Транскраниальная стимуляция переменным током мозга

           Транскраниальная стимуляция переменного тока (tACS) - внешнее применение осциллирующих электрических токов - способна влиять на возбудимость и активность коры (Antal et al., 2008 ; Chaieb et al., 2011 ; Moliadze et al., 2012 ; Wach et al. , 2013 ) и , по-видимому, открывает новую эру в области неинвазивной электрической стимуляции головного мозга, непосредственно вмешиваясь в патологические корковые ритмы.  С редкими исключениями (Marshall et al., 2006 ; Neuling et al., 2012 ) tACS применяется в большинстве случаев без совместного использования с постоянным током. При простой форме применяют синусоидальную стимуляцию; однако возможно применение и  любой другой формы сигнала, например, такой как прямоугольные формы токов (rectangular current shapes).

           Переменный ток до 10 Гц  в настоящее время используется в психоневрологии наиболее часто, но при использовании tACS было предложено также создавать , как более крупные , так и более сфокусированные поля, чем при стимуляция tDCS (Manoli et al., 2012)); с приложенными частотами от 100 до 1000 Гц , при такой частоте рекомендуется уменьшение размеров воздействия электрического поля. Однако, подобные рекомендации  были основаны только на различиях в сопротивлении кожи при воздействии на низких частотах, что делает такие выводы  весьма сомнительными (Paulus , Opitz, 2013 ).

           Основными параметрами, которые могут определять направление и продолжительность индуцированных tACS эффектов, являются частота, интенсивность и фаза стимуляции. Эффект длительности воздействия tACS на моторный вызванный потенциал (MEP) еще  систематически не исследован. Увеличение продолжительности транкраниальной стимуляции постоянным током (tDCS) приводит к продлению индуцированных последействий (Nitsche and Paulus, 2000)  примерно 13 мин, тогда как удвоение стимуляции от 13 до 26 мин, напротив,  приводит к отрицательным эффектам MEP - ингибирование (Batsikadze et al., 2013 ). Пока остается неясным, можно ли эти данные как-то адаптировать для  tACS.

            tACS может применяться в широком диапазоне частот. В настоящее время имеются данные близкие к tDCS до 5 кГц для исследований пластичности (Chaieb et al., 2011 ) и 200 кГц для терапии опухолей (Kirson et al., 2007 ) с использованием одной частоты. Однако возможна любая комбинация частот: одна специальная форма tACS представляет собой транкраниальную стимуляцию случайного шума (tRNS), которая до сих пор изучалась с частотным спектром от 0,1 Гц до 640 Гц с характеристикой «белого шума» (Terney et al. ., 2008 ).

             tACS используется в психоневрологии  на обычных частотах ЭЭГ (0,1-80 Гц) и в так называемом "диапазоне пульсаций" (140 Гц, см. ниже) (Moliadze et al., 2010 ) и может взаимодействовать с текущими ритмами в коре. Очень низкая частота (0,75 Гц) стимуляции в сочетании с стимуляцией ( "смещением" )  постоянным током во время сна с быстрым движением глаз у здоровых людей усиливает сохранение зависимых от гиппокампа декларативных воспоминаний при тестировании на следующее утро (Marshall et al., 2006 ). "Смещение tDCS", оставляет открытым его собственный эффект (Bergmann et al., 2009 ).

             Эффекты tACS, применяемые в диапазоне EEG, могут различаться в зависимости от внешних параметров. Наблюдалась тенденция к ингибированию MEP после стимуляции tACS 10 Гц по первичной моторной коре (M1) (Antal et al., 2008 ), тогда как стимуляция 10 Гц улучшала визуально - моторное  обучение при решении  "задачи последовательного времени реакции". В измерении MEP была применена более короткая продолжительность стимуляции (5 мин), тогда как tACS  продолжалось примерно в два раза дольше. Тем не менее, диссоциация между изменениями возбудимости MEP и неявным обучением в tACS уже описана (Moliadze et al., 2010 ). 140 Гц стимулирует наибольшее увеличение MEP, тогда как только 250 Гц улучшают неявное моторное обучение.

