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) is a noninvasive technique that is emerging as a prospective therapy for different neurologic disorders. Wcześniejsze badania wykazały, że stymulacja anodalna i katodalna może poprawić sprawność motoryczną w zakresie zręczności i siły manualnej. Celem tego badania było określenie, czy różne ustawienia elektrod (anodalna, katodalna i jednoczesna obustronna tDCS) zapewniają różną wydajność motoryczną i który montaż jest bardziej efektywny. Jako wynik wtórny zapytaliśmy pacjentów o ich zadowolenie oraz o to, czy obustronna tDCS była bardziej niewygodna niż jednostronna tDCS. Dziewięciu pacjentów z udarem w fazie podostrej zostało włączonych do badania i losowo podzielonych na trzy grupy. Nasze wyniki wykazały, że tDCS był skutecznym leczeniem w porównaniu ze stymulacją Sham (). W szczególności, stymulacja anodalna zapewniała większą poprawę w zakresie sprawności manualnej. Stymulacja katodalna wydawała się mieć niewielki wpływ na poprawę siły, czego nie zaobserwowano przy innych ustawieniach. Stymulacja bipolarna wydawała się być mniej efektywna. Nie odnotowano istotnych różnic dla różnych ustawień w ocenie pacjentów. Wyniki te podkreślają potencjalną skuteczność tDCS u pacjentów z udarem mózgu w fazie podostrej.

1. Wprowadzenie

Doświadczenie udaru mózgu skutkuje kilkoma upośledzeniami neurologicznymi, dotykającymi około 1 miliona osób w Europie. W związku z tym skutki udaru są główną przyczyną długotrwałej niepełnosprawności w społeczeństwach uprzemysłowionych. Wyniki rehabilitacji często kończą się niepełnym odzyskiem sprawności ruchowej, a ponad 60% pacjentów nie może używać sparaliżowanych rąk w czynnościach funkcjonalnych. Co więcej, obecność ciężkiego niedowładu po czterech tygodniach jest uważana za negatywny czynnik predykcyjny dla powrotu sprawności ruchowej, wskazując dla tych pacjentów poważne trudności w czynnościach życia codziennego w ich przyszłości.

Aby ułatwić powrót funkcji kończyny górnej, wiele różnych zabiegów rehabilitacyjnych jest nadal proponowanych. Wśród nich badacze koncentrują swoją uwagę na nieinwazyjnej stymulacji mózgu (NIBS), na całym świecie. Narzędziami NIBS są: powtarzalna przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (rTMS) oraz przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS).

Użycie tDCS wzrasta u pacjentów z udarem mózgu ze względu na jej modulujący wpływ na funkcje poznawcze i motoryczne. W szczególności w dziedzinie motorycznej, wykazano, że korowy cel aplikacji tDCS poprawia wykonanie i umiejętności, co może przyczynić się do poprawy przebiegu rehabilitacji po udarze. Ponadto, w porównaniu z rTMS, jest on tańszy, bardziej mobilny, a zatem wygodniejszy, co ułatwia jego zastosowanie w warunkach klinicznych.

Ta technika stosuje prąd elektryczny bezpośrednio na skórę głowy i moduluje potencjał membranowy w zależności od rodzaju zastosowania elektrody. W rzeczywistości, anoda jest w stanie ułatwić depolaryzację neuronów, podczas gdy, przeciwnie, katoda hiperpolaryzuje spoczynkowy potencjał membranowy, zmniejszając wypalanie neuronów. Zastosowanie w dziedzinie motorycznej u osób z udarem mózgu okazało się skuteczne w zwiększaniu wydajności zadań funkcjonalnych i siły mięśniowej.

W tym samym czasie, ostatnia metaanaliza podkreśliła, że mała wielkość próby, różne ustawienia i duża wielkość efektu w badaniach dotyczących odzyskiwania sprawności motorycznej u pacjentów z udarem mogą zmniejszyć znaczenie kliniczne tych wstępnych dowodów.

Celem tego badania była ocena wpływu pojedynczej stymulacji tDCS na sprawność manualną oraz siłę uścisku i chwytania, w porównaniu ze stymulacją Sham, oraz czy poprawa ta była różna w trzech możliwych układach elektrod (anodalnym, katodalnym lub bipolarnym). Wtórnym wynikiem była ocena satysfakcji pacjentów z zastosowania tej zaawansowanej technologii rehabilitacyjnej.

