Das ABC der tDCS: Wirkungen anodaler, bilateraler und kathodaler Montagen der transkraniellen Gleichstromstimulation bei Patienten mit Schlaganfall – eine Pilotstudie

Abstract

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nichtinvasive Technik, die sich zu einer prospektiven Therapie für verschiedene neurologische Störungen entwickelt. Frühere Studien haben gezeigt, dass anodale und kathodale Stimulationen die motorische Leistung in Bezug auf Geschicklichkeit und Handkraft verbessern können. Ziel dieser Studie war es, festzustellen, ob verschiedene Elektrodenanordnungen (anodale, kathodale und simultane bilaterale tDCS) unterschiedliche motorische Leistungen erbringen und welche Anordnung effektiver ist. Als sekundäres Ergebnis haben wir die Patienten nach ihrer Zufriedenheit befragt, und um festzustellen, ob die bilaterale tDCS unangenehmer war als die unilaterale tDCS. Neun Patienten mit Schlaganfall in der subakuten Phase wurden in diese Studie aufgenommen und nach dem Zufallsprinzip in drei Gruppen aufgeteilt. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die tDCS im Vergleich zur Sham-Stimulation eine wirksame Behandlung war (). Vor allem die anodale Stimulation führte zu einer stärkeren Verbesserung der manuellen Geschicklichkeit. Die kathodische Stimulation schien eine geringe Wirkung auf die Kraftverbesserung zu haben, die bei den anderen Anordnungen nicht beobachtet wurde. Die bipolare Stimulation schien am wenigsten wirksam zu sein. Bei der Beurteilung der Patienten wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den verschiedenen Anordnungen festgestellt. Diese Ergebnisse unterstreichen die potenzielle Wirksamkeit von tDCS bei Patienten mit Schlaganfall in der subakuten Phase.

1. Einleitung

Ein Schlaganfall führt zu verschiedenen neurologischen Beeinträchtigungen, von denen in Europa etwa 1 Million Menschen betroffen sind. Damit sind die Folgen des Schlaganfalls die Hauptursache für Langzeitbehinderungen in den industrialisierten Gesellschaften. Die Ergebnisse der Rehabilitation enden oft mit einer unvollständigen motorischen Erholung, und über 60 % der Patienten können ihre gelähmten Hände nicht für funktionelle Aktivitäten nutzen. Darüber hinaus gilt das Vorhandensein einer schweren Parese nach vier Wochen als negativer prädiktiver Faktor für die motorische Erholung, was für diese Patienten auf ernsthafte Schwierigkeiten bei den Aktivitäten des täglichen Lebens in der Zukunft hindeutet.

Um die Wiederherstellung der Funktion der oberen Gliedmaßen zu erleichtern, werden immer noch viele verschiedene Rehabilitationsbehandlungen vorgeschlagen. Unter ihnen richten Forscher weltweit ihre Aufmerksamkeit auf nicht-invasive Hirnstimulationen (NIBS). Instrumente der NIBS sind die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) und die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS).

Die tDCS wird bei Schlaganfallpatienten wegen ihrer modulierenden Wirkung auf die kognitiven und motorischen Funktionen zunehmend eingesetzt. Insbesondere für den motorischen Bereich hat sich gezeigt, dass das kortikale Ziel der tDCS-Anwendung die Ausführung und die Fähigkeiten verbessert, was für die Verbesserung des rehabilitativen Verlaufs des Schlaganfalls von Interesse ist. Darüber hinaus ist die tDCS im Vergleich zur rTMS kostengünstiger, mobiler und damit komfortabler, was ihre Anwendung im klinischen Umfeld erleichtert.

