität darstellt, wo höher besser ist. Unabhängig vom spezifischen Gerät verbessert die Verwendung von normaler Kochsalzlösung, 0,9% iger NaCl-Lösung, im Gegensatz zu normalem Leitungswasser zur Befeuchtung der Elektrodenschwämme die Impedanz35. Die Verwendung von normalem Leitungswasser sollte weiterhin vermieden werden, da es mit dem Auftreten kleiner Hautläsionen verbunden ist35,36, eine der schwerwiegenderen möglichen Nebenwirkungen von tDCS. Hautläsionen können auch auftreten, wenn die Haut unter den Elektroden vor tDCS37 kräftig abgeschliffen wird oder wenn ein leitfähiges Gel verwendet wird, das35,38austrocknen kann und daher auch vermieden werden sollte. Schließlich kann eine hohe Impedanz vor dem Start von tDCS dazu führen, dass die vorgeschriebenen Sicherheitsparameter des Geräts erreicht oder übertroffen werden, was dazu führt, dass das Gerät während der VR-Verwaltung heruntergefahren wird. Obwohl es wichtig ist, die Elektrodenschwämme ausreichend zu befeuchten, um eine ausreichende Impedanz zu gewährleisten, sollte dies ausgeglichen werden, indem die Elektroden nicht übermäßig eingeweicht werden, da dies dazu führen kann, dass Kochsalzlösung austritt oder tropft, wenn das VR-Headset platziert wird. Das Austreten von Kochsalzlösung kann es dem elektrischen Strom ermöglichen, sich über eine größere Fläche zu “verteilen”, was zu einer niedrigeren, aber unbekannten Stromdichte39führt, die von der tDCS-Intensität (in mA) und der Größe der Elektroden (in cm2)abhängt. Ebenso ist es wichtig, dass das am VR-Kopf montierte Display die Schwämme / Elektroden nicht physisch berührt, um eine Unterbrechung des Stromflusses und das Verschieben der Elektroden zu vermeiden, wenn die Teilnehmer ihren Kopf bewegen.
In diesem Protokoll wird die Hautleitfähigkeit als primäres Ergebnismaß angesehen. Die Hautleitfähigkeit ist ein psychophysiologisches Maß für die Aktivität des sympathischen Nervensystems40. Typische Faktoren, die mit der Erfassung des Hautleitwerts verbunden sind, wie z. B. Auswirkungen von Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit, Alterung, Raucherstatus, Koffeinkonsum und Verwendung von Medikamenten mit anticholinerger Wirkung41, müssen berücksichtigt werden, können aber nicht immer beseitigt werden. Zum Beispiel ist es möglich, die Teilnehmer zu bitten, vor VR-Sitzungen auf die Verwendung koffeinhaltiger Produkte zu verzichten, aber es ist nicht ethisch, sie zu bitten, Antidepressiva abzusetzen. Darüber hinaus zeigt ein Teil der Personen aus Gründen, die nicht immer klar sind, sehr niedrige oder nicht messbare Hautleitfähigkeitswerte und/oder Hautleitfähigkeitsreaktionen, was in Abbildung 4hervorgehoben ist. Es ist daher wichtig, eine ausreichende Stichprobengröße zu registrieren, um den Verlust oder das Fehlen von Daten zu tolerieren. Speziell für die Implementierung dieses Protokolls ist auch zu erwähnen, dass Ereignismarker derzeit während der psychophysiologischen Datenerfassung manuell eingegeben werden. Obwohl dies eine Einschränkung ist, ist es in Krankenhaussystemen nicht ungewöhnlich, dass ein nicht krankenhausverwalteter Computer, in diesem Fall der Computer, auf dem die VR-Umgebung ausgeführt wird, nicht mit dem verschlüsselten Krankenhausinformationstechnologienetzwerk verbunden werden kann. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, dass der Computer, auf dem die VR-Umgebung ausgeführt wird, Signale(z. B. durch einen TTL-Impuls) an den psychophysiologischen Datenerfassungscomputer sendet, der sich im Krankenhausnetzwerk befindet. Obwohl weniger elegant, besteht eine Lösung darin, dass zwei Mitglieder des Forschungsteams während jeder VR-Sitzung anwesend sind. eine, die die VR-Verwaltung steuert, und eine, die Ereignismarker manuell in die psychophysiologische Nachverfolgung eingibt, wie oben in jeder Abbildung zu sehen ist (siehe Abbildung 1, Abbildung 2, Abbildung 3 und Abbildung 4). Dies besteht jedoch nicht für das Vorhandensein eines geringfügigen Zeitunterschieds von weniger als einer halben Sekunde ab dem Zeitpunkt, an dem VR-Ereignisse vom VR-Controller initiiert werden und die zweite Person den Ereignismarker eingibt. Zukünftige Studien möchten dies möglicherweise abschwächen, damit Ereignismarkierungen automatisch registriert werden können. Es wird jedoch dringend empfohlen, ein zweites Mitglied des Forschungsteams zu haben – anders als die Person, die die VR-Umgebung betreibt – der den Teilnehmer während der Sitzungen beobachten kann. Es sollte erwartet werden, dass einige Teilnehmer während der Studie starke emotionale Reaktionen haben oder Cyber-Krankheit-bedingte Nebenwirkungen erfahren. Die Fähigkeit des Forschungsteams, schnell auf diese Situationen zu reagieren, gewährleistet die bestmögliche Versorgung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Protokoll simultanes tDCS während VR verwendet, um die Besiedlung auf traumabezogene Szenarien zu erweitern. