تحریک الکتریکی فراجمجمه‌ای (tES )

رایج‌ترین روش‌های تحریک الکتریکی فراجمجمه‌ای (tES ) شامل تحریک الکتریکی فراجمجمه‌ای جریان مستقیم (tDCS )، جریان متناوب (tACS ) و جریان با نویز‌های متناوب (tRNS ) می‌باشد.

در طول تحریک جریان الکتریکی از 0.4 تا 2 میلی‌آمپر از روی جمجمه وارد می‌شود. در تحقیقات انجام شده شدت جریان ۱ تا ۲ میلی‌آمپر مورد استفاده قرار گرفته است که برابر با تراکم 0.03–0.06 mA/cm2 است. این شدت تحریک برای ایجاد تغییر در میزان تحریک‌پذیری در قشر حرکتی و تغییر در فرایندهای شناختی، ادراکی و فیزیولوژیکی در قشر پیشانی، آهیانه‌ای، گیجگاهی و پس‌سری کافی است.

1. تحریک الکتریکی فراجمجمه‌ای جریان مستقیم (tDCS ) و عوامل تاثیرگذار بر اثرآن:

1) شدت و تراکم جریان:

در تحقیقات انجام شده شدت جریان ۱ تا ۲ میلی‌آمپر مورد استفاده قرار گرفته است که برابر با تراکم 0.03–0.06 mA/cm2 است. این شدت تحریک برای ایجاد تغییر در میزان تحریک‌پذیری در قشر حرکتی و تغییر در فرایندهای شناختی، ادراکی و فیزیولوژیکی در قشر پیشانی، آهیانه‌ای، گیجگاهی و پس‌سری کافی است. افزایش تراکم جریان می‌تواند باعث افزایش اثرگذاری بیشتر شود. همچنین ممکن است به دلیل اثرگذاری بیشتر دامنه الکتریکی در لایه‌های عمیق‌تر قشری و حساسیت جمعیت‌های متفاوت نورونی به تحریک مستقیم، منجر به اثرگذاری بر جمعیت‌های نورونی بیشتری شود.

علاوه بر این، به دلیل غیرخطی بودن اثرات tDCS از نظر فیزیولوژیکی، تحریک شدیدتر می‌تواند جهت اثرات را نیز تغییر دهد و جمعیت های مختلف نورونی ممکن است حساسیت متفاوتی به tDCS نشان دهند.

2) محل الکترود، چینش و جریان مستقیم:

در اکثر مطالعات انسانی و حیوانی الکترود آند موجب افزایش تحریک‌پذیری قشری می‌شود در حالی که الکترود کاتد برعکس آن است. اما در مواردی خلاف این نیز گزارش شده است. یکی از دلایل احتمالی این تناقضات این است که نحوه اثرگذاری الکترود بر نورون‌ها به جهت جریان خود نورون‌ها نیز بستگی دارد. پلاریزه بودن خود آکسون و سوما به دلیل تجمع بالای کانال‌های یونی نسبت به دندریت‌ها جهت جریان نورون را بیشتر مشخص می‌کند.

علاوه بر این محل قرارگیری الکترود return نیر حائز اهمیت می‌باشد. نادرست بودن محل قرارگیری این الکترود می‌تواند موجب تغییر جریان شود. همچنین اگر الکترود تحریک و الکترود return در فاصله کمی از یکدیگر قرار بگیرند بیشتر جریان از پوست عبور می‌کند.

پروتکل‌های tDCS کلاسیک دارای دو الکترود در ابعاد 25 و 35 سانتی‌متر مربع هستند. این الکترودها به دلیل بزرگ‌ بودن، اثر کانونی و متمرکزی بر روی قشر ندارند. اگرچه اثر متمرکز در تحقیقات مورد نیاز است و پژوهشگران به دنبال تعیین مکان دقیق هستند اما در موارد درمانی این سطح از دقت کافی می‌باشد.

اندازه الکترود و محل قرارگیری الکترود ‌ return بر اثر کانونی تحریک اثرگذارند. با کاهش سطح تماس الکترود می‌توان میزان اثر کانونی را افزایش داد. همچنین آرایش‌های جدید الکترودهای return می‌تواند باعث فوکالیتی بیشتر شود. در روش High-Density tDCS (HD-tDCS) یک الکترود تحریک در وسط قرار گرفته و چند الکترود return آن را احاطه می‌کنند. در این روش نیز فوکالیتی افزایش می‌یابد.

