Пространственно-временное распределение электрических полей мозга , индуцированных транскраниальной электростимуляцией (TES), остается мало изученным. В частности, неясно, какое количество тока действительно достигает мозга, и как он распространяется по структурам мозга. Отсутствие этой информации затрудняет понимание эффектов TES. A. Opitz et.al. (2016) измеряли пространственные и временные характеристики электрического поля, генерируемого TES, с использованием стереотаксических электродов EEG (s-EEG), имплантированных обезьянам cebus и пациентам, у которых предполагалась нейрохирургическая операция в связи с эпилепсией. Авторами было обнаружено небольшое зависящее от частоты тока уменьшение ( на 10%) величины индуцированных TES потенциалов и очень малые сдвиги фаз в пространстве. Силы электрического поля были более выраженными в поверхностных областях мозга с максимальными значениями около 0,5 мВ / мм. Эти результаты дают важную информацию о лежащей в основе механизма TES биофизике и оптимизации в разработке протоколов стимуляции TES. Кроме того, эти результаты имеют большое значение для исследователей , изучающих распространение электрического поля при неинвазивных методах воздекйствия, а также записей активности мозга , например, , таких как ЭЭГ / МЭГ.
Транскраниальная электрическая стимуляция (TES) слабыми токами представляет собой неинвазивную технологию , используемую для модуляции функциональной активности мозга, а также с целью исследования биоэлектрической активности в нейронных системах и достижение позитивных изменений в когнитивной сфере и поведении.
In-vitro и in-vivo исследования с использованием срезов культур и моделей грызунов продемонстрировали способность слабых электрических полей влиять на скорости вспышек и колебания популяций нейронов. Тем не менее, интрпретация полученных исследователями данных в мозг достаточно сложна в этой области, так как кости скальпа , извилины коры мозга , цереброспинальная жидкость (CSF) усложняют прохождения тока до коры. Помимо измерения статических электрических полей за счет воздействия постоянного тока ( tDCS ) возникают дополнительные вопросы при применении переменного тока (tACS), где влияние свойств ткани мозга на временную динамику электрических полей, создаваемых колебательными токами стимуляции, остается неясным. Например, более ранние исследования показывают, что значительная неоднородность проводимости и диэлектрической проницаемости тканей головного мозга приводит к фильтрации потенциальных полей над пространством мозга , таким образом, что искажается частотное содержание исходного сигнала, чо вызывает фазовое / временное смещение компонент потенциала поля в пространств. Вероятно, такой вывод может быть поставлен под сомнение, а очерчивание любого из эффектов будет иметь решающее значение для применения tACS, причем воздействие переменным током будет искажать или нарушать текущие колебания в определенных структурах ( регионах) мозга.
Неточное понимание специфических свойств электрических полей, генерируемых в головном мозге с использованием прикладных TES с воздействием на скальп, ограничивает принципиальные усилия по оптимизации протоколов стимуляции, а также интерпретации экспериментальных результатов.
Анализ функции частотного отклика показывает, что средняя величина потенциала уменьшается в зависимости от частоты стимуляции, с максимальным уменьшением величины потенциалы около 10% для максимальной частоты стимуляции (150 Гц). Несмотря на то, что величина потенциалов была в основном стабильная для медленных частот , до 15 Гц, наблюдалось непрерывное его снижение от 15 до 150 Гц. По сравнению с величиной при стимуляции 1 Гц снижение происходило на 0,5% и 5% при 10 Гц и 100 Гц соответственно. Зависящее от частоты уменьшение величины потенциалов соответствует частотно-зависимому увеличению проводимости тканей головы или электродов, так как требуется меньшее напряжение для пропуска такого же количества тока в лучшей проводящей среде. Обычно наблюдаются только очень малые разности фаз, вплоть до нескольких градусов, между электродам ), что указывает на то, что емкостные эффекты, которые способны приводить к разности фаз, довольно малы. Отсутствие разности фаз между электродами на скальпе и внутрикортикальными измерениями ( внутрикортикальные электроды) предполагает, что прохождение тока через череп не приводит к заметным сдвигам фазы.
Субдуральные записи массива сетки , измеряющие распределение потенциала на наружной поверхности мозга показывают более сложный градиент. Быстрое изменение напряженности электрического поля над пространством , вероятно, связано с быстро меняющейся радиальной (внутрь) и касательной (вдоль кортикальной поверхности) компонентой электрического поля. Измерения электрического поля чувствительны только к тангенциальной составляющей, что приводит к определенному эффекту. Что касается электрических полей, наибольшие величины были найдены как правило , в поверхностных участках вблизи электродов стимуляции , но не обязательно ограничивается крайними контактами.