Diese Technik appliziert elektrischen Strom direkt auf die Kopfhaut und moduliert das Membranpotential abhängig von der Art der Elektrodenanwendung. Die Anode ist in der Lage, die Depolarisierung der Neuronen zu erleichtern, während die Kathode das Ruhemembranpotenzial hyperpolarisiert und die neuronale Zündung reduziert. Die Anwendung im motorischen Bereich für Personen mit Schlaganfall hat sich als wirksam erwiesen, um die Leistung von funktionellen Aufgaben und Muskelkraft zu verbessern.

Gleichzeitig hat eine kürzlich durchgeführte Meta-Analyse unterstrichen, dass der geringe Stichprobenumfang, die unterschiedlichen Versuchsanordnungen und die große Effektgröße in den Studien zur motorischen Erholung bei Patienten mit Schlaganfall die klinische Bedeutung dieser vorläufigen Erkenntnisse einschränken können.

Das Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen einer tDCS-Einzelstimulation auf die manuelle Geschicklichkeit und die Greifkraft im Vergleich zu einer Sham-Stimulation zu bewerten und festzustellen, ob diese Verbesserung zwischen den drei möglichen Elektrodenanordnungen (anodal, kathodal oder bipolar) unterschiedlich war. Als sekundäres Ergebnis sollte die Zufriedenheit der Patienten mit der Anwendung dieser fortschrittlichen Rehabilitationsmethode bewertet werden.

2. Material und Methoden

Es handelt sich um eine einfach verblindete, gekreuzte und scheinkontrollierte Studie. Die Patienten wurden zur stationären Rehabilitation mit der Diagnose Schlaganfall in unser Krankenhaus aufgenommen. Die Einschlusskriterien für die Teilnahme an dieser Studie waren wie folgt: erstmaliger Schlaganfall; kortikale oder kortikal-subkortikale Läsion, bestätigt durch diagnostische Bildgebung (CT- oder MRT-Scans); leichte bis mittelschwere Hemiparese mit Vorhandensein einer minimalen Handbewegung (nachgewiesen durch die Möglichkeit, einen Greif- oder Kneiftest durchzuführen). Folgende Ausschlusskriterien wurden berücksichtigt: Vorhandensein einer Vorgeschichte von chronischen Behinderungen der oberen Gliedmaßen; Spastizität; Vorhandensein eines Herzschrittmachers oder schwerer kardiovaskulärer Erkrankungen; Vorgeschichte von Tumoren, früheren neurochirurgischen Eingriffen am Gehirn oder schweren kardiovaskulären Erkrankungen, einschließlich des Vorhandenseins eines Herzschrittmachers; Diagnose von Epilepsie oder schweren psychiatrischen Störungen. Die demografischen und klinischen Merkmale der neun Patienten, bei denen das experimentelle Verfahren durchgeführt wurde, sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Das Protokoll wurde von der örtlichen unabhängigen Ethikkommission genehmigt, und alle Teilnehmer gaben eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung.

2.1. Transkranielle Gleichstromstimulation

Die Stimulation wurde an zwei aufeinanderfolgenden Tagen jeweils 15 Minuten lang durchgeführt, und zwar sowohl im realen als auch im Scheinzustand, randomisiert für Schein-/TDCS und anodale/bipolare/kathodische Stimulationen. In beiden Sitzungen gingen der Stimulation 60 Sekunden voraus, in denen der Strom allmählich bis zu einer Intensität von 1,5 mA erhöht wurde, wodurch vorübergehende Empfindungen ausgelöst wurden, die im Einklang mit früheren Berichten innerhalb von Sekunden verschwanden. Der Stimulator (Eldith DC Stimulator, NeuroConn, Deutschland) lieferte den Gleichstrom über zwei Gel-Schwamm-Elektroden mit einer Oberfläche von 35 cm2 (cm für jede Elektrode), die in eine salzgetränkte Lösung eingebettet waren.

