The ABC of tDCS: Effects of Anodal, Bilateral and Cathodal Montages of Transcranial Direct Current Stimulation in Patients with Stroke-A Pilot Study
Abstract
Transcranial Direct Current stimulation (tDCS) は非侵襲的技術で，異なる神経疾患に対する見込み治療として浮上してきたものである． これまでの研究では、アノダルとカソダルの刺激により、器用さや手先の力といった運動能力が向上することが示されている。 本研究の目的は、異なる電極のセットアップ（アノーダル、カソーダル、両側同時tDCS）により、異なる運動パフォーマンスが得られるかどうか、どのモンタージュがより効果的であるかを調べることである。 また、副次的な結果として、患者の満足度について尋ね、両側tDCSが片側tDCSよりも不快であったかどうかを検討した。 本研究では，亜急性期の脳卒中患者9名を登録し，無作為に3群に分けた． その結果，Sham刺激（）と比較した場合，tDCSは有効な治療法であることが示された． 特に，手先の器用さについては，anodal刺激でより高い改善効果が得られた． カソード刺激は、他のセットアップでは観察されなかった力の改善という点で少し効果があるようであった。 バイポーラ刺激は効果が低いようであった。 患者の判断については、異なるセットアップで有意な差は認められなかった。 以上の結果より，亜急性期の脳卒中患者に対するtDCSの有効性が示唆された
1. はじめに
脳卒中はいくつかの神経学的障害をもたらし，ヨーロッパでは約100万人の被験者が影響を受けている。 そのため、脳卒中の影響は、先進国社会における長期障害の主要な原因となっている。 リハビリテーションの結果，運動機能の回復は不完全であることが多く，60％以上の患者が麻痺した手を機能的な活動に使用することができない。 さらに、4週間後の重度の麻痺の存在は、運動機能の回復を予測するのに否定的な因子と考えられており、これらの患者は将来的に日常生活動作に大きな困難を抱えることになる。 その中でも、非侵襲的脳刺激療法（NIBS）は世界的に注目されている。 非侵襲的脳刺激療法には、反復経頭蓋磁気刺激（rTMS）や経頭蓋直流刺激（tDCS）などがあり、特に経頭蓋直流刺激（tDCS）は、脳梗塞や心筋梗塞、脳出血、脳卒中などの予防や治療法として注目されています。
認知機能や運動機能に対する調節効果から、脳卒中患者におけるtDCSの使用は増加している。 特に運動領域では、tDCSの適用対象となる皮質が実行力と技能を高めることが示されており、脳卒中のリハビリテーションの経過を改善するために関心を呼んでいます。 さらに、rTMSよりも安価で、移動可能であるため、臨床現場での使用も容易です。
この技術は、頭皮に直接電流を流し、電極の種類によって膜電位を調節するものです。 陽極は神経細胞の脱分極を促進し、陰極は逆に静止膜電位を過分極させ、神経細胞の発火を抑制することができる。 脳卒中患者の運動領域への応用により、機能的なタスクの実行と筋力の強化に有効であることが示されている。
同時に、最近のメタアナリシスでは、脳卒中患者の運動回復に関する研究におけるサンプルサイズが小さいこと、異なるセットアップ、大きな効果サイズが、この予備的証拠の臨床的意味を低下させる可能性があることが強調された。
本研究の目的は、手先の器用さ、つまむ力、握る力に対するtDCS単刺激の効果をSham刺激と比較し、この改善が3種類の電極モンタージュ（陽極、陰極、双極）で異なるかどうかを評価することであった。 副次的アウトカムは、この高度なリハビリテーション技術の使用における患者の満足度を評価することであった。
2.材料と方法
