The ABC of tDCS: Effekter af anodale, bilaterale og katodale montager af transkraniel direkte strømstimulering hos patienter med slagtilfælde – en pilotundersøgelse

Abstract

Transkraniel direkte strømstimulering (tDCS) er en ikke-invasiv teknik, der er ved at udvikle sig som en fremtidig terapi for forskellige neurologiske lidelser. Tidligere undersøgelser har vist, at anodal og katodal stimulering kan forbedre motorisk ydeevne med hensyn til fingerfærdighed og manuel kraft. Formålet med denne undersøgelse var at afgøre, om forskellige elektrodeopsætninger (anodal, katodal og samtidig bilateral tDCS) giver forskellige motoriske præstationer, og hvilken montage der var mest effektiv. Som sekundært resultat har vi spurgt patienterne om deres tilfredshed og for at afgøre, om den bilaterale tDCS var mere ubehagelig end unilateral tDCS. Ni patienter med slagtilfælde i subakut fase blev indskrevet i denne undersøgelse og tilfældigt inddelt i tre grupper. Vores resultater viste, at tDCS var en effektiv behandling, hvis man sammenlignede med Sham-stimulering (). Især gav anodal stimulering den større forbedring med hensyn til manuel fingerfærdighed. Katodal stimulering syntes at have en lille effekt med hensyn til kraftforbedring, hvilket ikke blev observeret med andre opsætninger. Bipolar stimulering syntes at være den mindst effektive. Der blev ikke konstateret nogen signifikante forskelle mellem de forskellige opsætninger med hensyn til patienternes vurdering. Disse resultater fremhæver den potentielle effektivitet af tDCS for patienter med slagtilfælde i den subakutte fase.

1. Indledning

Personer med slagtilfælde resulterer i flere neurologiske funktionsnedsættelser, der påvirker omkring 1 million personer i Europa. Derfor er slagtilfælde virkninger er den førende årsag til langvarig invaliditet i industrialiserede samfund . Rehabiliteringsresultater resulterer ofte i en ufuldstændig motorisk genopretning, og over 60 % af patienterne kan ikke bruge deres paresetiske hænder til funktionelle aktiviteter. Desuden anses tilstedeværelsen af alvorlig parese efter fire uger for at være en negativ prædiktiv faktor for den motoriske genopretning, hvilket indikerer alvorlige vanskeligheder for disse patienter i deres fremtidige daglige aktiviteter.

For at lette genoprettelsen af funktionen af de øvre lemmer foreslås der stadig mange forskellige rehabiliterende behandlinger. Blandt dem fokuserer forskerne deres opmærksomhed på ikke-invasive hjernestimulationer (NIBS) på verdensplan. Værktøjer inden for NIBS er repetitiv transkraniel magnetisk stimulation (rTMS) og transkraniel direkte strømstimulation (tDCS).

Anvendelsen af tDCS er stigende hos patienter med slagtilfælde på grund af dens modulerende virkninger på kognitive og motoriske funktioner . Især for det motoriske område er det kortikale mål for tDCS-anvendelse blevet vist at forbedre udførelse og færdigheder , hvilket skaber interesse for forbedring af rehabiliteringsforløbet af slagtilfælde. Desuden er det i forhold til rTMS mindre dyrt, mere mobilt og derfor mere behageligt, hvilket gør det lettere at anvende det i kliniske sammenhænge.

Denne teknik anvender elektrisk strøm direkte på hovedbunden og modulerer membranpotentialet afhængigt af elektrodeanvendelsens type. Anoden er faktisk i stand til at lette depolariseringen af neuroner, mens katoden tværtimod hyperpolariserer det hvilende membranpotentiale, hvilket reducerer neuronernes affyring . Anvendelse på det motoriske område for personer med slagtilfælde har vist sig at være effektiv med hensyn til at forbedre udførelsen af funktionelle opgaver og muskelkraft .