Электрические поля, генерируемые во время TES, ведут себя линейно омическим образом с небольшими емкостными компонентами в мезоскопическом или макроскопическом масштабе, что облегчает решение тех проблем, которые могут значительно усложнять процедуру дозирование. Можно отметить зависящее от частоты затухание генерируемых напряжений до 10% для частот tACS, превышающих 15 Гц. Это явление можно объяснить частотно-зависимыми повышениями проводимости (т. е. для контролируемой током стимуляции требуется меньшее напряжение для достижения постоянной силы тока в более высокой проводящей среде). Таким образом, исследования, сравнивающие физиологические и поведенческие реакции с различными частотами стимуляции, могут объяснять различия в напряженности электрического поля, возникающие из-за конкретных частот стимуляции, особенно при рассмотрении более высоких частот. Емкостные эффекты, которые могут привести к фазовым сдвигам, в целом остаются небольшими. Этот вывод имеет решающее значение для протоколов стимуляции tACS, которые направлены на использование фазового соотношения между инъецированными токами и текущей ритмической деятельностью мозга . В некоторых публикациях сообщалось об увеличении емкостных эффектов тканей головного мозга, более точные измерения , которые проводились in vivo с «4-электродной установкой» (двумя отдельными электродами для стимуляции и записи), что минимизировало емкостные эффекты на поверхности электрода-электролита регистрирующих электродов. Были отмечены небольшие разности фаз между токами стимуляции tACS и записываемыми напряжениями, а только между напряжениями при разных контактах. Для стимуляционного электрода на скальпе могут возникать разности фаз на поверхности электрода-электролита. Подобные результаты в первую очередь применимы к проблеме объемной проводимости токов, проходящих через скальп, череп и мозг. В то же время, несмотря на то, что не наблюдается больших емкостных эффектов на мезоскопическом уровне ( ансамбли нейронов), они могли произойти в микроскопическом масштабе ( на уровне нейронов) , например, из-за мембранной емкости нейронов. Фазовые сдвиги не наблюдаются даже для близких друг к другу электродных пар, расположенных в однородных частях головного мозга. Это указывает на то, что мембранные емкости не приводят к сильным отклонениям от чисто омического поведения в пространственном масштабе, что имеет значение для формирования распределения "валового поля". Очевидно, что подобные выводы справедливы только для измеренного частотного диапазона, который ограничен техническими параметрами устройства для стимуляции и записи. Измерения разных исследователей часто сообщали о самых сильных отклонениях от омического поведения в тестируемом частотном диапазоне. Измерения имеют прямые последствия для интерпретации сигнала ЭЭГ на основе теоремы взаимности. Эта теорема утверждает, что электрическое поле в определенном месте ( участке) мозге, возникающее из-за наложенного тока через два электрода кожи головы, эквивалентно напряжению, измеренному через те же самые два электрода кожи головы, возникающие в результате диполя в том же месте мозга. Диполь в мозге для высоких частот приводит к снижению напряжений на электродах кожи головы. Умеренный размер этого эффекта (фильтрации нижних частот) не может объяснить только поведение 1 / f , наблюдаемое при записи колебаний мозга.
Максимальные электрические поля у людей достигают 0,5 мВ / мм для токов стимуляции 1 мА, которые находятся в диапазоне, предсказанном в результате моделирования . Это нижняя граница, для которой фактическое нейронное увлечение было обнаружено в исследованиях in vitro и ниже порога 1 мВ / мм в исследованиях грызунов . Таким образом, не совсем ясно, как механизмы, полученные из in vitro и исследования на животных могут быть применены к исследованиям человека из-за ограниченной напряженности поля, вызванной мозгом человека. Можно предпринять определенные усилия для того, чтобы вызвать более сильные напряженности электрического поля безболезненно и безопасно; например, с использованием токов кГц в качестве несущей частоты для низкочастотных колебаний. Входные токи, используемые в исследованиях человека, могут быть сопоставлены для достижения напряженности электрического поля, показанной как эффективная в установках in vitro . Обнаружили существенные межличностные различия в напряженности электрического поля, которые могут лежать в основе некоторой изменчивости ответа между пациентами при проведении TES . По оценкам, пространственная протяженность электрического поля колеблется более чем на несколько см у пациентов.
Электрические поля распространяются на несколько уровней. Монтажные работы с использованием нескольких стимулирующих электродов имеют потенциал для увеличения пространственной специфичности вызванных электрических полей .
Добавить комментарий