2. Materiał i metody

To było badanie z pojedynczo ślepą próbą, metodą krzyżową, kontrolowane metodą sham. Pacjenci zostali przyjęci na rehabilitację stacjonarną z rozpoznaniem udaru mózgu do naszego szpitala. Kryteria włączenia do badania były następujące: udar mózgu w pierwszej fazie; zmiany korowe lub korowo-podkorowe, potwierdzone w badaniach obrazowych (tomografia komputerowa lub rezonans magnetyczny); łagodny lub umiarkowany niedowład połowiczy z obecnością minimalnych ruchów ręki (potwierdzonych możliwością wykonania testu chwytania lub szczypania). Uwzględniono następujące kryteria wykluczenia z badania: obecność przewlekłej patologii kończyny górnej w wywiadzie; spastyczność; obecność rozrusznika serca lub poważnych schorzeń układu sercowo-naczyniowego; obecność guza, wcześniejszych interwencji neurochirurgicznych w mózgu lub poważnych schorzeń układu sercowo-naczyniowego, w tym obecność rozrusznika serca; rozpoznanie padaczki lub poważnych zaburzeń psychicznych. Charakterystyka demograficzna i kliniczna dziewięciu pacjentów poddanych procedurze eksperymentalnej jest podsumowana w Tabeli 1.

Protokół został zatwierdzony przez lokalną niezależną komisję etyczną, a wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną świadomą zgodę.

2.1. Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym

Stymulację dostarczano przez 15 minut, zarówno w warunkach rzeczywistych, jak i pozorowanych, w dwóch kolejnych dniach, randomizowanych dla stymulacji sham/tDCS i anodowych/bipolarnych/katodowych. W obu sesjach stymulacja była poprzedzona 60 sekundami, podczas których prąd był stopniowo zwiększany do natężenia 1,5 mA, wywołując przejściowe odczucia, które znikały w ciągu kilku sekund, zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami. Stymulator (Eldith DC Stimulator, NeuroConn, Niemcy) dostarczał prąd stały za pomocą dwóch żelowo-gąbczastych elektrod o powierzchni 35 cm2 (cm dla każdej elektrody) osadzonych w roztworze nasączonym solą fizjologiczną.

Umieszczenie elektrody czynnej różniło się w zależności od randomizowanych różnych montaży: dla stymulacji anodowej, elektroda czynna była umieszczona na projekcji obszaru gałki dłoniowej pierwotnej kory ruchowej dotkniętej półkuli; dla stymulacji katodowej, elektroda była umieszczona na półkuli nie dotkniętej w pozycji analogicznej do stymulacji anodowej. W przypadku tych elektrod, elektrodę referencyjną umieszczano na skórze kontralateralnej okolicy nadoczodołowej. W przypadku montażu obustronnego, katoda i anoda były ustawione jako elektrody aktywne w taki sam sposób, jak opisano powyżej. W kontekście stymulacji elektrycznej, anoda wskazuje względny dodatni terminal, gdzie prąd płynie do ciała, podczas gdy katoda wskazuje względny ujemny terminal, gdzie prąd wychodzi z ciała .

2.2. Protokół testu

Pacjenci zostali poproszeni o wykonanie testu 9-otworowego kołka (9HPT) przed i po TDCS lub Sham. Test ten składa się z kwadratowej planszy z 3 rzędami po 3 otwory. Uczestnicy byli proszeni o jak najszybsze wypełnienie 9 otworów kołkami. Badacze rejestrowali czas przeznaczony na wykonanie zadania za pomocą stopera, rozpoczynając od momentu dotknięcia przez badanego pierwszego kołka i zatrzymując go, gdy badany wypełnił ostatni otwór lub gdy czas był dłuższy niż 50 s, jak podawały wcześniejsze badania.

Prędkość wykonania obliczono w kategoriach otworów wypełnionych na sekundę (liczba wypełnionych otworów/czas). Uzyskano wskaźnik 9HPT-index, jako wskaźnik sprawności manualnej. Aby dokonać normalizacji danych pomiędzy badanymi, wskaźnik 9HPT-index obliczono w następujący sposób: 9HPT-index = velocity LS/velocity HS 100. Procentowa poprawa między stanem przed i po leczeniu 9HPT-index została obliczona jako (9HPT-indexpost – 9HPT-indexpre)/9HPT-index 100.