Samtidig har en nylig metaanalyse understreget, at en lille stikprøvestørrelse, forskellige opsætninger og en stor effektstørrelse i undersøgelser vedrørende motorisk genopretning af patienter med slagtilfælde kan reducere den kliniske betydning af dette foreløbige bevis.

Sigtet med denne undersøgelse var at evaluere virkningerne på manuel fingerfærdighed og knibe- og grebskraft af en enkelt tDCS-stimulering sammenlignet med Sham-stimulering, og om denne forbedring var forskellig blandt de tre mulige elektrodemontager (anodal, katodal eller bipolær). Det sekundære resultat var at vurdere patienternes tilfredshed med brugen af denne avancerede rehabiliteringsteknologi.

2. Materiale og metoder

Dette er en enkeltblind, crossover, sham-kontrolleret undersøgelse. Patienterne blev indlagt til en stationær rehabilitering med en diagnose af slagtilfælde på vores hospital. Inklusionskriterierne for deltagelse i denne undersøgelse blev udvalgt som følger: første slagtilfælde nogensinde; kortikal eller kortikal-subkortikal læsion, bekræftet ved diagnostisk billeddiagnostik (CT- eller MR-scanninger); mild til moderat hemiparese med tilstedeværelse af minimal håndbevægelse (bevist ved mulighed for at udføre greb eller knibtest). Følgende udelukkelseskriterier blev taget i betragtning: tilstedeværelse af en historie med kroniske invaliderende patologier i de øvre lemmer; spasticitet; tilstedeværelse af pacemaker eller alvorlige kardiovaskulære lidelser; en historie med tumor, tidligere neurokirurgisk indgreb i hjernen eller alvorlige kardiovaskulære lidelser, herunder tilstedeværelse af pacemaker; en diagnose af epilepsi eller alvorlige psykiatriske lidelser. Demografiske og kliniske karakteristika for de ni patienter, der gennemgik den eksperimentelle procedure, er opsummeret i tabel 1.

Protokollen blev godkendt af den lokale uafhængige etiske komité, og alle deltagere gav skriftligt informeret samtykke.

2.1. Transkraniel direkte strømstimulering

Stimulering blev leveret i 15 minutter, både i reel og sham-tilstand, i to på hinanden følgende dage, randomiseret for sham/tDCS og anodal/bipolar/katodal stimulationer. I begge sessioner blev stimuleringen forudgået af 60 sekunder, hvor strømmen gradvist blev øget indtil intensitet på 1.5 mA, hvilket fremkaldte forbigående fornemmelser, der forsvandt i løbet af sekunder, i overensstemmelse med tidligere rapporter . Stimulatoren (Eldith DC-stimulator, NeuroConn, Tyskland) leverede jævnstrøm ved hjælp af to gel-svampelektroder med et overfladeareal på 35 cm2 ( cm for hver elektrode), der var indlejret i en saltvandsopløsning.

Positionering af aktiv elektrode varierede i henhold til randomiseret forskellig montage: for anodal stimulering blev den aktive elektrode placeret på projektionen af håndknapområdet i den primære motoriske cortex i den berørte hemisfære; for katodal stimulering blev elektroden placeret på den ikke-påvirkede hemisfære i en analog position for den anodale stimulering. Ved opsætning af disse elektroder blev referenceelektroden anbragt på huden over den kontralaterale supraorbitalregion. Ved bilateral montering blev katode og anode placeret som aktiv elektrode på samme måde som beskrevet ovenfor. I forbindelse med elektrisk stimulering angiver anode den relative positive terminal, hvor strømmen strømmer ind i kroppen, mens katode angiver den relative negative terminal, hvor strømmen udgår fra kroppen .

2.2. Testprotokol

Patienterne blev bedt om at udføre 9-hullet peg-testen (9HPT) før- og efter tDCS eller Sham. Denne test består af et firkantet bræt med 3 rækker af 3 huller. Deltagerne blev bedt om at fylde de 9 huller med pløkker så hurtigt som muligt. Forskerne registrerede den tid, der blev brugt på at udføre opgaven med et stopur, der startede, når forsøgspersonen rørte den første pløk, og stoppede det, når forsøgspersonen fyldte det sidste hul, eller når tiden var længere end 50 s, som tidligere undersøgelser rapporterede .