           В другом исследовании, в то время как 20 Гц tACS над M1 увеличивала кортико - спинальную возбудимость (Feurra et al., 2011 ), измеренную по размеру MEP, она замедляла произвольные движения при решении визуально - моторной задачи   (Pogosyan et al., 2009 ), но параллельно она увеличивалась бета-когерентность между регистрируемой со скальпа активностью и электромиографической активностью (ЭМГ) первой дорсальной  мышцы. Противоположные эффекты на частотах бета и гамма в зависимости от фазы двигательной задачи также отмечались  (Joundi et al., 2012): использование визуальной стимуляции на 20 Гц обеспечивало достоверное, но слабое замедление активности в ходе решения задачи, однако стимуляция без пробелов, когда инициированная двигательная задача включала торможение, привела к значительное сокращение двигательной активности. В противоположность этому, 70 Гц tACS были неэффективны  после  сигналов, но увеличили производительность во время исследования.

                  tACS до 80 Гц вызывает фосфены в зависимости от частоты и интенсивности (Turi et al., 2013 ). При воздействии на затылочную кору восприятие фосфенов достигало пика яркости на 15 Гц с более низким пиком в темноте (Kanai et al., 2008 ).  Несмотря на то, что электроды были помещены над Oz и Cz, этот эффект, вероятно, был вызван удаленной полевой стимуляцией сетчатки (Schutter and Hortensius, 2010 ). tACS, вероятно, может влиять только на зрительные  функции коры на подпороговом уровне, как показано модификацией индуцированных транскраниальной магнитной стимуляцией (TMS) вспышек фосфена (Kanai et al., 2010). Кроме того, пороговые значения контрастной дискриминации снижались только при стимуляции  60 Гц tACS, но не при стимуляции 40 и 80 Гц (Laczo et al., 2012 ).

          tACS, примененный к позициям электрода PO9 и PO10 EEG в индивидуальном альфа-диапазоне (8-12 Гц), вызвал усиление применяемой колебательной активностью (Zaehle et al., 2010 ). Однако ,недавно было подтверждено, что последствия tACS, применяемые на индивидуальной альфа-частоте, могут зависеть от индивидуальной "эндогенной мощности": tACS эффективен только в условиях низкой мощности эндогенной альфа-частоты (Neuling et al., 2013 ). Кроме того, когда частота стимуляции была зафиксирована на 6 и 10 Гц, tACS ухудшала производительность в задаче визуального обнаружения (Brignani et al., 2013 ).

           tACS, применяемый вне обычного частотного диапазона ЭЭГ, например, с частотами 140 Гц и в диапазоне низких кГц (1-5 кГц), повышает возбудимость аналогичным образом, чем анодные tDCS, когда используется интенсивность 1 мА (Moliadze et al., 2010 ; Chaieb et al., 2011 ). Стимуляция при 80 Гц остается без эффекта, в то время как 250 Гц явно имели задержанный начальный и более короткий длительный ответ, по сравнению с увеличением MEP, наблюдаемым во время и после 140 Гц tACS.

           Парадигма tRNS была разработана с целью десинхронизации нормальных и патологических корковых ритмов (Terney et al., 2008 ). Обоснованием этого метода является возможное "увлечение" кортикальными колебаниями разных частот в одно и то же время. Это может быть применимо для внутризоновых регионовс более высокими частотами колебаний или для межзоновых колебаний с более низкими частотами. Входной шум играет роль в сенсибилизации нейронных систем с помощью механизма, известного как стохастический резонанс (Wiesenfeld and Moss, 1995). Альтернативно, обнаружение нарушенного сигнала может быть улучшено за счет входного шума, чтобы сенсибилизировать сенсорную обработку (Moss et al., 2004).  Увеличение возбудимости, продолжающееся до 90 мин, наблюдается, как для величин МEP, так и поведенческих задач, после 10 минут tRNS. Неожиданно более высокие частоты (100-640 Гц), а не частоты менее 100 Гц отвечали за это увеличение возбудимости.

               Эффективность стимуляции, по-видимому, зависит от типа поставленной задачи и от мощности внутренних колебаний на исходном уровне (Neuling et al., 2013 ) , а также  участия различных систем памяти в заданной когнитивной задаче: при применении tRNS над объектами дорсолатеральной предфонтальной коры (DLPFC) испытуемые делали больше ошибок в задаче вероятностной классификации (Ambrus et al., 2011 ), тогда как при использовании n-back задачи не было обнаружено существенных изменений в эффективности ее решения (Mulquiney et al., 2011 ). Когда tRNS воздействовали на  визуальную кору, то улучшали нейропластичность в перцептивной обучающей парадигме (Fertonani et al., 2011). Тем не менее, механизмы активации нейронов, лежащие в основе влияния tRNS, могут отличаться от механизмов tACS с использованием одной частоты стимуляции.