شکل 1: نمونه‌ای از نحوه چینش HD-tDCS

3) مدت زمان و فاصله بین تحریک:

مدت زمان و طول مدت تحریک، اثرات بعد از آن را تعیین می‌کند. در انسان برای ایجاد تحریک موقت بدون اثرات طولانی‌مدت، حدود ۴ ثانیه تحریک ارائه می‌شود. در این ۴ ثانیه تغییرات فقط در همان زمان مشاهده می‌شود. برای دیدن اثرات طولانی مدت باید طول مدت تحریک بیشتر باشد. اما این اثر به صورت خطی نیست. نشان داده شده است که اگر مدت تحریک آند ۱۳ دقیقه و کاتد ۹ دقیقه باشد، می‌توان اثر آن را برای ۱ ساعت در قشر حرکتی انسان دید. نشان داده شده است بعد از ۲۶ دقیقه تحریک آند، باعث کاهش تحریک‌پذیری می‌شود. بنابراین باید از گزینه دیگری مانند تکرار جلسات تحریک استفاده کرد.

روی هم رفته، برای tDCS پروتکل‌های مختلفی در دسترس است که از نظر قطبیت تحریک، چگالی جریان، مدت زمان تحریک و همچنین اندازه و محل الکترود متفاوت اند. بسته به این پارامترها، پروتکل‌های تحریک را می‌توان حداقل تا حدی تغییر داد تا جهت، قدرت، میزان کانونی بودن و مدت زمان تأثیرات بر فعالیت قشر مغز و تحریک پذیری را کنترل کرد.

2. تحریک الکتریکی فراجمجمه‌ای جریان متناوب (tACS ) :

در این روش فعالیت نوسان‌دار مغز با استفاده از جریان‌های متناوب تعدیل می‌شود. در tACS پتانسیل غشای سلول‌ها با تحریک‌های الکتریکی متناوب در فرکانس‌های خاص تحت تاثیر قرار مي‌گیرد و سعی می‌کند تا با جریان متناوب قشری تعامل کند.

در tACS تقریبا جریانات نوسانی قشر مغز با فرکانس تحریک اعمالی، سنکرون می‌شوند.

tACS را می‌توان به عنوان نوعی tES طبقه بندی کرد که معمولاً شامل ایجاد جریان سینوسی از روی جمجمه است. چندین مطالعه بر روی حیوانات و انسان‌ها نشان می‌دهد که مکانیسم tACS بر اساس تغییر نوسانات مغزی استوار است.

در طول یک نیم چرخه نوسان جریان متناوب، یک الکترود به عنوان آند و دیگری به عنوان کاتد عمل می‌کند و قدرت جریان پس از نیم موج سینوسی افزایش و کاهش می‌یابد. در نیم‌چرخه دیگر، الگو معکوس می‌شود تا مجموع صفر شود. بنابراین پتانسیل غشا در مجموع تغییر نمی‌کند، اما اثر دپولاریزاسیون یا هایپرپولاریزاسیون چرخه به اندازه کافی قوی است تا فعالیت عصبی را تغییر داده و اثرات آنلاین را القا کند.

tACS می‌تواند بر فرکانس امواج مغزی اثرگزار باشد. اما باید توجه داشت افزایش شدت تحریک در این روش می‌تواند اثرات غیر خطی بر تغییرات ناشی از آن داشته باشد. علاوه بر این، فرکانس‌های خاصی می توانند با بقیه فرکانس‌ها تعامل کند. بنابراین، باید فرض کرد که تغییر یک فرکانس ممکن است بر فرکانس‌های دیگر تأثیر بگذارد. استدلال مشابهی در مورد موقعیت آناتومیکی ناحیه اثر نیز می‌توان بیان کرد: جفت شدن طولانی مدت نوسانات قشری می‌تواند باعث ایجاد تغییرات در کل شبکه عملکردی شود. بنابراین، تعدیل نوسانات مغزی توسط tACS یک فرایند خطی نخواهد بود و اثر ممکن است محدود به فرکانس یا ناحیه تحریک مشخصی نباشد.

تعدیل فاز نوسانات مغزی نیز می‌تواند اثرات رفتاری و فیزیولوژیکی به همراه داشته باشد. هنگام استفاده از بیش از دو الکترود، می‌توان فاز تحریک را دستکاری کرد، که به زاویه سینوسی نسبت به الکترودهای مختلف اشاره دارد و باعث تحریک هم‌فاز یا غیر‌هم‌فاز می‌شود. به همین ترتیب، انتظار می رود نواحی مغزی که در معرض شرایط مشابه با تحریک مرحله ای قرار می گیرند، ارتباطات خود را با یکدیگر تسهیل کنند.