Velocity of execution was computed in terms of holes filled per second (number of filled holes/time). 9HPT-indeks, som et indeks for manuel fingerfærdighed, blev opnået. For at foretage en datanormalisering mellem forsøgspersoner blev 9HPT-indekset beregnet på følgende måde: 9HPT-indeks = hastighed LS/hastighed HS 100. Den procentvise forbedring mellem før og efter behandlingen af 9HPT-indekset blev beregnet som (9HPT-indexpost – 9HPT-indexpre)/9HPT-indexpre 100.

Som andre resultatmålinger blev den maksimale klemkraft og den maksimale gribekraft målt for hver deltager ved hjælp af specifikke dynamometre. Begge hænder blev evalueret med patienterne siddende, med albuen i 90° fleksion og en neutral stilling af håndleddet. Grebskraften blev bestemt efter Jamar-metoden med armen så strakt som muligt og med styret fastgjort til 5 cm, hvilket er den mest hensigtsmæssige afstand til at udvikle den maksimale kraft . De maksimale kræfter, der blev registreret mellem to forsøg, blev analyseret. Hver deltager udførte disse forsøg før- og efter TDCS eller Sham.

Slutteligt blev der stillet fire spørgsmål om tilfredsheden med redskabet set fra patienternes perspektiv. Inspireret af QUEST-spørgeskemaet (Quebec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology) , var emnerne vedrørte dimension og nytteværdi af udstyret, anvendelsesmodalitet, komfort i brugen. Svarene blev klassificeret på en Likert-skala, som er den mest udbredte metode til at skalere svarene i undersøgelser, fra “slet ikke tilfreds” til “meget tilfreds”.

2.3. Statistisk analyse

Alle målinger er rapporteret i form af gennemsnit ± standardafvigelse. En variansanalyse med gentagen foranstaltning blev udført på 9HPT-indekset ved at bruge som indenfor-subjekter faktorer før versus efter behandling og tDCS versus Sham, mens som mellem-subjekter faktor typen af opsætning (A, B, eller C). Post hoc-analyser var blevet udført ved hjælp af Tukey-korrektion for inflation eller type I-fejl for multiple sammenligninger. Tilsvarende analyser blev udført på samme måde på de knibe- og grebskræfter, der blev registreret for den berørte lem af forsøgspersoner. For at verificere anvendeligheden af variansanalyse udførte vi tidligere Levenes test af lighed af fejlvarianser for at verificere homogeniteten af data for de 3 registrerede variabler (9HPT-indeks, knibe- og grebskræfter) for begge stimulationer (tDCS versus Sham), før og efter stimulering. SPSS 17.0 blev anvendt, og signifikant tærskel blev sat til 0,05.

3. Resultater

Tabel 2 rapporterer de eksperimentelle data for alle ni udvalgte patienter.

Før anvendelse af variansanalyse blev datahomogeniteten verificeret med Levenes test af lighed af fejlvarianser for de 3 registrerede variabler (9HPT-indeks, knibe- og grebskraft) for begge stimulationer (tDCS versus Sham), før og efter stimulering. Elleve af 12 datasæt resulterede i homogenitet (), med en signifikant reduktion af homogeniteten observeret kun for greb efter sham-stimulering (). I henhold til disse resultater anvendte vi variansanalyse med gentagen foranstaltning.

De forbedringer, der blev registreret efter tDCS-behandling, var signifikant højere med hensyn til de ændringer, der blev observeret efter Sham-behandling, som vist i figur 1 og tabel 3 ( af interaktion Pre versus Post tDCS versus Sham). På trods af den store datavariabilitet viste anodal og katodal de højere forbedringer, men forskellene mellem opsætningerne var kun signifikante som hovedfaktor (), men ikke for interaktionen Pre versus Post tDCS versus Sham ABC (). Post hoc-analyser viste, at A-gruppen havde et lavere 9HPT-indeks allerede før behandlingen (, variansanalyse, faktor gruppe).

