Technika i rozważania dotyczące stosowania przezczaszkowej stymulacji prądem stałym o wysokiej rozdzielczości z pierścieniem 4x1 (HD-tDCS)

Podsumowanie

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym o wysokiej rozdzielczości (HD-tDCS), z montażem pierścieniowym 4x1, jest nieinwazyjną techniką stymulacji mózgu, która łączy w sobie zarówno neuromodulacyjne efekty konwencjonalnego tDCS, jak i zwiększoną ogniskowość. Niniejszy artykuł zawiera systematyczną demonstrację zastosowania 4x1 HD-tDCS oraz zagadnienia potrzebne do bezpiecznej i skutecznej stymulacji.

Streszczenie

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym o wysokiej rozdzielczości (HD-tDCS) została niedawno opracowana jako nieinwazyjne podejście do stymulacji mózgu, które zwiększa dokładność dostarczania prądu do mózgu poprzez użycie układów mniejszych elektrod "wysokiej rozdzielczości", zamiast większych elektrod padowych konwencjonalnego tDCS. Celowanie odbywa się poprzez zasilanie elektrod umieszczonych w określonych konfiguracjach. Jednym z nich jest konfiguracja 4x1-ring. W tym podejściu środkowa elektroda pierścieniowa (anoda lub katoda) pokrywająca docelowy obszar korowy jest otoczona czterema elektrodami powrotnymi, które pomagają wyznaczyć obszar stymulacji. Dostarczenie 4x1-ring HD-tDCS jest w stanie wywołać znaczące efekty neurofizjologiczne i kliniczne zarówno u zdrowych ochotników, jak i pacjentów. Co więcej, jego tolerancję potwierdzają badania z użyciem intensywności do 2,0 miliamperów przez okres do dwudziestu minut.

Mimo że 4x1 HD-tDCS jest prosty do wykonania, prawidłowe ustawienie elektrod jest ważne, aby dokładnie stymulować docelowe obszary kory mózgowej i wywierać efekty neuromodulacyjne. Stosowanie elektrod i sprzętu, które zostały specjalnie przetestowane pod kątem HD-tDCS, ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i tolerancji. Biorąc pod uwagę, że większość opublikowanych badań nad 4x1 HD-tDCS była ukierunkowana na pierwszorzędową korę ruchową (M1), szczególnie w przypadku skutków związanych z bólem, celem tego artykułu jest systematyczne opisanie jej zastosowania do stymulacji M1, a także rozważań, które należy podjąć, aby zapewnić bezpieczną i skuteczną stymulację. Jednak opisane tutaj metody można dostosować do innych konfiguracji HD-tDCS i celów korowych.

Wprowadzenie

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) to nieinwazyjna technika stymulacji mózgu, zdolna do modyfikowania potencjału błony spoczynkowej neuronów i poziomu spontanicznego odpalania neuronów w obszarze stymulacji, jak również w połączonych sieciach neuronowych ¹, w tym w endogennym układzie μ-opioidowym ², modulując w ten sposób pobudliwość kory mózgowej. Neuromodulacyjne efekty tDCS, w połączeniu z jego niskim kosztem, prostą aplikacją i przenośnością, doprowadziły do jego szerokiego zastosowania w ciągu ostatniej dekady w wielu różnych warunkach. Obejmowały one badania neurofizjologiczne, interwencje poznawcze i behawioralne oraz badania pacjentów oceniające zaburzenia, takie jak przewlekły ból, depresja, migrena, udar, choroba Parkinsona i szumy uszne ³. Jednak dostarczanie prądu stałego (DC) odbywa się za pomocą dużych padów, najczęściej o długości 25-35^cm2, które stymulują stosunkowo szerokie obszary kory mózgowej znajdujące się między anodą a katodą ⁴. Dlatego ogniskowa stymulacja docelowych obszarów kory mózgowej, nieobejmująca stymulacji sąsiednich obszarów anatomicznych, jest trudna do osiągnięcia tą techniką. Zbadano kilka podejść w celu "kształtowania" przepływu prądu poprzez zmianę odległości między elektrodami ⁵ oraz zwiększanie/zmniejszanie rozmiaru pada w celu zmniejszenia/zwiększenia modulacji w obszarach korowych pod elektrodą ⁶. Niemniej jednak wysiłki zmierzające do dalszego ukierunkowania przepływu prądu przy jednoczesnym uniknięciu bocznikowania prądu między elektrodami ^7,8 pozostają w budowie.

High-Definition (HD)-tDCS to nowo opracowana interwencja, która wykorzystuje tablice mniejszych, specjalnie zaprojektowanych elektrod ⁹. Przetestowano różne konfiguracje, które można modyfikować w celu poprawy stymulacji tarcz ¹⁰. Wśród nich jest konfiguracja pierścieniowa 4x1, montaż, który wykorzystuje elektrodę środkową nakładającą się na docelowy obszar korowy otoczony czterema elektrodami powrotnymi ⁴. Elektroda środkowa określa polaryzację stymulacji jako anodową lub katodową, a promienie elektrod powrotnych ograniczają obszar podlegający modulacji pobudliwości. Badania modelowania mózgu pokazują, że obszar kory mózgowej poddawany modulacji przy użyciu konfiguracji 4x1 HD-tDCS jest bardziej ograniczony w porównaniu ze standardowym montażem bipolarnym konwencjonalnego tDCS ⁴. Ponadto jego ogniskowość jest odporna na parametry tkankowe (modelowania) ¹¹. Kliniczne badania neurofizjologiczne z zastosowaniem przezczaszkowej stymulacji elektrycznej 4x1 potwierdzają dostarczanie prądu ogniskowego ¹².