3.تحریک نویز رندم فراجمجمه‌ای (tRNS):

این روش با هدف ناهمزمان‌سازی ریتم‌های قشری آسیب‌زا ابداع شد. مونتاژ الکترود‌ها و موارد فنی همانند یا مشابه tDCS و tACS است، اما در این روش تحریک دارای دو فاز مانند tACS همراه با اشکال مختلف نویز ارائه می‌شود. در مثال‌ها معمول یک نویز سفید در دامنه فرکانسی بین 0.1 و 640 Hz (دامنه کامل) یا 101–640 Hz (تحریک فرکانس بالا) مي‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در این روش تحریک در صورت ارائه 1 میلی‌امپر تحریک، الگوی تحریک یک منحنی گوسی با میانگین ۰ خواهد بود که ۹۹ درصد تحریک بین ± 1 قرار می‌گیرد.

پیشنهاد شده است که tRNS ممکن است هماهنگ‌سازی شلیک عصبی را از طریق تقویت فعاليت نوسانات زیربنایی افزایش دهد، که به نوبه خود مقدار نویز اندوژن را کاهش می‌دهد. با این حال، روشن نیست چگونه این فرآیند می‌تواند تغییرات طولانی مدت و تغییرات نوروپلاستی را در مغز انسان ایجاد کند.

شکل 2: شکل‌موج های تحریک tDCSآندی، tACS کاتدی، tACS و tRNS.

4. تحقیقات بالینی و جنبه های روش شناختی برای تحقیقات tDCS

شدت پروتکل/مدت زمان/تکرار:

هنگام طراحی یک پروتکل آزمایشی یا مداخله‌ای، انتخاب پارامترهای tDCS (یعنی شدت تحریک، مدت زمان تحریک و تکرار) بر اساس نتیجه مورد بررسی (مانند نوروفیزیولوژی، شناختی یا رفتاری) و همچنین جمعیت بالینی مورد مطالعه مهم است. این به این دلیل است که یافته‌ها با استفاده از پارامترهای خاص برای یک نتیجه ممکن است به طور مستقیم با یک نتیجه مشابه یا متفاوت دیگر یا در یک گروه موضوعی متفاوت، مطابقت نداشته باشد. به عنوان مثال، پاسخ‌های نوروفیزیولوژیکی (به عنوان مثال دامنه‌ی MEP) به tDCS و سایر تکنیک‌های تحریک مغزی غیر تهاجمی هیچ ارتباطی با ظرفیت یادگیری حرکتی ندارند. به این ترتیب، پارامترهای محرک که بر اساس اثرات آن بر دامنه‌های MEP در قشر حرکتی شرکت‌کنندگان سالم اندازه‌گیری شده، ممکن است هنگام تحریک ناحیه‌های یکسان یا متفاوت مغز، بر نتایج جایگزین (به عنوان مثال ، شناختی یا رفتاری) اثرات یکسان ایجاد نکنند. این اصل همچنین می‌تواند برای تجویز پارامترهای محرک که برای افراد سالم مؤثر است، در جمعیت های بالینی اعمال شود. در حالی که شدت تحریک 1 میلی آمپر بر روی DLPFC چپ به مدت 10 دقیقه باعث بهبود عملکرد حافظه در شرکت‌کنندگان سالم می‌شود، شدت تحریک 2 میلی آمپر به مدت 20 دقیقه برای ایجاد اثرات مشابه در بیماران مبتلا به اسکیزوفرنی ضروری بوده است.

به طور مشابه، این اصل ممکن است هنگام انتخاب بازه زمانی برای جلسات مکرر tDCS، به عنوان مثال در پروتکل های مداخله، اعمال شود. به نظر میرسد این امر در این زمینه نیز صادق است، زیرا هم قطبیت محرک و هم فاصله بین جلسات می‌تواند تأثیر متفاوتی بر نتایج داشته باشد.

در افراد سالم نشان داده شده است، فواصل متفاوت بین جلسات tDCS (به عنوان مثال ، 0 دقیقه تا 24 ساعت) با الکترود کاتد بر روی قشر حرکتی، به طور مستقیم بر اندازه و مدت اثرات نوروفیزیولوژیکی پس از تحریک تأثیر می‌گذارد. همچنین اثرات رفتاری متفاوتی با توجه به قطبیت و مدت زمان فاصله در نتایج شناختی پس از دو جلسه tDCS مشاهده شده است (بهبود عملکرد حافظه کاری).

مجموع این یافته‌های جمعی نشان می‌دهد که در صورت طراحی یک پروتکل آزمایشی یا مداخله‌ای که برای آن هیچ مطالعه مرجع قبلی وجود ندارد، پارامترهای tDCS در رابطه با شدت، مدت زمان و تکرار محرک باید در نظر گرفته شود. این را می‌توان از طریق یک پایلوت بالینی به دست آورد. چنین آزمایشی همچنین می تواند برای جهت دهی به مطالعات آینده بسیار ارزشمند باشد.