Med hensyn til manuel kraft påvirkede interaktionen mellem faktorerne (Pre versus Post tDCS versus Sham ABC) signifikant klemkraften i det berørte lem (, ). Hovedfaktoren ABC påvirkede ikke signifikant klemkraft (, ). Vi fandt en signifikant forbedring på + efter katodisk stimulering, en reduktion af kraft på – efter bipolær stimulering og ingen ændringer (0% i gennemsnit) efter anodisk stimulering eller Sham-simulering. Grebskræfter blev ikke ændret, med kun en lille, men ikke signifikant effekt af tDCS versus Sham ABC-interaktion (, ), igen med større forbedring efter katodisk stimulering.

Endeligt, hvad angår brugerevalueringen, var den overordnede tilfredshed med apparatet meget god. Resultaterne af den korte undersøgelse blev rapporteret i tabel 4.

Der blev ikke fundet nogen statistisk signifikante ændringer mellem anodale, bilaterale og katodale montager med hensyn til patienternes bedømmelse vurderet ved hjælp af skalaen for brugertilfredshed med hensyn til dimension (, Kruskal-Wallis-analyse), opfattet nytteværdi (), opfattet brugervenlighed () og komfort under behandlingen () (Figur 2). Der blev kun observeret en lidt overraskende tendens, der indikerer, at bipolar montage blev opfattet som mindre invasiv på trods af tilstedeværelsen af to elektroder på hovedet og som mere behagelig.

Figur 2

4-items spørgsmål om brugertilfredshed, baseret på en Likert-scoring, for de tre elektrodeopsætninger (A: anodisk, B: bilateral, C: katodisk montage). Box (tynde linjer: første og tredje kvartil, bred linje: median) og whiskers (minimums- og maksimumsværdier) plot for patienternes bedømmelser af dimension, nytteværdi, brugervenlighed og komfort.

4. Diskussion

Sigtet med denne undersøgelse var at bestemme virkningerne af en enkelt transkraniel jævnstrømsstimulation (ægte versus sham) på fingerfærdighed og manuel kraft hos patienter med slagtilfælde, idet stimuleringen blev udført gennem tre forskellige elektrodeopsætninger, og det blev bestemt, om montagen blev opfattet af patienterne som tilfredsstillende. Vores resultater tyder på, at tDCS-behandling var mere effektiv end Sham-behandling på manuel smidighed, mens der ikke blev registreret nogen signifikante forskelle med hensyn til manuel kraft, selv om der blev noteret en lille forbedring efter katodal stimulering. Desuden blev der ikke klaget over nogen vanskeligheder med at udføre behandlingen af patienterne.

For nylig har mange undersøgelser været fokuseret på anordninger til at lette den motoriske genopretning. tDCS fremstår som en af de mest interessante anordninger til anvendelse i forbindelse med rehabilitering efter slagtilfælde, både for kognitive og motoriske funktionsnedsættelser. Behandlinger med tDCS kan leveres i op til 30 minutter, svarende til timingen af rehabiliteringssessionen, før eller i synkronisering med den, hvilket forbedrer rehabiliteringsresultaterne . Desuden er tDCS sammenlignet med andre former for NIBS mere behageligt, mere mobilt og billigere, og der er ikke rapporteret om større bivirkninger. Almindelige bivirkninger omfatter mild hovedpine, kløe og erytem på elektrodepladsen .