Potencjalne zastosowania tej interwencji są podobne do tych z konwencjonalnego tDCS. Badania behawioralne i neurofizjologiczne z użyciem 4x1-ring HD-tDCS nad pierwszorzędową korą ruchową (M1) donoszą o zmianach w pobudliwości kory mózgowej ¹³ i skutkach ubocznych, które mogą trwać dłużej niż te wywołane przez konwencjonalny tDCS ¹⁴. Obecne badania z użyciem 4x1-ring HD-tDCS potwierdzają jego tolerancję zarówno u zdrowych osób w ^{wieku 13-15} lat, jak i u pacjentów ^{w wieku 16} lat, gdy intensywność do 2,0 miliamperów (mA) jest dostarczana przez okres do dwudziestu minut. Chociaż HD-tDCS jest dobrze tolerowany, ważne jest, aby używać wyłącznie urządzeń i elektrod, które zostały specjalnie przetestowane do tego celu.

Celem tego artykułu jest systematyczne pokazanie użycia elektrod 4x1-ringowych dla HD-tDCS. Wybrano stymulację M1, ponieważ jest to najczęściej stosowany montaż w różnych warunkach badań klinicznych. Jednak przedstawione metody można dostosować do celowania w inne obszary mózgu, takie jak grzbietowo-boczna kora przedczołowa (DLPFC). Jak zostanie pokazane tutaj, prawidłowe ustawienie elektrod jest łatwe do wykonania, ale ważne, aby dokładnie stymulować docelowe obszary kory mózgowej. Mamy nadzieję, że ta demonstracja przyczyni się do wsparcia i zwiększenia rygoru przyszłych badań HD-tDCS, które dostarczą dalszych dowodów na mechanizmy i zastosowania tej nowatorskiej interwencji.

Protokół

1. Przeciwwskazania i specjalne względy

1. Przed konfiguracją urządzenia należy upewnić się, że uczestnik nie ma żadnych przeciwwskazań do HD-tDCS. Zasadne wydaje się założenie, że przeciwwskazania te są takie same jak w przypadku konwencjonalnego tDCS (Tabela 1). Należy również wziąć pod uwagę inne szczególne względy, takie jak leki przyjmowane przez pacjenta. Na przykład leki działające na ośrodkowy układ nerwowy mogą zmienić pożądane efekty stymulacji.
2. Dokładnie sprawdź skórę głowy uczestnika pod kątem zmian skórnych, takich jak skaleczenia lub objawy zapalne. Unikaj stymulowania obszarów skóry głowy, które wykazują takie zmiany. Dodatkowo należy unikać stymulacji u pacjentów z wadami czaszki lub metalowymi implantami. Jeśli celem badania jest konkretnie zbadanie tej populacji pacjentów, należy wziąć pod uwagę dodatkowe środki ostrożności i rozważyć specjalne dawkowanie (np. w przypadku obliczeniowych modeli przyszłościowych) ¹⁷.

2. Materiały

1. Upewnij się, że wszystkie niezbędne materiały są łatwo dostępne (Tabela 2).
2. Umieść plastikowe osłonki HD w modułowej nasadce rejestrującej elektroencefalogram (EEG). Elektroda środkowa powinna odpowiadać obszarowi docelowemu, w tej demonstracji M1, a promień czterech elektrod powrotnych powinien być dostosowany w oparciu o badany protokół. W tej demonstracji używamy promienia około 7,5 cm, przy czym elektroda środkowa jest umieszczona nad M1, a położenie elektrod powrotnych odpowiada w przybliżeniu Cz, F3, T7 i P3 w międzynarodowym systemie EEG 10-20 ¹⁸.
3. Przed każdą sesją stymulacji włącz konwencjonalne urządzenie tDCS (Soterix 1x1 Stymulator prądu stałego o niskiej intensywności) oraz adapter stymulacji wielokanałowej i sprawdź, czy baterie są naładowane. Jeśli tak nie jest, zaświeci się wskaźnik "niskiego poziomu naładowania baterii" na dowolnym urządzeniu, wskazując, że baterie należy wymienić. Po sprawdzeniu stanu naładowania baterii, urządzenia można wyłączyć aż do momentu bezpośrednio przed stymulacją. Konwencjonalne urządzenie tDCS jest urządzeniem zasilanym bateryjnie, które dostarcza prąd stały o natężeniu kilku mA. Ze względu na zmieniającą się impedancję elektrody preferowany jest stymulator sterowany prądem, a nie sterowany napięciem. Ze względów bezpieczeństwa zawsze odradza się korzystanie z zasilaczy, aby uniknąć przypadkowego dostarczenia większych natężeń. Działanie tego urządzenia zostało opisane w naszym poprzednim artykule ¹⁹. Po podłączeniu konwencjonalnego urządzenia tDCS do adaptera stymulacji wielokanałowej (ilustracja 1), prąd stały jest dostarczany w konfiguracji 4x1 HD-tDCS, co pozwala na neuromodulację ograniczoną do żądanego obszaru.
4. Przed każdą sesją przed użyciem sprawdź wzrokowo elektrody pod kątem oznak nietypowego zużycia lub uszkodzenia. Elektrody HD-tDCS są wielokrotnego użytku, ale mają ograniczoną liczbę zastosowań (patrz Dyskusja). Zespoły elektrod używane w HD-tDCS powinny być specjalnie zaprojektowane lub przetestowane w tym celu. W podejściu przedstawionym w tym artykule wykorzystano spiekane elektrody pierścieniowe Ag/AgCl (rysunek 2). Wykazano, że zastosowanie tych elektrod, w połączeniu z odpowiednim żelem przewodzącym prąd elektryczny i osłonami z tworzywa sztucznego HD, minimalizuje zmiany potencjału elektrody stymulacyjnej i zmiany pH w żelu, nie powodując przy tym znaczącego ogrzewania ^9,20, co skutkuje bezpieczniejszym i skuteczniejszym podejściem w porównaniu z innymi typami elektrod.
5. Podłącz pięciu spiekanych elektrod pierścieniowych Ag/AgCl do pasujących odbiorników na wyjściowym adaptera 4x1. Elektroda środkowa będzie tą, która określa polaryzację stymulacji jako anodową lub katodową. Upewnij się, że przewód elektrody środkowej jest podłączony do wtyczki środkowego odbiornika. Następnie podłącz pozostałe elektrody do otaczających wtyczek. Należy zauważyć, że ułożenie czterech elektrod powrotnych we wtyczkach odbiornika nie jest krytyczne, ponieważ wszystkie będą miały tę samą polaryzację.