                Эффект tACS, по-видимому, зависит от интенсивности стимуляции. Данные , полученные  в одном из первых  исследований (Antal et al., 2008 ) со стимуляцией  низкой интенсивностью 0,4 мА по сравнению с M1 в отношении ингибирования MEP после стимуляции tACS 10 Гц была подтверждена позже со стимуляцией  более высокими частотами (Moliadze et al., 2012 ). Другие частоты tACS между 5 и 40 Гц не привели к каким-либо заметным последствиям при этой (слишком) низкой интенсивности стимуляции. 

                 Интересно, что , как tACS при 140 Гц, так и tRNS показывают зависящий от интенсивности последействие ответ: тогда как интенсивность 0,2 мА не влияет, интенсивность 0,4 мА приводит к ингибированию, а 0,6 и 0,8 мА не оказывают существенного эффекта (Moliadze et al., 2012 ) , При 1 мА наблюдается увеличение амплитуд MEP. Это говорит о том, что тормозные системы могут возбуждаться преимущественно с меньшими интенсивностями, что также было зарегистрировано для TMS (Berger et al., 2011). Тем не менее, причина этого наблюдаемого "разворота эффекта" в направлении эффектов MEP, вызванная высокочастотной стимуляцией при разных интенсивностях, пока не выяснена. Вероятно, что 140 Гц и tRNS при меньшей интенсивности только способствуют внутрикортикальным ингибирующим реакциям на сети кортико - спинальных мотонейронов, что приводит к чистому ингибированию ( торможению ) амплитуд MEP (Pashut et al., 2011). Также нельзя исключить, что стимуляция, применяемая при 0,4 мА, может препятствовать внутрикортикальному облегчающему воздействию на кортико - спинальные мотонейроны. При записи в пирамидальном нейроне, расположенном в слое 5 коры крысы, композитный отклик на электрическую стимуляцию различных слоев (2-3, 4 или 6) в терминах баланса ингибирования возбуждения приводил к изменениям проводимости, состоящим на 20 % из возбуждения и на 80% из ингибирования, независимо от стимулированного слоя. Кроме того, было показано, что возбуждающие нейроные сети интенсивно контролируются тормозящими контурами (Maffei et al., 2004 ) с помощью обратной связи и соединений с обратной связью (Bannister, 2005 ).

            Колебания биоэлектрической активности мозга характеризуются в дополнение к частоте и мощности еще и своей фазой. Моделирующие исследования предполагают, что в активных сетях нейронов слабые электрические поля могут вызывать небольшие, но когерентные изменения скорости вспышек и времени активации нейронов, которые могут быть увеличены динамической сетевой активностью (Radman et al., 2007 ; Reato et al., 2010 ) . Стимулируя левую лобную и теменную кору на 6 Гц tACS в фазе, приводит к улучшению познавательных характеристик в задаче замедленной буквы, когда стимуляция вне фазы была отложена (Polania et al., 2012). В недавнем исследовании, стимулирующем височную кору с использованием 10 Гц с tDCS-смещением, было обнаружено, что манипуляция фазой приводит к различным порогам слухового восприятия, что подтверждает мнение о том, что восприятие может периодически модулироваться колебательными процессами (Neuling et al., 2012 ). Тем не менее, смещение постоянного тока, используемое в этом исследовании, оставляет открытым возможность собственного эффекта этого постоянного тока.

              tACS, применяемый в диапазоне ЭЭГ, как правило, "увлекает" или синхронизирует нейронные сети, тем самым вызывая изменения в текущей биоэлектрической активности мозга. Действительно, было показано, что  синхронизация входа улучшает обработку передачи информации и ускоряет этот процесс (Butts et al., 2007 ). Тем не менее, стимуляция, применяемая в диапазоне кГц, вероятно, не мешает осциллирующей активности, а более чувствительна к мембранной возбудимости нейронов. Может быть, временная модификация синапса, когда-то подвергнутая быстрому переменному электрическому полю, изменяет связанные с ней биохимические механизмы, такие как накопление кальция в пресинаптических нервных окончаниях, что приводит к кратковременным синаптическим эффектам пластичности (Citri and Malenka, 2008 ).