På trods af disse fordele modvirkes brugen af denne teknik i rehabilitering på grund af stadig for foreløbige beviser. Faktisk varierer undersøgelserne meget med hensyn til fase af slagtilfælde, funktionsnedsættelser, målretning af resultaterne, stimuleringsopsætninger og rehabiliterende integration. Derfor konkluderede Bastani og Jaberzadeh i en nyere metaanalyse, at tDCS (i dette tilfælde som anodal stimulering) synes at give betydelige virkninger hos personer med slagtilfælde, men enhver konklusion bør overvejes med forsigtighed . Samtidig bemærkede de også dens potentielle rolle som add-on teknik til forbedring af motorisk funktion og kortikomotorisk excitabilitet.

I vores undersøgelse har vi fokuseret vores opmærksomhed på forskellige elektrodemontager, idet vi har en stigende interesse for stimuleringstypen. Vores resultater viser, at anodal stimulering gav den største forbedring med hensyn til manuel smidighed. Disse resultater er i overensstemmelse med tidligere rapporter . I sådanne tilfælde kan virkningerne vare op til 2 uger efter behandlingen . De fleste af disse undersøgelser vedrører en kronisk fase af slagtilfælde, mens kun Kim og kolleger har påvist en stimuleringseffekt på patienter i en subakut fase. Det er værd at bemærke, at en nyere rapport har observeret, at tDCS ikke synes at være effektiv i en akut fase .

De opgaver, der anvendes til at måle den manuelle smidighed, herunder Jebsen-Taylor-testen, Box and Block-testen og 9HPT, kræver en kompleks sensorisk information og sensomotorisk integration for at kunne udføres korrekt. Desuden kræver en vellykket udførelse et komplekst mønster af aktivering af muskler og led samt brug af mål og redskaber ; derfor bør rollen som forstærker af motorisk rehabilitering være mere hensigtsmæssig for anodal stimulering af tDCS.

Faktisk synes også stimulering med katode af den upåvirkede hemisfære at være effektiv til forbedring af den motoriske funktion, men rapporterne er ikke altid samstemmende . Tværtimod viste vores resultater, at katodal tDCS syntes at have en lille effekt med hensyn til kraft, anderledes end andre opsætninger.

I vores undersøgelse syntes bipolær stimulering at være den mindre effektive. I en tidligere undersøgelse blev det rapporteret som samtidig anvendelse af anodal tDCS over den motoriske cortex og katodal tDCS over den kontralaterale motoriske cortex inducerede en stigning i kortikal excitabilitet . Vores undersøgelse understøtter disse resultater med hensyn til fingerfærdighed, hvilket tyder på en global effekt af behandlinger baseret på elektrisk stimulering respekt end sham-betingelser, også for den bipolære montage af elektroder.

Endeligt blev patientens overordnede tilfredshed opretholdt under en kort protokolbehandling, hvilket bekræfter faciliteten ved at bruge denne enhed .

Den største begrænsning af vores undersøgelse var den reducerede stikprøvestørrelse. Selv om antallet af forsøgspersoner, der var involveret i denne undersøgelse, var i overensstemmelse med andre undersøgelser af tDCS , foreslår det forsigtighed i datatolkning. På den anden side, fra et statistisk synspunkt, var de signifikante virkninger, der blev fundet i vores undersøgelse ( for interaktion Pre versus Post tDCS versus Sham for 9HPT-index og for interaktion Pre versus Post tDCS versus Sham ABC for pinch force) opnået på en lille prøve, potentielt større end tilsvarende resultater opnået med større prøver, hvilket understøtter betydningen af vores resultater. Under alle omstændigheder er der behov for yderligere undersøgelser på større prøver. Desuden havde gruppen med anodal stimulering generelt en lavere manuel smidighed (men ikke kraft), hvilket kunne begrænse fortolkningen af vores resultater. Der er derfor behov for yderligere forskning på større prøver.

Sammenfattende bidrager den foreliggende undersøgelse til det panel af beviser, der styrker tDCS’s rolle inden for det rehabiliterende slagtilfældeforløb, især for de mere komplekse aktiviteter i dagligdagen som tillægsteknik. Der er behov for flere undersøgelser for at definere de bedre monteringsopsætninger, der er rettet mod mere specifikke resultatmålinger.