3. Pomiary

Pomiar głowy i lokalizacja obszaru stymulacji są identyczne jak w przypadku konwencjonalnego tDCS, jak wyjaśniono w naszym poprzednim artykule ¹⁹. Kroki zostaną ponownie szczegółowo opisane w celu uzyskania dalszych wyjaśnień.

1. Niech uczestnik usiądzie wygodnie na krześle, które może mieć zagłówek.
2. Miejsce stymulacji jest określane przez protokół interesujący badaczy, ponieważ stymulacja różnych obszarów daje różne efekty. Najczęściej do pomiarów głowy wykorzystuje się międzynarodowy system EEG ^{10-20 18}, jak opisano poniżej.
3. Najpierw zlokalizuj wierzchołek (Cz).
   1. W tym celu zmierz odległość od nasiona do wcięcia i podziel odległość przez połowę. Nasiono to miejsce na styku czoła i kości nosowych, a wgłębienie jest najbardziej widocznym punktem kości potylicznej (ryc. 3). Zaznacz to miejsce jako linię, używając ołówka olejnego lub nietoksycznego markera na bazie wody.
   2. Po drugie, zmierz odległość między lewym i prawym punktem przedusznym (tj. obszarem przed tragusem). Podziel tę odległość przez pół i zaznacz miejsce linią. Teraz połącz obie linie, aby utworzyć krzyż. Punkt, w którym przecinają się obie linie, odpowiada Cz.
4. W zależności od badanego protokołu zidentyfikuj docelowe miejsce na głowie.
   1. Aby stymulować pierwszorzędową korę ruchową (M1), oblicz 20% odległości od Cz do lewego lub prawego punktu przedusznego, rozpoczynając pomiar od Cz (ryc. 3). W celu bardziej precyzyjnego określenia tego obszaru odpowiednie może być zastosowanie metod wspomagających, takich jak systemy neuronawigacji lub przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS).

4. Przygotowanie skóry

1. Przygotuj skórę w miejscu stymulacji, rozdzielając włosy. Wacik nasączony alkoholem może być użyty w celu usunięcia sebum lub produktów do włosów ze skóry głowy. Nie ścieraj skóry. Upewnij się, że nie ma żadnych zmian skórnych.

5. Ustawianie elektrod i konfiguracja urządzenia

1. Po zmierzeniu wymiarów głowy i przygotowaniu skóry znajdź znak odpowiadający M1.
2. Następnie, trzymając znak M1 w zasięgu wzroku, umieść modułową nasadkę zapisu EEG na głowie badanego, trzymając środkową plastikową obudowę nad znakiem. Aby utrzymać znak krzyżyka M1 na skórze głowy w zasięgu wzroku, można przesuwać włosy przed umieszczeniem na nich osłonki HD. Upewnij się, że nasadka jest dobrze dopasowana, ale wygodna, i wyreguluj położenie czterech plastikowych osłonek powrotnych. Chociaż inne podejścia są z pewnością wykonalne, w poprzednim badaniu ¹⁶ umieściliśmy elektrody powrotne w promieniu około 7,5 cm od M1. Ich lokalizacje odpowiadały w przybliżeniu Cz, F3, T7 i P3 (Rysunek 4). Następnie wyreguluj paski czepka EEG.
3. Za pomocą taśmy mierniczej sprawdź, czy odległość między elektrodami jest odpowiednia w oparciu o protokół badania.
4. Za pomocą końcówki drewnianego bawełnianego wacika oddziel włosy przez otwór w plastikowej obudowie, aż skóra głowy zostanie odsłonięta. Powtórz pod każdą osłonką.
5. Wprowadź około 1,5 ml żelu przewodzącego prąd elektryczny przez otwór każdej plastikowej osłonki, zaczynając od powierzchni skóry głowy. Aplikację żelu można uzyskać za pomocą plastikowej strzykawki. Ostrożnie unikaj rozprowadzania żelu poza obwodem plastikowej obudowy, ponieważ może to prowadzić do bocznikowania prądu elektrycznego i niewystarczającego przepływu prądu (rysunek 5).
6. Następnie, z szorstką powierzchnią skierowaną w dół i gładką zaokrągloną powierzchnią skierowaną do góry, umieść jedną spiekaną elektrodę pierścieniową Ag/AgCl w każdej plastikowej obudowie HD. Używając strzykawki lub tłoka jako prowadnicy, jeśli to konieczne, opuścić elektrodę pierścieniową, aż oprze się na podstawie plastikowej osłony.
7. Dodaj trochę więcej żelu, aby przykryć elektrodę, a następnie użyj nasadek dostarczonych z plastikowymi osłonkami HD, aby zablokować elektrody na miejscu (Rysunek 6). Ta nasadka utrzyma elektrodę na miejscu przez cały czas stymulacji. Obróć nasadkę, aby zablokować ją na miejscu. Jeśli plastikowa nasadka nie obraca się łatwo, nie używaj nadmiernej siły. Ponownie wyreguluj elektrodę zgodnie z opisem w 5.6, a następnie spróbuj zablokować nasadkę na miejscu. Nasadka plastikowej obudowy HD została zaprojektowana tak, aby łatwo się obracała, jeśli spiekana elektroda oczkowa Ag/AgCl jest włożona całkowicie i we właściwym położeniu.
8. Aby zmniejszyć napięcie elektrod, owiń je wokół każdej plastikowej osłony i przyklej do krzesła lub ubrania osoby badanej (Rysunek 7).
9. Podłącz zaokrąglony koniec wyjściowego do portu wyjściowego adaptera 4x1.
10. Użyj wejściowego, aby podłączyć wielokanałowy adapter stymulacji 4x1 do konwencjonalnego urządzenia tDCS. Podłącz końcówkę z wtyczką stożkową wejściowego do portu wejściowego adaptera 4x1, a drugi koniec wejściowego (dwie wtyczki bananowe) do portu wyjściowego konwencjonalnego urządzenia tDCS. Co ważne,, który jest oznaczony jako "Środek", to ten, który określi polaryzację prądu stałego dostarczaną z elektrody środkowej jako anodową lub katodową. Należy pamiętać, że w przypadku korzystania z wielokanałowego adaptera stymulacji 4x1 w połączeniu z konwencjonalnym urządzeniem tDCS nie ma przełącznika ani przycisku do wyboru centralnej anody lub centralnej katody. Polaryzacja ta jest określana w procesie podłączania połączeniowego wtyków bananowych do konwencjonalnych wyjść urządzenia tDCS, jak opisano powyżej. W TDCS I HD-TDCS "ANODE" ODNOSI SIĘ DO STOSUNKOWO DODATNIEGO ZACISKU, W KTÓRYM DODATNI PRĄD PRZEPŁYWA DO CIAŁA. Z drugiej strony "katoda" jest względnym ujemnym zaciskiem, w którym prąd dodatni wychodzi z ciała.
11. Gdy połączenia będą gotowe, włącz oba urządzenia.
12. Upewnij się, że wartości impedancji mieszczą się w odpowiednim zakresie, przekręcając pokrętło "Wybór trybu" w adapterze stymulacji wielokanałowej 4x1 do pozycji "Scan". Urządzenie następnie przeskanuje elektrody, pokazując impedancję jednej elektrody na raz w oknie wyświetlacza. Przycisk "Przełącznik ołowiu" może być użyty do przełączenia tego automatycznego przełączania elektrod na wyświetlaczu. Przycisk można nacisnąć, aby zablokować wyświetlacz na wybranej elektrodzie i sprawdzić impedancję. Następnie można go ponownie nacisnąć, aby urządzenie mogło zmienić wyświetlaną elektrodę. Adapter do stymulacji wielokanałowej 4x1 będzie mierzył impedancję w "jednostkach jakości". Jakość styku jest normalizowana do tych "jednostek jakości" przez obwód testowy w oparciu o fakt, że rezystancja elektrody jest nieliniowa w stosunku do procesów elektrochemicznych na granicy elektrod ²¹ i że w związku z tym rezystancja elektrody (impedancja) może być myląca. Na przykład pozornie zmierzona rezystancja jest całkowicie zależna od prądu testowego ²². Pożądane są niższe wartości "jednostek jakości". Chociaż do tej pory nie są dostępne żadne ścisłe wytyczne, wartości niższe lub równe 1,50 do 2,0 "jednostek jakości" były używane jako punkt odcięcia we wcześniejszych badaniach ^15,16 .