Die Positionierung der aktiven Elektrode variierte entsprechend der randomisierten unterschiedlichen Montage: für die anodale Stimulation wurde die aktive Elektrode auf der Projektion des Handknaufbereichs des primären motorischen Kortex der betroffenen Hemisphäre platziert; für die kathodale Stimulation wurde die Elektrode auf der nicht betroffenen Hemisphäre in einer analogen Position wie bei der anodalen Stimulation platziert. Bei diesen Elektroden wurde die Referenzelektrode auf der Haut über der kontralateralen supraorbitalen Region platziert. Bei der bilateralen Montage wurden Kathode und Anode als aktive Elektrode auf die gleiche Weise wie oben beschrieben positioniert. Im Zusammenhang mit der elektrischen Stimulation bezeichnet Anode den relativ positiven Anschluss, an dem Strom in den Körper fließt, während Kathode den relativ negativen Anschluss bezeichnet, an dem der Strom aus dem Körper austritt.

2.2. Testprotokoll

Die Patienten wurden gebeten, den 9-Loch-Stift-Test (9HPT) vor und nach tDCS oder Sham durchzuführen. Dieser Test besteht aus einem quadratischen Brett mit 3 Reihen von 3 Löchern. Die Teilnehmer wurden gebeten, die 9 Löcher so schnell wie möglich mit Stiften zu füllen. Die Forscher zeichneten die Zeit, die für die Ausführung der Aufgabe benötigt wurde, mit einer Stoppuhr auf. Sie begann, wenn die Versuchsperson den ersten Stift berührte, und stoppte, wenn die Versuchsperson das letzte Loch füllte oder wenn die Zeit länger als 50 Sekunden war, wie in früheren Untersuchungen berichtet.

Die Ausführungsgeschwindigkeit wurde als Anzahl der gefüllten Löcher pro Sekunde berechnet (Anzahl der gefüllten Löcher/Zeit). Der 9HPT-Index als Index der manuellen Geschicklichkeit wurde ermittelt. Um eine Datennormalisierung zwischen den Probanden durchzuführen, wurde der 9HPT-Index wie folgt berechnet: 9HPT-Index = Schnelligkeit LS/Geschwindigkeit HS 100. Die prozentuale Verbesserung des 9HPT-Index zwischen Vor- und Nachbehandlung wurde berechnet als (9HPT-indexpost – 9HPT-indexpre)/9HPT-indexpre 100.

Als weitere Ergebnismessung wurden für jeden Teilnehmer die maximale Kneifkraft und die maximale Greifkraft mit speziellen Dynamometern gemessen. Beide Hände wurden im Sitzen, mit 90° gebeugtem Ellenbogen und neutraler Handgelenksstellung untersucht. Die Griffkraft wurde nach der Jamar-Methode bestimmt, wobei der Arm so weit wie möglich gestreckt und der Lenker in einem Abstand von 5 cm fixiert wurde, der am besten geeignet ist, um die maximale Kraft zu entwickeln. Die zwischen zwei Versuchen aufgezeichneten Maximalkräfte wurden ausgewertet. Jeder Teilnehmer führte diese Tests vor – und nach – TDCS oder Sham durch.

Abschließend wurden vier Fragen zur Zufriedenheit mit dem Gerät aus Sicht der Patienten gestellt. In Anlehnung an den QUEST-Fragebogen (Quebec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology) bezogen sich die Fragen auf die Dimension und den Nutzen des Geräts, die Modalität der Anwendung und den Komfort bei der Benutzung. Die Antworten wurden auf einer Likert-Skala, dem am häufigsten verwendeten Ansatz zur Skalierung von Antworten in der Umfrageforschung, von „überhaupt nicht zufrieden“ bis „sehr zufrieden“ eingestuft.