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist die Verwendung eines immersiven traumabezogenen Kontexts und die Anwendung einer nicht-invasiven Hirnstimulationstechnik während eines klinisch relevanten kognitiven Prozesses, anstatt beides nacheinander zu tun. Während das hier beschriebene Protokoll die In-Office-Anwendung in einer Veteranenprobe mit PTBS verwendet, kann dieser Ansatz der gleichzeitigen nicht-invasiven Hirnstimulation und virtuellen Realität auf andere angstbasierte und Angststörungen sowie auf Anwendungen von expositionsbasierten Ansätzen zu Hause übertragen werden.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Sydney Brigido, Hannah Hallett, Emily Aiken, Victoria Larson, Margy Bowker, Christiana Faucher und Alexis Harle für ihren engagierten Einsatz bei diesem Projekt. Diese Arbeit wurde durch einen Merit Award (I01 RX002450) aus den VEREINIGTEN STAATEN (USA) unterstützt. Abteilung für Veteranenangelegenheiten, Rehabilitationsforschung und -entwicklung und das Zentrum für Neurorestoration und Neurotechnologie (N2864-C) bei providence VA (VA Rehabilitation Research and Development Service). Die in diesem Artikel geäußerten Ansichten sind die der Autoren und repräsentieren nicht die Ansichten des US-Ministeriums für Veteranenangelegenheiten oder der Regierung der Vereinigten Staaten. Wir danken allen Teilnehmern.
ECG data acquisition module | Biopac | Part #: ECG100C | ECG100C Electrocardiogram Amplifier records electrical activity generated by the heart to record ECG. |
ECG electrode patches | Biopac | Part #: EL503, EL503-10 | These pre-gelled disposable electrodes have a circular contact and are most suitable for short-term recordings, including surface EMG, ECG, EOG, etc |
ECG leads | Biopac | 2 x Part #: LEAD110 | These electrode leads are used with the EL500 series disposable snap electrodes. |
EDA/GSR acquisition module | Biopac | Part #: EDA100C | The EDA100C Electrodermal Activity Amplifier measures both the skin conductance level (SCL) and skin conductance response (SCR) as they vary with sweat gland (eccrine) activity due to stress, arousal or emotional excitement. |
EDA/GSR electrode patches | Biopac | Part #: EL507, EL507-10 | These disposable snap electrodes are designed for electrodermal activity studies and are pre-gelled with isotonic gel. The latex-free electrodes conform and adhere well to fingers/hands. Use with LEAD110A or SS57L unshielded electrode lead. |
EDA/GSR leads | Biopac | 2 x Part #: LEAD110, LEAD110A, LEAD110S-R, LEAD110S-W | These electrode leads are used with the EL500 series disposable snap electrodes. |
HD/tDCS-Explore Neurotargeting Software | Soterix Medical | Contact Soterix Medical | Software to assist in electrical field modeling and optimization of electrode montages for brain targeting. Free available options include ROAST and SIMNibs that run in Matlab. |
Psychophysiology (ECG & EDA/GSR) analysis software | Biopac | Part #: ACK100W, ACK100M | Biopac AcqKnowledge software data acquisition and analysis software allows for waveform analysis and instantly view, measure, analyze, and transform data. |
Psychophysiology measuring equipment for ECG and EDA/GSR | Biopac | Part #: MP160WSW, MP160WS | MP160 data acquisition system; needs connected EDA/GSR and ECG modules ordered separately, see next two entries. |
Randomization and data capture software | Redcap | https://www.project-redcap.org/ | REDCap software and consortium support are available at no charge to non-profit organizations that join the REDCap consortium. Joining requires submission of a standard, online license agreement. |
Saline – 0.9% NaCi | e.g Vitality Medical | e.g. #37-6280 | Regular saline can be purchased from different vendors. |
tDCS electrodes and sponges | Jali Medical (USA) | Contact Jali Medical | tDCS electrodes and sponges sold separately – contact vendor to order correct size (e.g. 5×5 cm) |
Transcranial direct current stimulator (tDCS) | Jali Medical (USA) | Contact Jali Medical | The neuroConn DC-STIMULATOR PLUS* is a single-channel programmable direct and alternating Current Stimulator. |
Virtual reality system | Virtually Better | Contact Virtually better | PTSD Suite from Virtually better "Bravemind" is an application for clinicians specializing in treating Posttraumatic Stress Disorder (PTSD). |