Nie aktywuj konwencjonalnego urządzenia tDCS, gdy adapter stymulacji wielokanałowej 4x1 jest w trybie "Skanuj" (kontrola impedancji), ponieważ stymulacja nie zostanie dostarczona do obiektu.

13. Jeśli wartości impedancji przekraczają te pożądane limity, otwórz nasadkę plastikowej obudowy zawierającej elektrodę wykazującą wysoką impedancję i wyjmij spiekaną elektrodę pierścieniową Ag/AgCl. Postępuj zgodnie z procedurami opisanymi powyżej (tj. 5.4-5.7), aby wyregulować włos i elektrodę w celu uzyskania optymalnej impedancji. Sprawdź ponownie impedancję, jak opisano w 5.12. Po osiągnięciu docelowej wartości jakości załóż zatyczkę na obudowę. W razie potrzeby powtórz tę samą procedurę dla innych elektrod. Wskazanie optymalnej jakości może się różnić w zależności od obiektu, ale wskaźnik jakości wyższy w jednej elektrodzie niż w innych może wskazywać na słaby kontakt w tej elektrodzie.
14. Gdy potwierdzisz, że jakość impedancji wszystkich elektrod mieści się w żądanym zakresie, przekręć pokrętło "Wybór trybu" w adapterze stymulacji wielokanałowej 4x1 z "Scan" na "Pass". To ustawienie umożliwia przepływ prądu z konwencjonalnego urządzenia tDCS przez elektrody do urządzenia 4x1. Operator jest teraz gotowy do rozpoczęcia stymulacji.

6. Stymulacja

1. Upewnij się, że uczestnik siedzi wygodnie na krześle i pozostaje przytomny podczas stymulacji.
2. HD-tDCS jest teraz stosowany przy użyciu elementów sterujących konwencjonalnego urządzenia tDCS, jak pokazano w naszym poprzednim artykule ¹⁹. Potwierdź czas trwania i intensywność dostarczanej stymulacji i dostosuj urządzenie w razie potrzeby. Dodatkowo określ tryb sesji (stymulacja pozorowana lub aktywna). Jeśli wybrany zostanie tryb pozorowany, urządzenie będzie automatycznie dostarczać prąd tylko przez okres trzydziestu sekund. Doniesiono, że podejście to jest skuteczne w przypadku zaślepienia uczestników zarówno konwencjonalnych badań tDCS ²³, jak i HD-tDCS ¹⁵.
3. Zainicjuj sesję HD-tDCS, naciskając przycisk "Start" konwencjonalnego urządzenia tDCS. Kontrolka "Start" będzie migać wraz ze wzrostem intensywności prądu stałego, a następnie świecić w sposób ciągły po osiągnięciu prądu docelowego. Timer pokaże wtedy pozostały czas, a wskaźnik "True Current" pokaże natężenie prądu dostarczanego do elektrody środkowej i czterech elektrod powrotnych razem wziętych.
4. Może się zdarzyć, że badani będą wykazywać dyskomfort, swędzenie lub mrowienie podczas początkowego okresu stymulacji ²⁴. Jeśli te objawy są zbyt nieprzyjemne, zaleca się ręczne zmniejszanie natężenia prądu o 0,2-0,5 mA przez kilka sekund za pomocą funkcji "Relaks", aż pacjent poczuje się komfortowo. Bezpośrednio po tym należy stopniowo zwiększać intensywność prądu z powrotem do dawki pierwotnej. Wyżej wymienione odczucia zazwyczaj mają tendencję do zanikania po kilku minutach stymulacji.

