Транскраниальная стимуляция переменным током (tACS) является относительно недавним методом, используемым для неинвазивной модуляции биоэлектрической активности мозга. Технически метод аналогичен, но не идентичен транкраниальной стимуляции постоянным током (tDCS). В то время как десятилетия исследований на животных и людях выявили основные физиологические механизмы tDCS, известно меньше о физиологических механизмах tACS. Последние междисциплинарные исследования способствовали пониманию того, как tACS влияет на биоэлектрическую активность и каким образом транскраниальная стимуляция методом случайного шума (tRNS), которая является специальной формой tACS, может модулировать функции коры. Эксперименты на животных показали, каким образом нейроны реагируют на инвазивные и транскраниально используемые переменные токи. Такие результаты подтверждают эффекты стимуляции нейронных сетей и необходимость знаний в области физики о вовлечении физических осцилляторов в активность мозга человека.
Модели мозга позволяют предсказать точную картину изменений в течение tDCS и tACS. Наконец, недавние исследования физиологии и поведения человека завершают картину эффектов неинвазивной модуляции колебаний мозга.
Прежде чем рассмотреть физиологический механизм, лежащий в основе TES, первоначально необходимо познакомить читателя с некоторыми основными терминами. Если эффект tES измеряется в течение интервала электрической стимуляции, он считается онлайн-эффектом и, скорее всего, обусловлен изменениями мембранных потенциалов (напряжения), которые облегчают или ингибируют активность нейронов. Если, с другой стороны, эффект измеряется после окончания стимуляции, он считается автономным эффектом или последействием. Такой эффект , скорее всего , индуцирован изменениями в синаптической активности / пластичности. Что касается измерений, то в исследованиях на животных результаты обычно представляют либо уровни нейронных связей (спайков), либо некоторую форму когерентности между сигналом tES (например, синусоидальной волны в случае tACS) и нейронным сигналом.
Как правило, интенсивность стимуляции, необходимая для модуляции скорости вспышки активности нейронов, выше, чем требуется для модуляции когерентности. В исследованиях на человеке эти эффекты обычно являются либо поведенческими (время реакции, производительность и т. д.), либо физиологическими, то есть полученными на основе электроэнцефалограммы (ЭЭГ), магнитоэнцефалограммы (МЭГ) или электромиограммы (ЭМГ). Стандартная процедура количественного определения эффектов tES-метода заключается в измерении величины и времени его воздействия на возбудимость первичной двигательной коры (M1), путем количественного определения одиночных импульсных TMS-вызванных двигательных потенциалов (MEP) в записях ЭМГ. Это очень простая процедура, основанная на объективной оценке параметра результата, высокий процент исследований tES, включая tACS и tRNS-приложения у здоровых людей, проводится с использованием M1 (в качестве модели).
Общий вопрос TES заключается в том, способен ли слабый экстракраниально действующий ток влиять на активность кортикальных нейронов в мозге человека и , в свою очередь, изменять когнитивные функции. Многие из результатов tDCS также должны быть соблюдены и для tACS . Конечно, максимальный ток протекает только во время пика переменного тока и изменяет полярность в течение двух полуволн, т. е. направление тока течет на 180 °.
Компьютерное моделирование текущего потока во время tDCS с использованием моделей головы человека показало, что значительная часть тока шунтируется хорошо проводящей кожей (~ 90%), а гораздо меньше тока действительно достигает мозга . В случае tACS следует учитывать также частотную характеристику каждого типа проводящего элемента между электродами и мозгом.
Miranda et al. продемонстрировал с помощью изотропной сферической модели головы, что 2 мА tDCS приводит к внутричерепной плотности тока на уровн 0,1 А / м 2 (Ампер на квадратный метр). Используя величину 0,450 S / м (Siemens на метр) для проводимости мозга, авторы утверждали, что это приводит к градиенту электрического поля 0,22 В / м (вольт на метр). В более поздней статье эти авторы использовали более реалистичную модель головы, полученную из измерений магнитно-резонансной томографии (МРТ), приводящую к максимальному электрическому полю 0,38 В / м с удельной проводимостью серого вещества 0,33 S / м.