          

                  tACS несомненно будет иметь особое значение при лечении расстройств , при которых важную роль могут играть  аномальные ( патологические ) колебательные структуры, такие как болезнь Паркинсона или шизофрения (Gonzalez-Burgos , Lewis, 2008 ; Burns et al., 2011 ) путем ослабления или сброса аномальных колебаний. Действительно, паркинсонический тремор покоя можно ослабить в два раза с помощью  tACS M1 при определенных фазовых выравниваниях (Brittain et al., 2013 ).

               На частоте  200 кГц, экспериментальное клиническое исследование проводилось для лечения пациентов с рецидивирующей глиобластомой (Kirson et al., 2007 ). Транскраниальное применение непрерывной высокочастотной стимуляции ингибирует рост этой устойчивой к лечению опухоли, практически без побочных эффектов, потверждая концепцию о том, что деление опухолевых клеток может быть разрушено во время митоза.

                Применяя переменный  трансорбитальный ток  на отдельных порогах фосфена, tACS оказывается эффективен при терапии после повреждения зрительного нерва у человека (Gall et al., 2010 ; Sabel et al., 2011 ).

               Механизмы tRNS пока неясны, если, например, повторное открытие каналов Na + или более высокая чувствительность нейронных сетей к модуляции электрического поля, чем один порог возбудимости нейрона (Francis et al., 2003 ).

            Предполагают, что  переменный ток будет синхронизировать (на одной резонансной частоте) или десинхронизировать (например, с помощью нескольких частот)  биоэлектрической активности коры головного мозга. Если переменный ток применять достаточно долго то  это может вызвать определенные нейропластические эффекты. В области тета - ритма  переменный ток способен улучшить состояние когнитивной сферы ,  при применении в той же фазе. Альфа-ритмы также способны улучшить работу мозга, тогда как бета-импульсы, напротив, чаще ухудшает состояние активности мозга.  Кроме того, tACS с альфа- и бета-частотами обладает высокой вероятностью индуцирования фосфены сетчатки. Гамма-стимуляция, как правило , ухудшает концентрацию вниманию. Стимуляция в диапазоне «пульсации» индуцирует зависящее от интенсивности ингибирование или возбуждение в моторной коре (М1), скорее всего, за счет захвата нейронных сетей, тогда как стимуляция в диапазоне низких кГц вызывает возбуждение интерференцией нейронных мембран. tACS в диапазоне 200 кГц последнее время начинает использоваться в онкологии.

                   Как rTMS, так и tACS могут служить основой для взаимодействия или индуцирования локальной, возможно, дистанционной биоэлектрической  активности головного мозга. В то время , как rTMS по механизму своего действия включает в себя воздействие  коротких, повторяющихся, высокоинтенсивных магнитных импульсов  через катушку, которая индуцирует электрические токи в фокальной области над определенным регионом , в отношении tACS осциллирующий ток подается с помощью стимулятора с питанием от батареи посредством большого ( чаще)  электрода, расположенного в интересующей врача  области, и эталонного электрода, который располагают над нейтральной областью. tACS имеет некоторые преимущества по сравнению с rTMS: (1) он явно дешевле из-за небольшого и компактного оборудования; (2) его легче сочетать с онлайн-когнитивными проектами; (3) он не производит акустических шумов и мышечных подергиваний мышц, и он вызывает гораздо меньше изменений со стороны  кожи (Ambrus et al.,2010 ; Turi et al., 2013 ) и тем самым более подходит для двойных слепых, контролируемых  исследований. Тем не менее, при tACS также есть недостатки, в том числе шунтирование электрических токов через кожу головы и раздражения кожи, которые иногда могут наблюдаться под электродами.

               Следует отметить, что tACS только находится в начале своих исследований . По-видимому, неопределенное число парадигм стимуляции нужно будет свести к тем, которые обладают самой высокой физиологической значимостью. В качестве предпосылки для этого потребуется более четкая картина механизмов активности нейронов и их сетей , участвующих в tACS-индуцированном "увлечении". Знание их динамики с течением времени позволит сформулировать оптимальные протоколы для будущих исследований tACS.

Категория сообщения в блог: 

Добавить отзыв