2.3. Statistische Analyse

Alle Messungen werden als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben. Eine Varianzanalyse mit wiederholten Messungen wurde für den 9HPT-Index durchgeführt, wobei als Within-Subjects-Faktoren Prä- versus Post-Behandlung und tDCS versus Sham verwendet wurden, während als Between-Subjects-Faktor die Art der Einrichtung (A, B oder C) verwendet wurde. Post-hoc-Analysen wurden unter Verwendung der Tukey-Korrektur für den Inflations- oder Typ-I-Fehler bei Mehrfachvergleichen durchgeführt. Dieselben Analysen wurden auch für die Greif- und Kneifkräfte durchgeführt, die für die betroffenen Gliedmaßen der Probanden aufgezeichnet wurden. Um die Anwendbarkeit der Varianzanalyse zu überprüfen, führten wir zuvor den Levene-Test auf Gleichheit der Fehlervarianzen durch, um die Homogenität der Daten der drei aufgezeichneten Variablen (9HPT-Index, Kneif- und Greifkräfte) für beide Stimulationen (tDCS versus Sham) vor und nach der Stimulation zu überprüfen. SPSS 17.0 wurde verwendet und die Signifikanzschwelle wurde auf 0,05 festgelegt.

3. Ergebnisse

Tabelle 2 zeigt die experimentellen Daten aller neun ausgewählten Patienten.

Vor der Anwendung der Varianzanalyse wurde die Homogenität der Daten mit dem Levene-Test auf Gleichheit der Fehlervarianzen der drei aufgezeichneten Variablen (9HPT-Index, Kneif- und Greifkräfte) für beide Stimulationen (tDCS versus Sham), vor und nach der Stimulation, überprüft. Elf von 12 Datensätzen waren homogen (), wobei eine signifikante Verringerung der Homogenität nur für das Greifen nach der Sham-Stimulation beobachtet wurde (). Aufgrund dieser Ergebnisse wurde eine Varianzanalyse mit wiederholten Messungen durchgeführt.

Die nach der tDCS-Behandlung festgestellten Verbesserungen waren signifikant höher als die nach der Sham-Behandlung beobachteten Veränderungen, wie in Abbildung 1 und Tabelle 3 ( der Interaktion Pre versus Post tDCS versus Sham) dargestellt. Trotz der hohen Datenvariabilität zeigten anodal und kathodal die höheren Verbesserungen, aber die Unterschiede zwischen den Setups waren nur als Hauptfaktor signifikant (), aber nicht für die Interaktion Prä versus Post tDCS versus Sham ABC (). Post-hoc-Analysen ergaben, dass die A-Gruppe bereits vor der Behandlung einen niedrigeren 9HPT-Index hatte (, Varianzanalyse, Faktor Gruppe).

Abbildung 1

Prozentuale Verbesserung der manuellen Geschicklichkeit, gemessen als 9HPT-Index, für die reale und die Scheinstimulation in den drei verschiedenen Elektrodenmontagen. Abkürzungen für die Stimulation: A: anodal; B: bilateral; C: kathodal.

In Bezug auf die manuelle Kraft wirkte sich die Interaktion zwischen den Faktoren (Pre versus Post tDCS versus Sham ABC) signifikant auf die Kneifkraft der betroffenen Extremität aus (, ). Der Hauptfaktor ABC hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Quetschkraft (, ). Wir fanden eine signifikante Verbesserung von + nach kathodischer Stimulation, eine Reduktion der Kraft von – nach bipolarer Stimulation und keine Veränderungen (0% im Mittel) nach anodischer Stimulation oder Sham-Simulation. Die Greifkräfte wurden nicht verändert, mit nur einem leichten, aber nicht signifikanten Effekt der tDCS versus Sham ABC Interaktion (, ), wiederum mit einer höheren Verbesserung nach kathodischer Stimulation.