本研究は、単盲検クロスオーバー、偽対照試験である。 対象は当院に脳卒中と診断され、入院リハビリテーションを受けた患者である。 初発脳梗塞，画像診断（CTまたはMRI）で確認された皮質または皮質-皮質下病変，軽度から中等度の片麻痺があり，最低限の手の動きがある（握ったりつまんだりできることで証明）患者を本研究への参加基準として選択した。 除外基準として、上肢の慢性障害病歴、痙性、ペースメーカーまたは重度の心血管疾患の存在、腫瘍、脳神経外科手術の既往、ペースメーカーの存在を含む重度の心血管疾患、てんかんまたは主要な精神疾患の診断があることを考慮した。 実験的処置を受けた9名の患者の人口統計学的および臨床的特徴を表1にまとめている。
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| Demographic characteristics and clinical featuresの平均±標準偏差を報告する。 上表の略語。 M：男性，F：女性，R：右，L：左，H：出血性脳卒中，I：虚血性脳卒中，A：アノーダル，B：バイポーラ，C：カソーダル，T：tDCS刺激，S：偽刺激，S.D. ：標準偏差。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
プロトコルは地元の独立した倫理委員会によって承認され、すべての参加者は書面によるインフォームドコンセントを行った
2.1. 経頭蓋直流刺激
刺激は、実刺激と偽刺激の両方で、偽/tDCSと陽極/双極/陰極の刺激にランダムに、連続2日間、15分間行われた。 両セッションとも、刺激前に60秒間、電流を1.5mAまで徐々に増加させ、一過性の感覚を誘発したが、数秒後には消失した。 刺激装置(Eldith DC Stimulator, NeuroConn, Germany)は，生理食塩水に浸した表面積35cm2のゲルスポンジ電極を2つ用いて直流電流を供給した。
活性電極の位置は、ランダム化された異なるモンタージュによって変化した。アノーダル刺激では、活性電極は患側半球の一次運動野の手のひら部分の突起に置かれ、カソード刺激では、電極はアノーダル刺激のアナログ位置にある非患側半球に置かれた。 これらの電極のセットアップでは、参照電極は対側眼窩上部の皮膚上に配置された。 両側モンタージュでは、陰極と陽極を活性電極として上記と同様の方法で配置した。 電気刺激において、陽極は電流が体内に流入する相対的な正極の端子、陰極は電流が体外に流出する相対的な負極の端子を意味する。 テストプロトコル
患者には、9穴ペグテスト(9HPT)をTDCSまたはShamの前後で行ってもらうことにした。 このテストは、3列の3つの穴のある四角い板で構成されている。 参加者は、9つの穴をできるだけ速くペグで埋めるよう求められた。 研究者は、被験者が最初のペグに触れたときに開始し、最後の穴を埋めたとき、または時間が50秒より長くなったときにストップウォッチでタスクを実行するために費やされた時間を記録した。
実行速度は、1秒間に埋められた穴の数（埋められた穴の数/時間）で計算されました。 手先の器用さの指標である9HPT-indexを求めた。 被験者間のデータの正規化を行うために、9HPT-indexは以下のように計算された。 9HPT-index=速度LS/速度HS 100. 9HPT-indexの治療前と治療後の改善率は、（9HPT-indexpost – 9HPT-indexpre）/9HPT-indexpre 100として計算された。
その他のアウトカム指標として、各受験者について、最大つまむ力と最大つかむ力を特定のダイナモメーターで測定した。 両手は座った状態で、肘を90°屈曲させ、手首はニュートラルな位置で評価した。 握力はJamar法に従い，腕をできるだけ伸ばし，ハンドルは最大握力を発揮するのに最適な距離である5cmに固定して測定した． 2 回の試行で記録された最大握力を分析した． 各受験者は、tDCSまたはShamの前後にこれらのテストを行った。
最後に、患者の視点からツールに対する満足度について4つの質問を行った。 QUEST（Québec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology）アンケートにヒントを得て、機器の機能性や実用性、適用方法、使用時の快適さに関する項目が挙げられた。 回答は、調査研究で最も広く用いられているリッカート尺度で、「全く満足していない」から「非常に満足している」までで評価した。 統計分析