7. Po zabiegu

1. Po zakończeniu sesji, w razie potrzeby, rezystancje na wszystkich kanałach można ponownie zmierzyć. Otwórz plastikowe nasadki i delikatnie wyjmij spiekane elektrody pierścieniowe Ag/AgCl z obudów. W razie potrzeby użyj końca bawełnianego wacika, aby uniknąć szarpania drutów elektrod. Elektrody należy delikatnie umyć wodą z kranu w celu usunięcia żelu, a następnie wysuszyć przed przechowywaniem.
2. Następnie zdejmij czepek EEG z osadzonymi plastikowymi osłonkami. Nie zdejmuj czepka EEG z zamkniętymi plastikowymi czepkami, ponieważ włosy uczestnika mogą zostać wciągnięte w czepki i/lub osłonki. Plastikowe osłonki należy następnie umyć w celu usunięcia żelu i osuszyć ręcznikiem papierowym.
3. Za pomocą ręcznika papierowego usuń pozostały żel z głowy fotografowanej osoby. Ponieważ żel jest hydrorozpuszczalny, można użyć trochę wody, aby go usunąć.
4. Zaleca się, aby po każdej sesji stymulacji poprosić uczestnika o wypełnienie kwestionariusza w celu monitorowania wszelkich zdarzeń niepożądanych (Tabela 3).

Wyniki

Jeśli elektrody są odpowiednio ustawione, a wartości impedancji mieszczą się w odpowiednim zakresie, prąd stały będzie płynął z anody do wielu katod (dla centrum anody 4x1 HD-tDCS) przez cały czas trwania stymulacji. Docelowe natężenie prądu będzie dostarczane przez konwencjonalne urządzenie tDCS i pokazane we wskaźniku "Prąd rzeczywisty". Podobnie, jeśli zostanie wybrany tryb pozorowany, urządzenie automatycznie przestanie dostarczać prąd stały po około trzydziestu sekundach od jego zainicjowania, a wskaźnik pokaże zaprzestanie dostarczania prądu stałego (ilustracja 8).

Często zdarza się, że uczestnicy zgłaszają swędzenie, mrowienie lub lekkie pieczenie po rozpoczęciu stymulacji. Zjawiska te są często obserwowane zarówno podczas pozorowanego, jak i aktywnego HD-tDCS ^15,16 i powinny wskazywać, że prąd stały jest dostarczany zgodnie z przeznaczeniem. Jednak zazwyczaj mają tendencję do zanikania po pierwszych kilku minutach stymulacji.

Zazwyczaj zakłada się, że obszary mózgu o większym przepływie prądu są bardziej podatne na modulację, podczas gdy regiony o małym lub znikomym przepływie prądu nie będą bezpośrednio dotknięte. W związku z tym oczekuje się, że ogniskowy przepływ prądu wytwarzany przez 4x1-HD-tDCS spowoduje zlokalizowaną neuromodulację. Modele obliczeniowe ^4,14,15 wykazały, że 4x1-ring HD-tDCS powoduje bardziej ogniskową stymulację mózgu w porównaniu z konwencjonalnym tDCS (ryc. 9). Jak donosi Datta, et al. ^4,11, obszar modulacji pobudliwości korowej indukowany przez 4x1-ring HD-tDCS był ograniczony w obrębie obwodu pierścienia, a szczyt pola elektrycznego znajdował się pod elektrodą środkową. W przeciwieństwie do tego, konwencjonalny tDCS powodował stymulację różnych innych obszarów, takich jak ipsilateralne skroniowe i obustronne płaty czołowe, a pole elektryczne osiągało szczyt w połowie odległości między dwiema elektrodami, a nie pod jedną z nich.

HD-tDCS to nowatorska technika, dlatego jej efekty nie były badane tak dokładnie, jak w przypadku konwencjonalnego tDCS. Jednak jego potencjalne zastosowania są podobne, a inne wciąż wymagają zbadania. Obecne badania z użyciem 4x1-ring HD-tDCS pokazują, że u zdrowych ochotników może on znacznie obniżyć progi czuciowe ciepła i zimna oraz prowadzić do marginalnego efektu przeciwbólowego w przypadku progów bólu zimna (ryc. 10) ¹⁵. Ponadto może powodować znaczące zmiany w pobudliwości kory mózgowej, mierzonej za pomocą motorycznych potencjałów wywołanych ^13,14 (ryc. 11). U pacjentów z fibromialgią aktywny 4x1-ring HD-tDCS indukował znaczne zmniejszenie odczuwanego bólu (ryc. 12) i znacznie zwiększył progi wykrywania mechanicznego w porównaniu z pozorem ¹⁶.

Badania porównujące HD-tDCS i konwencjonalne tDCS będą ważne dla wyjaśnienia efektów każdej interwencji. Jednak pojedyncza dziesięciominutowa sesja anodowego HD-tDCS przy 2,0 mA została już opisana przez Kuo i wsp. ¹⁴ w celu wywarcia bardziej widocznych, dłużej utrzymujących się pobudzających efektów ubocznych i bardziej tolerowanej stymulacji niż konwencjonalny tDCS (Figura 13), co potwierdza jego zastosowanie w badaniach i potencjalnie w warunkach klinicznych.

Rysunek 1. Adapter stymulacji wielokanałowej 4x1 (po lewej) podłączony do konwencjonalnego urządzenia tDCS (po prawej).

Rysunek 2. Spiekane elektrody pierścieniowe Ag/AgCl, o gładkich, zaokrąglonych (czarnych) i chropowatych powierzchniach. Elektrody są podłączone do pasujących odbiorników na wyjściowym adaptera 4x1.

Rysunek 3. Anatomiczne punkty orientacyjne (po lewej) i lokalizacja pierwotnej kory ruchowej (M1) w oparciu o Międzynarodowy System EEG 10-20 (po prawej).

Rysunek 4. Proponowane umiejscowienie elektrod HD w oparciu o system 10-20 EEG. Inne montaże mogą być również testowane.