Jako inne miary wyników, dla każdego uczestnika mierzono maksymalną siłę uszczypnięcia i maksymalną siłę chwytu za pomocą specjalnych dynamometrów. Obie ręce były oceniane z pacjentami siedzącymi, łokieć w 90° zgięcia i neutralna pozycja nadgarstka. Siłę chwytu określano zgodnie z metodą Jamara, przy maksymalnie rozciągniętym ramieniu i kierownicy ustawionej w odległości 5 cm, która jest najbardziej odpowiednia do uzyskania maksymalnej siły. Analizie poddano maksymalne siły zarejestrowane pomiędzy dwoma próbami. Każdy uczestnik wykonywał te testy przed i po zastosowaniu DCS lub Sham.

Na koniec zadano cztery pytania dotyczące satysfakcji z narzędzia z perspektywy pacjentów. Inspirowane kwestionariuszem QUEST (Quebec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology) pozycje dotyczyły wymiaru i użyteczności urządzenia, modalności zastosowania, komfortu użytkowania. Odpowiedzi oceniano na skali typu Likerta, najczęściej używanej do skalowania odpowiedzi w badaniach ankietowych, od „wcale nie jestem zadowolony” do „bardzo zadowolony”. Analiza statystyczna

Wszystkie pomiary są raportowane w kategoriach średniej ± odchylenie standardowe. Przeprowadzono wielokrotną analizę wariancji dla indeksu 9HPT, używając jako czynników wewnątrzprzedmiotowych pre versus post treatment i tDCS versus Sham, podczas gdy jako czynnik międzyprzedmiotowy typ konfiguracji (A, B, lub C). Analizy post hoc przeprowadzono z zastosowaniem korekty Tukeya dla błędu inflacji lub błędu typu I dla wielokrotnych porównań. Analogiczne analizy przeprowadzono dla sił uszczypnięcia i chwytu zarejestrowanych dla kończyny porażonej. W celu sprawdzenia możliwości zastosowania analizy wariancji, wykonano wcześniej test Levene’a równości wariancji błędów dla sprawdzenia homogeniczności danych 3 zarejestrowanych zmiennych (9HPT-index, siła uszczypnięcia i siła chwytu) dla obu stymulacji (TDCS versus Sham), przed i po stymulacji. Zastosowano SPSS 17.0, a próg istotności ustalono na 0,05.

3. Wyniki

Tabela 2 przedstawia dane eksperymentalne wszystkich dziewięciu wybranych pacjentów.

Przed zastosowaniem analizy wariancji, homogeniczność danych została zweryfikowana testem równości wariancji błędu Levene’a dla 3 zarejestrowanych zmiennych (9HPT-index, siła uszczypnięcia i siła chwytu) dla obu stymulacji (tDCS versus Sham), przed i po stymulacji. Jedenaście z 12 zestawów danych było jednorodnych (), z istotnym zmniejszeniem jednorodności obserwowanym tylko dla chwytania po stymulacji sham (). Zgodnie z tymi wynikami, zastosowaliśmy wielokrotną analizę wariancji.

Poprawy odnotowane po leczeniu tDCS były znacząco wyższe w odniesieniu do zmian obserwowanych po leczeniu Sham, jak pokazano na Rycinie 1 i w Tabeli 3 ( interakcji Pre versus Post tDCS versus Sham). Pomimo dużej zmienności danych, anodalne i katodalne wykazywały wyższą poprawę, ale różnice między ustawieniami były istotne tylko jako czynnik główny (), ale nie dla interakcji Pre versus Post tDCS versus Sham ABC (). Analizy post hoc ujawniły, że grupa A miała niższy 9HPT-index już przed leczeniem (, analiza wariancji, czynnik grupa).

Faktory i interakcje df Pre versus Post 1 0.475 0.516 Pre versus Post * ABC 2 0.404 0.685 tDCS versus Sham 1 1.457 0.273 tDCS versus Sham * ABC 2 3.167 0.115 Pre versus Post * tDCS versus Sham 1 9.507 0.022 Pre versus Post * tDCS versus Sham * ABC 2 2.030 0.212 ABC 2 11.808 0,008

df: stopnie swobody (df błędu = 6), oraz wartości (pogrubione, jeśli istotne statystycznie).

Tabela 3

Wyniki powtórzonej miary ANOVA.

Rycina 1

Centrum poprawy sprawności manualnej, mierzonej jako indeks 9HPT, dla stymulacji realnej i sham w trzech różnych montażach elektrod. Skróty dla stymulacji: A: anodalna; B: obustronna; C: katodalna.