すべての測定値は、平均値±標準偏差で報告されている。 9HPT-indexについて、治療前と治療後、tDCSとShamを被験者内因子とし、設定の種類（A、B、C）を被験者間因子として反復測定分散分析を実施した。 多重比較のインフレーションまたはタイプIエラーに対してTukey補正を行い、ポストホック分析を行った。 同様に、被験者の患肢で記録されたピンチ力と把持力についても同様の分析を行った。 分散分析の適用性を検証するために、我々は事前に、刺激（tDCS対Sham）の両方について、刺激前と刺激後の3つの記録変数（9HPT-index、ピンチ力と把持力）のデータの均質性を検証するための誤差分散の等質性のLeveneのテストを実施した。 SPSS 17.0を使用し、有意水準は0.05に設定した。 結果
表2は、選択した9人の患者すべての実験データを報告している。
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分散分析を適用する前に、データの均質性は、両方の刺激（tDCS対Sham）、刺激前と刺激後の3つの記録変数（9HPT指数、ピンチと把握力）の誤差分散の等質性のLeveneの検定で検証されました。 その結果、12データセット中11データセットが均質であり（）、Sham刺激後の把持力のみ均質性が有意に減少した（）。 図1および表3（tDCS対Shamの交互作用）に示すように、tDCS処理後に記録された改善は、Sham処理後に観察された変化に対して有意に高かった。 データのばらつきが大きいにもかかわらず、アノーダル、カソダルはより高い改善を示したが、セットアップ間の差は主因子（）でのみ有意であり、相互作用Pre vs Post tDCS vs Sham ABC（）においては有意ではなかった。 ポストホック分析では、A群は治療前からすでに9HPT-indexが低かった（、分散分析、因子群）。
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3種類の電極モンタージュにおける実刺激と偽刺激の、9HPT指数として測定した手先の巧緻性の改善度合い。 刺激の略語。 A：アノーダル、B：バイラテラル、C：カソーダル。
手先の力に関しては、因子間の相互作用（tDCS前対後対偽ABC）が患肢のつまみ力に有意に影響した（、）。 主因子ABCは摘出力に有意な影響を与えなかった(, )。 カソード刺激では＋、バイポーラ刺激では-の有意な改善、アノード刺激やShamシミュレーションでは変化なし（平均0％）であることが確認された。 把持力は変化せず、tDCS対Sham ABCの交互作用（、）がわずかだが有意に影響し、やはりカソード刺激後の方が改善度が高いことがわかった。
最後に、ユーザー評価については、装置に対する全体的な満足度は非常に良好であった。 簡単なアンケートの結果は表4に報告した。
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| 1: 全く満足していない、2：あまり満足していない、3：多少は満足している、4：かなり満足している、5：非常に満足している。 上表の略語。 S.D.：標準偏差 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ユーザー満足度尺度で評価した患者の判断は、次元（、クラスカル・ウォリス分析）、実用性（）、使いやすさ（）、治療中の快適さ（）の各項目において、陽極、両側、陰極のモンタージュで統計的に有意差は認められなかった（図2）。 ただ、少し意外な傾向として、バイポーラモンタージュは、頭部に2つの電極があり、より快適であるにもかかわらず、侵襲性が低いと認識されていることが示された。
3つの電極（A：陽極、B：両極、C：陰極）の設定に対する、リッカート尺度による4項目のユーザー満足度質問。 寸法、実用性、使いやすさ、快適性に関する患者の判断を箱型（細線：第1、第3四分位値、太線：中央値）、ひげ（最小値、最大値）でプロットしたもの
4. 考察