Rysunek 5. Aplikacja żelu elektrycznego (po lewej). Aby zapobiec przetaczaniu się prądu między elektrodami, należy zachować ostrożność, aby uniknąć rozprzestrzeniania się żelu elektrycznego poza granice plastikowej obudowy (po prawej).

Rysunek 6. Umieszczenie elektrody oczkowej w obudowie z tworzywa sztucznego. Szorstka powierzchnia elektrody powinna być skierowana w dół, a gładka zaokrąglona powierzchnia skierowana do góry. Elektrodę oczkową należy następnie opuścić, aż oprze się na podstawie plastikowej obudowy (po lewej), a nasadka zostanie zablokowana na swoim miejscu (po prawej).

Rysunek 7. Przykładowa konfiguracja 4x1 HD-tDCS.

Rysunek 8. Dostarczanie trybu aktywnego (po lewej) i pozorowanego (po prawej) przez konwencjonalne urządzenie tDCS. Z DaSilva, et al. ¹⁹.

Rysunek 9. Porównanie modelu obliczeniowego między pierwotną korą motoryczną 4x1-ring HD-tDCS (powyżej) a konwencjonalnym tDCS przy użyciu standardowego dwubiegunowego montażu gąbki (poniżej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 10. Progi czuciowe ciepła i zimna oraz progi bólu zimna mierzone u zdrowych osób przed (przed) i po (po) 4x1-ring HD-tDCS. Protokół polegał na dostarczeniu 2mA aktywnej anodowej stymulacji HD-tDCS lub pozorowanej stymulacji do pierwszorzędowej kory ruchowej przez 20 minut. Zmodyfikowane z Borckardt, et al. ¹⁵. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 11. Wpływ 4x1-ring HD-tDCS na amplitudę motorycznych potencjałów wywołanych (MEP) u zdrowych ochotników. Protokół polegał na dostarczeniu 1mA aktywnej anodowej stymulacji HD-tDCS lub pozorowanej stymulacji do pierwszorzędowej kory ruchowej przez 20 minut. MEP mierzono przed i po stymulacji, a amplitudę tej ostatniej znormalizowano do wartości wyjściowej. Wąsy reprezentują odchylenia standardowe. Zmodyfikowany z Caparelli-Daquer, et al. ¹³.

Rysunek 12. Wpływ 4x1-ring HD-tDCS na odczuwany ból u pacjentów z fibromialgią. Pacjenci zostali poproszeni o ocenę ogólnego bólu za pomocą wizualnej skali numerycznej przed, natychmiast i 30 minut po stymulacji. Protokół składał się z pojedynczych sesji aktywnej anodowej i katodowej HD-tDCS, dostarczanych do lewej pierwszorzędowej kory ruchowej (2mA przez 20 min) i stymulacji pozorowanej. Wąsy reprezentują błąd standardowy. Zmodyfikowany z Villamar i wsp. ^{Lokal mieszkalny 16}.

Rysunek 13. Porównanie następstw wywołanych stymulacją anodową i katodową przy użyciu konwencjonalnego tDCS i 4x1-ring HD-tDCS. Amplituda potencjału wywołanego silnika (MEP) była mierzona przed i po podaniu 2mA konwencjonalnego tDCS lub 4x1 HD-tDCS przez 10 minut. Przeprowadzono oceny sekwencyjne w celu oceny przebiegu następstw w czasie. Amplituda MEP po stymulacji została znormalizowana do wartości wyjściowej. Zmodyfikowane z Kuo, et al. ^{Rozdział 14}.

Czy kiedykolwiek...	Czy wystąpiła niepożądana reakcja na TMS/tDCS?
	Miałeś atak?
	Miał niewyjaśnioną utratę przytomności?
	Miałeś udar?
	Doznałeś poważnego urazu głowy?
	Miałeś operację głowy?
	Czy miałeś jakieś choroby neurologiczne związane z mózgiem?
	Czy miałeś jakąś chorobę, która mogła spowodować uszkodzenie mózgu?
	Czy cierpisz na częste lub silne bóle głowy?
	Czy masz jakiś metal w głowie (poza ustami) taki jak odłamki, klipsy chirurgiczne lub fragmenty spawania?
	Czy masz jakieś wszczepione urządzenia medyczne, takie jak rozruszniki serca lub pompy medyczne?
	Czy bierzesz jakieś leki?
	Jesteś w ciąży lub jesteś aktywna seksualnie i nie jesteś pewna, czy możesz być w ciąży?
	Czy ktoś w Twojej rodzinie ma epilepsję?
	Czy potrzebujesz dodatkowych wyjaśnień na temat tDCS/HD-tDCS lub związanych z nim zagrożeń?

Tabela 1. Badania przesiewowe pod kątem przeciwwskazań i specjalne względy przed tDCS / HD-tDCS.

Materiały	Jedno konwencjonalne urządzenie tDCS
	Jeden adapter do stymulacji wielokanałowej 4x1
	Cztery akumulatory 9 V
	Jedna modułowa nasadka do zapisu elektroencefalogramu
	Pięć spiekanych elektrod pierścieniowych Ag/AgCl
	Pięć specjalnie zaprojektowanych osłonek z tworzywa sztucznego HD i ich odpowiednich nasadek
	Jeden plastikowy tłok
	Jedna miarka
	Jeden drewniany wacik bawełniany
	Żel przewodzący prąd elektryczny
	Jedna strzykawka o pojemności 3 lub 5 ml
	taśma klejąca
	Ręczniki papierowe

Tabela 2. Materiałów.

Czy wystąpił którykolwiek z poniższych objawów lub skutków ubocznych?	Wprowadź wartość (1-4) w polu poniżej. 1-Nieobecny 2-Łagodny 3-Umiarkowany 4-Ciężkie	Jeśli występuje, czy uważasz, że jest to związane z HD-tDCS? 1-Brak 2-Remote 3-Możliwe 4-Prawdopodobny 5-Określony	Notatki
ból głowy
Ból szyi
Ból skóry głowy
Oparzenia skóry głowy
Mrowienie
Zaczerwienienie skóry
senność
Problemy z koncentracją
Ostra zmiana nastroju
Inne (określić):

Tabela 3. Badania przesiewowe działań niepożądanych po HD-tDCS.