Schließlich war die allgemeine Zufriedenheit mit dem Gerät bei der Anwenderbewertung sehr gut. Die Ergebnisse der Kurzumfrage sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Es wurden keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den anodalen, bilateralen und kathodalen Montagen in Bezug auf die Beurteilung der Patienten anhand der Skala zur Benutzerzufriedenheit in Bezug auf die Dimension (, Kruskal-Wallis-Analyse), den wahrgenommenen Nutzen (), die wahrgenommene Benutzerfreundlichkeit () und den Komfort während der Behandlung () festgestellt (Abbildung 2). Es wurde ein wenig überraschender Trend beobachtet, der darauf hindeutet, dass die bipolare Montage trotz des Vorhandenseins von zwei Elektroden am Kopf und des höheren Komforts als weniger invasiv wahrgenommen wurde.

Abbildung 2

Fragen zur Benutzerzufriedenheit mit 4 Punkten, basierend auf einer Likert-Bewertung, für die drei Elektrodenanordnungen (A: anodische, B: bilaterale, C: kathodische Montage). Box- (dünne Linien: erstes und drittes Quartil, breite Linie: Median) und Whisker-Diagramm (Minimal- und Maximalwerte) für die Beurteilungen der Patienten zu Dimension, Nutzen, Benutzerfreundlichkeit und Komfort.

4. Diskussion

Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen einer einmaligen transkraniellen Gleichstromstimulation (real versus scheinbar) auf die Geschicklichkeit und die manuelle Kraft bei Patienten mit Schlaganfall zu bestimmen, wobei die Stimulation mit drei verschiedenen Elektrodenanordnungen durchgeführt wurde, und festzustellen, ob die Montage von den Patienten als zufriedenstellend empfunden wurde. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die tDCS-Behandlung bei der manuellen Geschicklichkeit wirksamer war als die Scheinbehandlung, während bei der manuellen Kraft keine signifikanten Unterschiede festgestellt wurden, auch wenn nach der kathodischen Stimulation eine leichte Verbesserung zu verzeichnen war. Darüber hinaus wurden von den Patienten keine Schwierigkeiten bei der Durchführung der Behandlung beklagt.

In letzter Zeit haben sich viele Studien auf Geräte zur Erleichterung der motorischen Erholung konzentriert. Die tDCS hat sich als eines der interessantesten Geräte für die Schlaganfall-Rehabilitation herauskristallisiert, sowohl für kognitive als auch für motorische Beeinträchtigungen. Behandlungen mit tDCS können bis zu 30 Minuten dauern, ähnlich dem Timing der Reha-Sitzung, vor oder zeitgleich mit ihr, was die Rehabilitationsergebnisse verbessert. Darüber hinaus ist die tDCS im Vergleich zu anderen Formen der NIBS bequemer, mobiler und kostengünstiger, und es wurden keine größeren unerwünschten Wirkungen gemeldet. Zu den häufigen Nebenwirkungen gehören leichte Kopfschmerzen, Juckreiz und Rötungen an der Elektrodenstelle .

Trotz dieser Vorteile wird dem Einsatz dieser Technik in der Rehabilitation entgegengewirkt, da die Beweise noch zu vage sind. In der Tat unterscheiden sich die Studien stark in Bezug auf die Phase des Schlaganfalls, die funktionellen Beeinträchtigungen, die Zielsetzung der Ergebnisse, die Stimulationsanordnung und die rehabilitative Integration. In einer kürzlich durchgeführten Meta-Analyse kamen Bastani und Jaberzadeh zu dem Schluss, dass die tDCS (in diesem Fall als anodale Stimulation) bei Schlaganfallpatienten offenbar signifikante Wirkungen hat, dass aber jede Schlussfolgerung mit Vorsicht zu genießen ist. Gleichzeitig wiesen sie auf die potenzielle Rolle der tDCS als zusätzliche Technik zur Verbesserung der motorischen Funktion und der kortikomotorischen Erregbarkeit hin.