W zakresie siły manualnej, interakcja pomiędzy czynnikami (Pre versus Post tDCS versus Sham ABC) istotnie wpływała na siłę uszczypnięcia kończyny dotkniętej chorobą (, ). Główny czynnik ABC nie wpłynął istotnie na siłę uszczypnięcia (, ). Stwierdzono istotną poprawę siły + po stymulacji katodowej, redukcję siły – po stymulacji bipolarnej oraz brak zmian (0% w średniej) po stymulacji anodowej lub symulacji Sham. Siły chwytu nie były zmienione, z tylko nieznacznym, ale nie znaczącym efektem interakcji tDCS versus Sham ABC (, ), ponownie z większą poprawą po stymulacji katodowej.

Wreszcie, jeśli chodzi o ocenę użytkowników, ogólne zadowolenie z urządzenia było bardzo dobre. Wyniki krótkiej ankiety przedstawiono w tabeli 4.

. . Pacjent (numer – początek nazwiska) 1-A. 2-R. 3-A. 4-S. 5-B. 6-D.M. 7-O. 8-R. 9-V. Mean & S.D. Wymiar 5 5 4 4 3 5 5 4 3 3 Użyteczność 4 5 4 4 4 5 4 3 Zastosowanie 4 5 3 4 3 3 5 3 3 Komfort 4 5 3 3 3 4 5 3 3

1: w ogóle niezadowolony, 2: niezbyt zadowolony, 3: mniej lub bardziej zadowolony, 4: dość zadowolony i 5: bardzo zadowolony. Skróty w powyższej tabeli: S.D.: odchylenie standardowe.

Tabela 4

4-itemowa ocena satysfakcji użytkownika oraz 5-punktowa skala użyta do oceny każdego elementu.

Nie stwierdzono istotnych statystycznie zmian pomiędzy montażem anodalnym, obustronnym i katodalnym w ocenie pacjentów ocenianej za pomocą skali satysfakcji użytkownika w zakresie wymiaru (, analiza Kruskala-Wallisa), postrzeganej użyteczności (), postrzeganej łatwości użycia () oraz komfortu podczas leczenia () (Rycina 2). Zaobserwowano jedynie nieco zaskakującą tendencję wskazującą, że montaż bipolarny był postrzegany jako mniej inwazyjny, mimo obecności dwóch elektrod na głowie i bardziej komfortowy.

Rycina 2

4-itemowe pytania o satysfakcję użytkownika, oparte na punktacji Likerta, dla trzech układów elektrod (A: montaż anodowy, B: obustronny, C: katodowy). Wykres pudełkowy (cienkie linie: pierwszy i trzeci kwartyl, szeroka linia: mediana) i wiskery (wartości minimalne i maksymalne) dla ocen pacjentów dotyczących wymiaru, użyteczności, łatwości użycia i komfortu.

4. Dyskusja

Celem tego badania było określenie wpływu pojedynczej przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (real versus sham) na zręczność i siłę manualną u pacjentów z udarem mózgu, wykonanie stymulacji poprzez trzy różne ustawienia elektrod i określenie, czy montaż był postrzegany przez pacjentów jako zadowalający. Nasze wyniki sugerują, że terapia tDCS była bardziej efektywna niż terapia Sham w zakresie sprawności manualnej, podczas gdy nie odnotowano istotnych różnic w zakresie siły manualnej, nawet jeśli odnotowano niewielką poprawę po stymulacji katodowej. Co więcej, pacjenci nie skarżyli się na żadne trudności w wykonywaniu zabiegów.

Ostatnio wiele badań koncentrowało się na urządzeniach ułatwiających powrót do sprawności ruchowej. TDCS staje się jednym z najbardziej interesujących urządzeń do zastosowania w rehabilitacji po udarze mózgu, zarówno w przypadku zaburzeń poznawczych, jak i motorycznych. Zabiegi z użyciem tDCS mogą być dostarczane do 30 minut, podobnie jak czas sesji rehabilitacyjnej, przed lub w synchronizacji z nią, co poprawia wyniki rehabilitacji. Ponadto, w porównaniu z innymi formami NIBS, tDCS jest bardziej komfortowy, mobilny i tańszy, a także nie odnotowano żadnych poważnych działań niepożądanych. Powszechne efekty uboczne obejmują łagodny ból głowy, swędzenie i rumień w miejscu elektrody.