Dyskusja

Kroki krytyczne

Aspekty, które należy sprawdzić przed rozpoczęciem procedury

Przed rozpoczęciem stymulacji badacze powinni upewnić się, że uczestnik nie ma przeciwwskazań do HD-tDCS. Tabela 1 zawiera listę kilku ważnych kwestii, które należy wziąć pod uwagę i podsumowuje najważniejsze przeciwwskazania, w tym obecność metalowych implantów lub urządzeń w głowie, poważne urazy mózgu lub znaczne zmiany skórne. Badacz powinien sprawdzić, czy te ostatnie nie występują w obrębie pierścienia 4x1, przygotowując się do umieszczenia elektrody. Nie zalecamy stosowania tej techniki, jeśli takie zmiany występują. Jest to o tyle istotne, że chociaż nie zgłoszono zmian skórnych podczas stosowania elektrod i osłonek HD pokazanych w tym artykule, uszkodzenia skóry zgłaszano po dostarczeniu kilku kolejnych sesji konwencjonalnego tDCS ³, szczególnie jeśli były wykonywane przez okres 14 dni ²⁵.

Obecność metalowych implantów lub ubytków w czaszce lub miąższu mózgu może znacząco modyfikować przepływ prądu ^17,26 i powodować stymulację obszarów korowych innych niż zamierzone. Ze względów bezpieczeństwa należy unikać stymulacji u pacjentów z wszczepionymi urządzeniami medycznymi. Względne przeciwwskazania obejmują obecność padaczki lub przebyty udar mózgu, chyba że badanie koncentruje się na badaniu tych schorzeń. Należy unikać stosowania HD-tDCS u kobiet w ciąży ze względu na brak danych dotyczących bezpieczeństwa.

Niezwykle ważne jest sprawdzenie biegunowości kabli podczas podłączania adaptera stymulacji wielokanałowej 4x1 do konwencjonalnego urządzenia tDCS. Niezastosowanie się do tego może skutkować dostarczeniem uczestnikowi niewłaściwego rodzaju stymulacji. Upewnij się, że kabel oznaczony jako "Środek", który często może być czerwony, jest podłączony do właściwego zacisku (anody lub katody).

Operator powinien również przeprowadzić oględziny spiekanych elektrod pierścieniowych Ag/AgCl pod kątem śladów osadzania się produktów elektrolizy przed każdym użyciem i wymienić je, jeśli jest to wskazane. Po każdej sesji aktywnej stymulacji produkty reakcji elektrochemicznych mają tendencję do gromadzenia się na szorstkiej powierzchni na dnie elektrod. Z tego powodu zaleca się, aby każda elektroda znajdowała się w środku konfiguracji 4x1 tylko dla dwóch sesji aktywnej stymulacji. Następnie można go obrócić i użyć jako jednej z elektrod powrotnych. Gdy każda z pięciu elektrod w zestawie dwukrotnie posłuży jako elektroda środkowa, zaleca się użycie nowego zestawu elektrod. Łatwo jest oznaczyć każdą elektrodę i zapisać liczbę użyć, aby móc je obracać w skoordynowany sposób. Oprócz tolerancji, (ograniczona) rotacja elektrod ma również na celu uniknięcie przypadku o wysokiej impedancji, w którym prąd nie będzie równomiernie dzielony na cztery elektrody powrotne. Operator jest odpowiedzialny za sprawdzenie jakości styku przed stymulacją (jak wyjaśniono w krokach od 5.12 do 5.14) i upewnienie się, że nie zaobserwowano żadnych nienormalnie wysokich wartości rezystancji.

Może się zdarzyć, że uczestnicy nadmiernie poruszają głowami lub nieumyślnie ciągną za kable i wyrywają je lub łamią. Z tego powodu zaleca się owinięcie każdego kabla wokół jego plastikowej obudowy i przyklejenie kabla wyjściowego adaptera 4x1 do powierzchni (np. krzesła lub ubrania uczestnika).

W razie potrzeby możliwe jest dodanie miejscowych środków znieczulających do skóry głowy, aby zapobiec potencjalnie nieprzyjemnym doznaniom i zwiększyć oślepienie uczestników badania. Należy jednak pamiętać, że chociaż nie zgłoszono oparzeń skóry w przypadku HD-tDCS, teoretyczne ryzyko wystąpienia tego niekorzystnego działania może być niewielkie, a zastosowanie miejscowych środków znieczulających może uniemożliwić uczestnikom zgłoszenie go podczas stymulacji. W tej demonstracji, jak również w naszych poprzednich badaniach, nie stosowaliśmy miejscowych środków znieczulających, ponieważ każdy dyskomfort jest ogólnie zgłaszany jako łagodny.

Jak wspomniano powyżej, aby uzyskać optymalne wyniki, bardzo ważne jest, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się żelu elektrycznego poza granice plastikowej obudowy. W przeciwnym razie prąd może przepływać z jednej elektrody na drugą.

Ważne względy podczas stymulacji

O ile nie jest to wymagane w ramach projektu badania, badany nie powinien spać, czytać ani w inny sposób rozpraszać się podczas sesji stymulacji. Jest to ważne, ponieważ doniesiono, że intensywny wysiłek poznawczy, nuda lub sen, aktywacja mięśni i inne czynności prowadzące do zmian w pobudliwości kory mózgowej mogą skutkować zmienionymi i przeciwstawnymi skutkami konwencjonalnego tDCS ²⁷.

Po rozpoczęciu stymulacji i w celu zapobieżenia skutkom ubocznym nagłego rozpoczęcia przepływu prądu, urządzenie automatycznie zwiększa i zmniejsza prąd w górę i w dół w ciągu trzydziestu sekund. Z podobnych powodów nie należy przełączać się między trybami "Pass" i "Scan", gdy konwencjonalne urządzenie tDCS generuje prąd. Zawsze zaleca się okresowe pytanie badanych, czy czują się komfortowo z zabiegiem, aby upewnić się, że stymulacja przebiega bezpiecznie.