In unserer Studie haben wir uns auf verschiedene Elektrodenanordnungen konzentriert, da wir uns zunehmend für die Art der Stimulation interessieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die anodale Stimulation eine höhere Verbesserung der manuellen Geschicklichkeit bewirkt. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Berichten überein. In solchen Fällen kann die Wirkung bis zu 2 Wochen nach der Behandlung anhalten. Die meisten dieser Studien beziehen sich auf die chronische Phase des Schlaganfalls, während nur Kim und Kollegen einen Stimulationseffekt bei Patienten in einer subakuten Phase nachweisen konnten. Bemerkenswerterweise hat ein neuerer Bericht festgestellt, dass tDCS in der akuten Phase nicht wirksam zu sein scheint.

Die Aufgaben, die zur Messung der manuellen Geschicklichkeit verwendet werden, einschließlich des Jebsen-Taylor-Tests, des Box- und Block-Tests und des 9HPT, erfordern eine komplexe sensorische Information und sensomotorische Integration für eine genaue Durchführung. Darüber hinaus erfordert die erfolgreiche Durchführung ein komplexes Aktivierungsmuster von Muskeln und Gelenken sowie die Verwendung von Zielen und Werkzeugen; daher sollte die Rolle als Verstärker der motorischen Rehabilitation eher für die anodale Stimulation der tDCS geeignet sein.

In der Tat scheint auch die kathodische Stimulation der nicht betroffenen Hemisphäre bei der Verbesserung der motorischen Funktion wirksam zu sein, aber die Berichte stimmen nicht immer überein. Im Gegenteil, unsere Ergebnisse zeigten, dass die kathodische tDCS einen geringen Effekt in Bezug auf die Kraft zu haben schien, anders als bei anderen Setups.

In unserer Studie schien die bipolare Stimulation am wenigsten effektiv zu sein. In einer früheren Studie wurde berichtet, dass die gleichzeitige Anwendung von anodaler tDCS über den motorischen Kortex und kathodaler tDCS über den kontralateralen motorischen Kortex zu einer Erhöhung der kortikalen Erregbarkeit führte. Unsere Studie unterstützt diese Ergebnisse in Bezug auf die Geschicklichkeit, was auf eine globale Wirkung von Behandlungen auf der Grundlage von elektrischer Stimulation im Vergleich zu Scheinbedingungen hindeutet, auch für die bipolare Montage von Elektroden.

Schließlich wurde die Gesamtzufriedenheit der Patienten während einer kurzen Protokollbehandlung aufrechterhalten, was die Möglichkeit der Verwendung dieses Geräts bestätigt.

Die wichtigste Einschränkung unserer Studie war die geringe Stichprobengröße. Obwohl die Anzahl der Probanden, die an dieser Studie teilnahmen, im Einklang mit anderen Studien über tDCS stand, ist bei der Interpretation der Daten Vorsicht geboten. Andererseits waren die in unserer Studie gefundenen signifikanten Effekte (für die Interaktion Prä- versus Post-TDCS versus Sham für den 9HPT-Index und für die Interaktion Prä- versus Post-TDCS versus Sham-ABC für die Kneifkraft), die mit einer kleinen Stichprobe erzielt wurden, aus statistischer Sicht potenziell größer als entsprechende Ergebnisse, die mit größeren Stichproben erzielt wurden, was die Bedeutung unserer Ergebnisse unterstreicht. In jedem Fall sind weitere Forschungen an größeren Stichproben erforderlich. Darüber hinaus wies die Gruppe mit anodaler Stimulation eine allgemein geringere manuelle Geschicklichkeit (aber keine Kraft) auf, was die Interpretation unserer Ergebnisse einschränken könnte. Weitere Untersuchungen an größeren Stichproben sind daher erforderlich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Studie einen Beitrag zu den Erkenntnissen leistet, die die Rolle der tDCS im rehabilitativen Schlaganfallverlauf stärken, insbesondere für die komplexeren Aktivitäten des täglichen Lebens als Zusatztechnik. Es sind weitere Studien erforderlich, um bessere Montagesysteme zu definieren, die auf spezifischere Ergebnismessungen abzielen.