Pomimo tych zalet, stosowanie tej techniki w rehabilitacji jest przeciwwskazane ze względu na wciąż zbyt wstępne dowody. W rzeczywistości badania różnią się znacznie pod względem fazy udaru, upośledzenia funkcji, ukierunkowania wyników, ustawień stymulacji i integracji rehabilitacyjnej. W związku z tym w ostatniej metaanalizie Bastani i Jaberzadeh stwierdzili, że tDCS (w tym przypadku jako stymulacja anodowa) wydaje się przynosić znaczące efekty u osób z udarem, ale wszelkie wnioski należy rozważać ostrożnie. Jednocześnie zwrócili uwagę na jej potencjalną rolę jako dodatkowej techniki poprawiającej funkcje motoryczne i pobudliwość korowo-ruchową.

W naszym badaniu skupiliśmy naszą uwagę na różnych montażach elektrod, będąc coraz bardziej zainteresowani rodzajem stymulacji. Nasze wyniki pokazują jak anodalna stymulacja dostarczyła wyższą poprawę w zakresie manualnej zręczności. Wyniki te są zgodne z wcześniejszymi doniesieniami. W takich przypadkach efekty mogą utrzymywać się do 2 tygodni po zabiegu. Większość z tych badań dotyczy przewlekłej fazy udaru, podczas gdy tylko Kim i współpracownicy wykazali efekt stymulacji u pacjentów w fazie podostrej. Warto zauważyć, że w jednym z ostatnich doniesień zaobserwowano, że tDCS nie wydaje się być skuteczny w ostrej fazie.

Zadania wykorzystywane do pomiaru sprawności manualnej, w tym test Jebsena-Taylora, test pudełka i bloku oraz 9HPT, wymagają złożonych informacji sensorycznych i integracji sensoryczno-motorycznej dla dokładnego wykonania. Ponadto, udane wykonanie wymaga złożonego wzoru aktywacji mięśni i stawów, jak również użycia celów i narzędzi; stąd, rola wzmacniacza rehabilitacji ruchowej powinna być bardziej odpowiednia dla anodalnej stymulacji tDCS.

W rzeczywistości, również stymulacja katodą półkuli nie dotkniętej wydaje się być skuteczna w poprawie funkcji motorycznej, ale raporty nie zawsze są zgodne. Przeciwnie, nasze wyniki pokazały , że cathodal tDCS wydawał się być mały efekt w kategoriach siły, różnie przez inne setups.

W naszym badaniu, bipolarna stymulacja wydawała się być mniej skuteczna. W poprzednim badaniu odnotowano, że jednoczesne zastosowanie anodalnej tDCS nad korą ruchową i katodalnej tDCS nad kontralateralną korą ruchową wywołało wzrost pobudliwości korowej. Nasze badanie wspiera te ustalenia w zakresie zręczności, sugerując globalny efekt zabiegów opartych na stymulacji elektrycznej w stosunku do warunków sham, również w przypadku bipolarnego montażu elektrod.

Wreszcie, ogólna satysfakcja pacjenta została utrzymana podczas krótkiego leczenia protokolarnego, potwierdzając udogodnienie w korzystaniu z tego urządzenia .

Głównym ograniczeniem naszego badania była zmniejszona wielkość próby. Chociaż liczba uczestników tego badania była zgodna z innymi badaniami nad tDCS, sugeruje to ostrożność w interpretacji danych. Z drugiej strony, ze statystycznego punktu widzenia, znaczące efekty znalezione w naszym badaniu (dla interakcji Pre versus Post tDCS versus Sham dla 9HPT-index oraz dla interakcji Pre versus Post tDCS versus Sham ABC dla siły uszczypnięcia) uzyskane na małej próbie były potencjalnie większe niż równoważne wyniki uzyskane na większych próbach, wspierając znaczenie naszych wyników. Tak czy inaczej, potrzebne są dalsze badania na szerszych próbach. Ponadto, grupa stymulacji anodowej miała ogólnie niższą sprawność manualną (ale nie siłę), co może ograniczać interpretację naszych wyników. W związku z tym potrzebne są dalsze badania na większych próbach.

W podsumowaniu, obecne badanie przyczynia się do panelu dowodów, które wzmacniają rolę tDCS w przebiegu rehabilitacji udaru, w szczególności dla bardziej złożonych czynności życia codziennego jako techniki dodatkowej. Potrzebne są dalsze badania w celu zdefiniowania lepszych ustawień montażu, ukierunkowane na bardziej specyficzne miary wyników.

.