本研究の目的は、脳卒中患者の器用さと手先の力に対する1回の経頭蓋直流刺激（実刺激と偽刺激）の効果を、3種類の電極の設定により刺激を行い、そのモンタージュが患者に満足に認識されているかどうかを判断することであった。 その結果、手先の器用さについては、tDCS治療がSham治療よりも有効であることが示唆されたが、手先の力については、陰極刺激後に若干の改善を認めたものの、有意差は記録されなかった。 さらに、治療を行う上での困難さを訴える患者もいなかった。
近年、運動機能の回復を促進するためのデバイスに関する研究が多く行われている。 その中でもtDCSは、認知障害や運動障害に対する脳卒中リハビリテーションに応用できる興味深い機器として注目されている。 tDCSによる治療は、リハビリのタイミングと同様に、リハビリの前に、あるいはリハビリと同期して、最大30分まで行うことができ、リハビリの成果を高めることができる。 また、他のNIBSと比較して、tDCSはより快適で、より移動しやすく、安価であり、大きな副作用は報告されていません。 一般的な副作用は、軽い頭痛、かゆみ、電極部位の紅斑などです。
これらの利点にもかかわらず、リハビリテーションにおけるこの技術の使用は、まだあまりにも予備的な証拠のために反対されている。 実際，研究は，脳卒中の段階，機能障害，結果のターゲット，刺激の設定，リハビリテーションの統合という点で大きく異なっている。 したがって、BastaniとJaberzadehは、最近のメタアナリシスにおいて、tDCS（この場合、陽極刺激として）は脳卒中の被験者に有意な効果をもたらすと思われるが、いかなる結論も慎重に検討する必要があると結論している。 また、運動機能や皮質運動興奮を改善するためのアドオン技術としての潜在的な役割も指摘した。 その結果、陽極刺激で手先の器用さがより向上することが示された。 これらの知見は、過去の報告と一致している。 このような場合、効果は治療後2週間まで持続することができる。 これらの研究の多くは脳卒中の慢性期に関するものであり、亜急性期の患者に対する刺激効果を示したのはKimらの研究のみである。 また、最近の報告では、急性期にはtDCSは有効でないようである。
ジェブセン-テイラーテスト、ボックス＆ブロックテスト、9HPTなどの手先の器用さを測定するためのタスクは、正確に行うために複雑な感覚情報と感覚運動統合が必要である。 また，運動機能の改善には，筋肉や関節の複雑な活性化パターンと標的や道具の使用が必要であり，運動リハビリテーションのエンハンサーとしてのtDCSの役割は，陽極刺激による方がより適切であると考えられる． また，カソードtDCSは，他のセットアップとは異なり，力の面で効果が少ないと思われた． 以前の研究では、運動野にアノーダルtDCSを、対側運動野にカソーダルtDCSを同時に行うことで、皮質の興奮性が上昇することが報告されている。 本研究では、器用さの観点からこれらの知見を支持し、偽条件よりも電気刺激尊重に基づく治療のグローバルな効果を示唆し、また電極のバイポーラ・モンタージュについても同様であった。 本研究に参加した被験者の数はtDCSに関する他の研究と同様であったが，データの解釈には注意が必要であることを示唆している。 一方、統計学的な観点からは、本研究で見出された有意な効果（9HPT-indexにおけるtDCS前・後対Shamの相互作用、つまむ力におけるtDCS前・後対Sham ABCの相互作用）は、小さなサンプルで得られたため、大きなサンプルで得られた同等の結果よりも大きい可能性があり、我々の結果の重要性を裏付けるものである。 いずれにせよ、より広いサンプルでのさらなる研究が必要である。 さらに、アノーダル刺激群では、一般に手先の器用さが低く、我々の結果の解釈を制限する可能性がある（ただし、力は低い）。 結論として、本研究は、脳卒中のリハビリテーションにおけるtDCSの役割、特に、より複雑な日常生活動作に対するアドオン技術としての役割を強化する証拠パネルに貢献するものである。 より具体的なアウトカム指標をターゲットとした、より良いモンタージュのセットアップを定義するために、さらなる研究が必要である。