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经颅电刺激 tES

2022-08-13 10:39
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经颅电刺激(Transcranial electrical stimulation,tES)是一种非侵入性脑刺激的方法,可用于通过向头皮施加弱电流来改变神经元的膜兴奋性。   

传统上,tES要求用户将一个阳极和一个阴极施加到主体的头皮上,这样电流将从阳极流向阴极。经颅电刺激tES的常用方法包括经颅直流电刺激(tDCS)、经颅交流电刺激(tACS)和经颅随机噪声刺激(tRNS)。经颅直流电刺激(tDCS)可用于降低或者增强动作电位的(通常认为阴极,也就是tDCS的负极起到降低作用;阳极,也就是tDCS的正极性,起到增强作用)。对于经颅交流电刺激(tACS),所施加电流的方向或极性以预定的频率变化,以影响膜兴奋性(或电位)的变化。   


TES简介   


什么是tES?   


经颅电刺激-通常缩写为tES-是一种非侵入性方法,通过向个体头皮施加弱电流来刺激大脑。   

在最简单的形式中,tES涉及在受试者头部放置阳极和阴极,允许电流在电极之间流动,目的是刺激潜在的大脑区域。   

tES已被广泛用于研究和临床环境,通常被认为是一种安全无痛的非侵入性脑刺激方法。   


经颅直流电刺激tDCS   


tDCS 的想法是基于表明沿神经元传递 5-20 分钟的极化电流会在该神经元内每秒产生持续的尖峰数量变化的工作(Bindman 等人,1964 年)。当向人类头皮施加微弱电流(高达 2mA)时,类似的原理被用于人类的非侵入性刺激(Nitsche & Paulus,2003)。当施加阳极电流(左 M1 —> 右眼眶)时,经颅磁刺激 (TMS) 诱发的运动诱发电位 (MEP) 的幅度增加。相反,当应用阴极(右眶上 -> 左 M1)刺激时,MEP 的幅度降低。然而,当尝试使用 tDCS 来改变皮质兴奋性时,已经发现相当大的可变性,特别是当使用 TMS 探测效果时(例如 Tremblay 等人,2016)。最近,电流模型和与实验数据的比较强调了在与脑回正交的方向上施加电流的重要性,这可以减少以 1mA 的电流刺激运动皮层时的变异性(Rawji 等人,2019 年)。

   

最初,tDCS应用采用一个阳极和一个阴极,通常具有5x7cm电极,这通常会导致电极之间位点的峰值感应电场,而不是阳极正下方(Datta等人,2009)。然而,“高清tDCS(HD-tDCS)”的发展涉及“4x1 HD环形排布”,其中四个阴极围绕一个阳极,以圆盘形电极的圆形排列(Datta等人,2009)。电机皮层周围的HD-tDCS蒙太奇导致紧邻阳极下方的电场峰值(在M1中),但其他地方的电场峰值不存在(Datta等人,2009),这表明HD-tDCS可用于选择性地去极化阳极下方的区域,具有合理的空间分辨率。   


经颅交流电刺激tACS   


另一方面,tACS使皮质兴奋性的变化在特定频率下发生。这通常涉及tES振幅在特定频率下发生的正弦变化,基于颅内工作表明局部场电位的变化与外部施加的场同步(Frohlich&McCormick,2010)。在最初的一个实例中,tACS在单个α频率上应用(在枕叶皮层中测量),并且与之前相比,在tACS之后的脑电图(EEG)测量期间显示α功率增加(Zaehle等人,2010),一些报道了刺激后30分钟的后效应(Neuling等人,2013)。此外,当在一定频率范围(4-16Hz)上应用taACS时,观察到10H时α功率增加,功率降低,最终随着使用8-12Hz频带外的频率而逐渐消失(Merlet等人,2013)。综上所述,这些实验表明,tACS可能是一种有前途的手段,可以为基本神经生理过程的电压振荡变化提供因果证据。   


tES的可能副作用   


虽然tes通常被认为是一种安全无痛的非侵入性脑刺激方法,但受试者自然可能会遇到许多副作用,包括:   

•头皮   

瘙痒/刺痛感•疲劳   

•恶心   

•头痛   

•失眠   

有关tes技术安全性的完整概述,请参阅后附参考文献:Low intensity transcranial electric stimulation: Safety,ethical,legal regulatory and application guidelines


在下面的视频中,取自BrainboxInitiative网络研讨会系列,CharlotteStagg教授(牛津大学)进一步详细介绍了神经科学家如何以及为什么可以结合MRI和tes技术,并提供了有关如何实现这一目标的见解。



Reference:


  1. tDCS changes in motor excitability are specific to orientation of current flow. Vishal Rawji, Matteo Ciocca, André Zacharia, David Soares, Dennis Truong, Marom Bikson, John Rothwell, SvenBestmann. Brain Stimulation. April 2018

  2. Systematic assessment of duration and intensity of anodal transcranial direct current stimulation on primary motor cortex excitability. Sara Tremblay, Félix Larochelle-Brunet, Louis-Philippe Lafleur, Sofia El Mouderrib, Jean-François Lepage, Hugo Théoret. European Journal of Neuroscience. July 2016

  3. From Oscillatory Transcranial Current Stimulation to Scalp EEG Changes: A Biophysical and Physiological Modeling Study. Isabelle Merlet , Gwénaël Birot, Ricardo Salvador, Behnam Molaee-Ardekani, Abeye Mekonnen, Aureli Soria-Frish, Giulio Ruffini, Pedro C. Miranda, Fabrice Wendling. PLOS ONE. February 2013

  4. Transcranial Alternating Current Stimulation Enhances Individual Alpha Activity in Human EEG. Tino Zaehle, Stefan Rach, Christoph S. Herrmann. PLOS ONE. November 2010

  5. Endogenous Electric Fields May Guide Neocortical Network Activity. Flavio Fröhlich and David A. McCormick. Neuron. July 2010

  6. Gyri –precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Abhishek Datta,   Varun Bansal, Julian Diaz, Jinal Patel, Davide Reato, and Marom Bikson. Brain Stimulation. October 2009

  7. The action of brief polarizing currents on the cerebral cortex of the rat (1) during current flow and (2) in the production of long-lasting after-effects. Lynn J. Bindman, O. C. J. Lippold, and J. W. T. Redfearn. The Journal of Neurophysiology. August 1964

  8. The Brain Electrophysiological Recording and STimulation (BEST) toolbox. Umair Hassan, Stephen Pillen, Christoph Zrenner, Til Ole Bergmann. Brain Stimulation. November 2021





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