Neuling et al. использовала анизотропную модель конечных элементов человеческой головы, чтобы показать, что 1 мА tDCS / tACS, примененный к зрительной коре человека, приводит к плотности внутричерепного тока от 0,05 до 0,15 А / м 2 . Это означает кортикальное электрическое поле 0,417 В / м при использовании средней плотности тока 0,1 А / м 2,если предполагается проводимость серого вещества 0,24 S / м. Заметим, что в этой статье предполагается, что проводимость серого вещества находится в диапазоне от 0,333 до 0,352 S / м, в то время как вышеупомянутые статьи использовали значения в более широком диапазоне от 0,24 до 0,45 S / м.
В вышеупомянутых исследованиях использовались два обычных больших электростатических стимулятора с площадью ок. 35 см 2 на электрод. Вообще большую площадь под электродом желательно уменьшить, с целью уменьшения плотности тока в коже. Использование нескольких меньших электродов дает более сильные внутричерепные плотности тока. Вместе с оптимальным размещением электродов и стимуляции, это может значительно повысить внутричерепную плотность тока и привести к более очаговой стимуляции.
Применение очень слабых электрических полей, направленных на мозгу человек от экстракраниального источника ставит перед исследователем вопрос: какая интенсивность стимуляции требуется для того, чтобы изменить активность нейронов? В исследованиях на животных этот вопрос часто рассматривается; однако до сих пор неясно, как эти данные могут быть приложимы к исследованиям человека. Действительно, протоколы стимуляции, применяемые в исследованиях на животных, часто сильно отличаются от тех, которые используются у людей. Поэтому эти данные следует обрабатывать с осторожностью. Кроме того, знание величины электрического поля внутри мозга, недостаточно для оценки его влияния на нейроны.
Геометрия и ориентация нейронов относительно электрического поля определяют величину поляризации . Нейроны, ориентированные параллельно электрическому полю, поляризуются максимально, в то время как нейроны, ориентированные перпендикулярно не поляризуются вообще. Токи в направлении дендритов к аксону деполяризуют сому, а токи аксонов - дендритов гиперполяризуют ее.
Учитывая наличиек извилин коры, предполагается, что течения тока, протекающие в извилину, поляризуют нейроны с одной стороны с заданной полярностью, но нейроны другой стороны извилины могут реагировать на это противоположным образом. Поэтому на уровне одного нейрона определение «анодальной» и «катодной» стимуляции недостаточно, если ориентация относительно электрического поля и геометрии нейрона не указана. Аномальная / катодная стимуляция обычно увеличивает / уменьшает возбудимость, коры , что вероятно, обусловлено увеличением числа деполяризованных / гиперполяризованных нейронов.
Francis et al. продемонстрировал , что электрические импульсы 140 μ V / мм среднеквадратичных или 295 μ / мм пиковой амплитуды V (0,295 мВ / мм) достаточно , чтобы увеличить скорость вспышек отдельных нейронов в гиппокампе крыс , Однако эти импульсы не похожи ни на tDCS (постоянный ток, как правило, идет в течение нескольких минут), ни на tACS (синусоидальная волна в течение нескольких минут). Reato et al. провели эксперименты по электростимуляции гиппокампа крыс и сетевом моделировании. Оба эксперимента показали наличие порога 0,2 мВ / мм для того, чтобы электрический AC был способен модулировать текущую нейронную активность.
Более прямое сравнение результатов исследований на животных стимуляцией tACS возможно покажет механизмы использвания электрических полей переменного тока (AC) на кору. Исследователи применяли такие поля переменного тока к корковым срезам хорьков. Оказалось, что поля переменного тока до 0,5 мВ / мм были достаточны для модуляции текущей активности нейронов. В симуляционном исследовании с пиковой нейронной сетью авторы показали, что при низких интенсивностях стимуляции модулируется только импульс спайка, но скорость спайка при этом не изменялась. В этом случае пики будут соответствовать некоторым фазам внешней синусоидальной волны. При более высоких интенсивностях также модулировалась скорость спайка.