Stymulacja w populacjach wrażliwych, w tym u pacjentów pediatrycznych, może wymagać dostosowania dawki.

Praktyczne aspekty po zabiegu

W celu zebrania dalszych dowodów na temat bezpieczeństwa i monitorowania efektów HD-tDCS, zalecamy skorzystanie z kwestionariusza działań niepożądanych, takiego jak ten przedstawiony w Tabeli 3, który powinien być dostarczony uczestnikom po każdej sesji. Upewnij się, że wykonałeś badania przesiewowe pod kątem obecności najczęstszych działań niepożądanych związanych z HD-tDCS, takich jak dyskomfort, mrowienie, swędzenie i pieczenie. Co więcej, znaczenie tych danych można poprawić, prosząc również o ilościowe subiektywne wyniki. Można to osiągnąć dzięki zastosowaniu skali numerycznej, w której pacjenci mogą zgłaszać intensywność lub nasilenie działań niepożądanych, na przykład od 1 do 5 lub od 1 do 10. Ważne jest również, aby dostarczyć kwestionariusz skutków ubocznych po każdej sesji pozorowanej. Pozwala to na porównanie częstości występowania działań niepożądanych związanych zarówno ze stymulacją aktywną, jak i pozorowaną. W przypadku konwencjonalnego tDCS niektóre działania niepożądane są jeszcze częstsze w grupie ^{pozorowanej 24}, jednym z przykładów jest ból głowy.

Możliwe modyfikacje

W przypadku 4x1 HD-tDCS protokoły stymulacji mogą być zaprojektowane z uwzględnieniem różnych lokalizacji docelowych, polaryzacji i intensywności prądu oraz promienia pierścienia. Z reguły zwiększenie średnicy pierścienia 4x1 zwiększy głębokość penetracji i maksymalną intensywność pod pierścieniem ²⁸. I odwrotnie, zmniejszenie promienia pierścienia zwiększa ognisko, ale zmniejsza indukowane pole elektryczne mózgu. W związku z tym uzasadnione jest dalsze badanie optymalnej dawki w zależności od wskazania.

Chociaż ten artykuł koncentruje się na 4x1-ringu HD-tDCS, można również zastosować inne zastosowania elektrod, takie jak między innymi 4x2 i 3x3 (podwójny pasek). Chociaż HD-tDCS oferuje wiele opcji dostosowywania, opisane tutaj metody pozycjonowania i przygotowania elektrod powinny być przestrzegane wraz z używaniem wyłącznie sprzętu i akcesoriów, które zostały specjalnie przetestowane w tym celu. Obejmuje to zwrócenie szczególnej uwagi na konstrukcję obudowy z tworzywa sztucznego HD, żel i elektrody. Na przykład elektrody inne niż pierścień spiekany Ag/AgCl zostały również przetestowane w celu dostarczania prądu stałego, takie jak granulat Ag, granulat Ag/AgCl, dysk Ag/AgCl i granulat gumowy ⁹. Jednak zarówno elektrody Ag, jak i elektrody z granulkami gumowymi indukowały zmiany pH, a wzrost temperatury i potencjału elektrody odnotowano dla wszystkich elektrod z wyjątkiem pierścienia i dysku Ag/AgCl. Dlatego wydaje się, że elektrody pierścieniowe Ag/AgCl mogą być skutecznym i bezpieczniejszym podejściem. W przyszłości modyfikacje podejścia opisanego w tym artykule mogą być również wykorzystywane do przeprowadzania interwencji, takich jak przezczaszkowa stymulacja prądem zmiennym.

Ograniczenia

W tym momencie rola polaryzacji HD-tDCS 4x1-ring na pobudliwość kory mózgowej pozostaje niejasna. Chociaż badania neurofizjologiczne wykazały, że zarówno 1,0 mA, jak i 2,0 mA anodowego 4x1-pierścieniowego HD-tDCS prowadziły do wzrostu pobudliwości korowej wśród zdrowych osób ^13,14, potrzebny jest szerszy materiał dowodowy dotyczący konkretnie badań HD-tDCS, zanim będzie można dokonać jakiegokolwiek uogólnienia. Ponadto warto zauważyć, że efekty modulacji pobudliwości korowej za pomocą 4x1-ring HD-tDCS mogą być zależne od czasu, osiągając swój szczyt kilka minut po zakończeniu stymulacji, a nie bezpośrednio po niej ^14,16. W związku z tym w celu uzyskania dokładnych wyników mogą być konieczne sekwencyjne oceny w różnych punktach czasowych po interwencji.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Jedno konwencjonalne urządzenie tDCS (stymulator prądu stałego Soterix 1x1 o niskiej intensywności)	Soterix Medical Inc., Nowy Jork, NY, USA	1300A
4x1	Soterix Medical Inc., Nowy Jork, NY, USA	4X1-C2
Cztery baterie			Dostępne dla wielu producentów
Jeden modułowy elektr– nasadka rejestrująca ncefalogram	EASYCAP GmbH, Niemcy	EASYCAP
Pięć spiekanych elektrod pierścieniowych Ag/AgCl	Stens Biofeedback Inc., San Rafael, CA, USA	EL-TP-RNG Spiekane
Pięć specjalnie zaprojektowanych osłonek z tworzywa sztucznego i ich odpowiednich nasadek	Soterix Medical Inc., Nowy Jork, NY, USA
Jeden plastikowy tłok	Soterix Medical Inc., Nowy Jork, NY, USA	PSYR-5
	Soterix Medical Inc., Nowy Jork, NY, USA	wejściowy CSIN-X2,
Jedna taśma			dostępna dla wielu producentów
Jeden drewniany wacik			Dostępnych jest wielu producentów
Żel przewodzący prąd elektryczny (Sigma Gel)	Parker Laboratories, New Jersey, NJ, USA	15-25
Jeden 3- lub 5-ml strzykawka			Dostępnych jest wielu producentów
Taśma			Dostępnych wielu producentów
Ręczniki			Dostępnych jest wielu producentów