Последний шаг, который требуется сделать передопределением интенсивности воздействия tES, можно сравнить с пороговыми значениями нейронной обмотки или фазовой синхронизации Для того, чтобы определить удельное сопротивление серого вещества или проводимость, являющуюся обратной величиной удельного сопротивления. Интенсивность tES определяется силой тока в единицах A (Ампер) или мА (миллиампер, т. Е. 1/1000 Ампер). Моделирующие исследования могут прогнозировать внутричерепные плотности тока из этих над черепных его мощностей. Плотность тока здесь приведена в А / м 2 (Ампер на квадратный метр). Исследования на животных применяют для изучения напряжения в коре, чтобы определить порог для модуляции нейронной активности. Для этого требуются два электрода; поэтому результирующий блок представляет собой градиент напряжения, указанный в В / м (вольт на метр); то есть 500 мкмV может быть применена на двух электродов на расстоянии 1 мм друг от друга , что приводит к 500 μ В / мм , который преобразует в 0,5 мВ / мм или 0,5 В / м. Чтобы преобразовать плотность тока в градиенты напряжения, сопротивление мозга требуется по закону Ом: U = R * I, где U - напряжение, R - сопротивление, I - ток..
Представляет интерес ответ на вопрос, какая часть экстракраниального электрического тока фактически поступает в кору. Ozen et al. прикрепляли провода из нержавеющей стали к черепу анестезированных крыс, стимулировали их электрически с помощью АС и одновременно регистрировали внутричерепную нейронную активность. Они смогли продемонстрировать увлечение текущей нейронной активностью на частотах, имитирующих частоту кортикальных медленных колебаний (0,8-1,7 Гц) в нескольких областях коры. Авторы сообщили, что мембранные потенциалы, а также удельная активность модулируются стимуляцией AC. Эксперименты показали, что градиенты напряжения 1 мВ / мм во внеклеточном пространстве были достаточными, чтобы влиять на разряды нейронов.
По сравнению с tDCS при tACS работает другой механизм, требующий другого обоснования . Сначала необходимо идентифицировать когнитивный процесс, который характеризуется особыми мозговым колебаниями биоэлектрической активности мозга или комбинацией колебаний. Затем, выяснить , какой параметр этого колебания активности мозга отвечает за тот или иной апспект когнитивного процесса.
В принципе, можно учитывать три ключевых параметра, а также взаимодействия более высокого порядка.
(1) Показано, что амплитуда колебаний мозга коррелирует с когнитивными функциями. Например, альфа-колебания ЭЭГ тесно связаны с визуальным восприятием, а разные амплитуды этого колебания определяют, будет ли сознательный процесс восприятие человеком подпорогового зрительного восприятия или нет.
(2) Частота колебаний мозга также имеет решающее значение для когнитивных функций. Например, количество гамма-циклов (30-80 Гц, длительность цикла 25 мс при 40 Гц), которые вписываются в один тета-цикл (4-8 Гц, длина цикла 125 мс при 8 Гц), как полагают, определяют количество элементов того, что человек может хранить в краткосрочной памяти, то есть 5 элементов (5 * 25 мс) при частотном отношении 40 Гц / 8 Гц.
(3) Фаза колебаний мозга влияет и на когнитивные функции. Например, фаза дельта-колебаний важна для распознавания речи. Кроме того, предполагается, что фазовая синхронизация или фазовая когерентность между участками коры отражают работу группы нейронов . В соответствии с этим предположением, например, фазовая синхронизация в диапазоне гамма-частот между полушариями увеличивается при восприятии горизонтального движения и требует межполушарной интеграции.
Кроме того, необходимо принимать во внимание взаимодействия более высокого порядка между tACS и колебаниями мозга. Если мы хотим модулировать колебания мозга с помощью tACS, это не будет линейный процесс, и эффект не будет ограничен частотой стимуляции. Во-первых, линейное увеличение интенсивности стимуляции может оказывать нелинейное воздействие на пораженную нервную ткань. Во-вторых, возбуждающие колебания влияют на колебания не только частоты стимуляции, но также на гармонические кратные и субгармоники.
Кроме того, известно, что определенные частоты взаимодействуют друг с другом во время когнитивных процессов( процесс, называемый кросс-частотной связью). Поэтому следует предположить, что тзменение одной частоты может отражаться на других частотах.
Наиболее заметным колебанием в ЭЭГ человека является альфа-ритм с частотой в диапазоне от 8 до 12 Гц. Если задняя часть мозга стимулируется 10 Гц tACS, это приводит к усилению амплитуды ЭЭГ-альфа во время стимуляции. Этот эффект можно наблюдать по меньшей мере через 30 минут после 10 минутной стимуляции. Подобные увеличения амплитуд колебаний ЭЭГ также имеют значимость для поведения. Например, повышение естественных дельта-колебаний ЭЭГ (0-4 Гц) во время сна с 0,75 Гц tACS привело к усиленному сохранению декларативных воспоминаний с прошлого дня. В то же время усиление гамма-колебаний (30-80 Гц) с частотой 40 Гц tACS во время сна приводит к индукции ярких сновидений.
Эксперименты с животными показали, что стимулируемая корковая ткань токами переменного тока при частоте стимуляции ниже частоты собственных колебаний может замедлить колебания мозга. Когда стимуляция применяется на частоте выше частоты собственных колебаний, частота колебаний мозга ускоряется. Это напоминает так называемый "захват осциллятора", известный из физических систем. Подобный эффект наблюдался недавно Хелфрихом и сотрудниками . Эти авторы обнаружили резкость альфа-пика ЭЭГ в частотном спектре в течение 10 Гц tACS над зрительной корой. Наряду с аналогичными линиями tACS использовался для замедления частоты тэта-колебаний человека, чтобы улучшить кратковременную емкость памяти, поскольку, согласно модели Lisman и Spruston , более медленные тета-колебания могут содержать больше циклов более быстрых гамма-колебаний.
Поведенчески изменения частоты могут модулировать временное окно для интеграции слухового и визуального ввода в один когерентный перцепт. Независимо от того, может ли tACS модулировать частоту продолжающегося мозгового колебания, то есть "увлекать" колебание, оно ависит как от частоты, так и от амплитуды стимуляции. Это можно визуализировать так называемым методом Арнольда. Если частота tACS очень близка к частоте собственных колебаний мозга, даже очень низкие токи могут влиять на амплитуду, фазу и частоту колебаний.
Модуляция альфа-ритма в слуховой коре при 10 Гц показала, что фаза альфа-активности определяет, будет ли восприниматься пороговый слуховой стимул. Модуляции межполушарной фазовой когерентности в гамма-диапазоне свыше 40 Гц tACS приводят к изменению восприятия неоднозначных стимулов движения.
Исследования на животных показали, что увлечение мозговыми колебаниями влияет на колебания не только на частоту стимуляции (например, 10 Гц), но и на гармонические кратные (20 Гц, 30 Гц, 40 Гц и т. Д.), А также субгармоники (например, 5 Гц) Было показано, что у людей стимуляция мозга с помощью tACS частотой 40 Гц снижает осцилляторную мощность при 10 Гц, что представляет собой межчастотную связь и поддерживает известный антагонизм между гамма и альфой.
При проектировании техники воздействия методом tACS необходимо ответить на следующие вопросы:
- Какой когнитивный или моторный процесс должен быть модулирован?
- Какое колебание мозга связано с этим когнитивным или двигательным процессом?
- Какой параметр колебаний мозга (амплитуда, частота, фазовый угол, когерентность между двумя областями и т. д.) должен быть смодулирован для достижения желаемого изменения в когнитивной или двигательной сфере?
- Какая область мозга должна быть таргетирована и какой монтаж электродов подходит для ее достижения?
Добавить комментарий