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) är en icke-invasiv teknik som håller på att växa fram som en framtida behandling av olika neurologiska sjukdomar. Tidigare studier har visat att anodal och katodal stimulering kan förbättra den motoriska prestandan när det gäller fingerfärdighet och manuell kraft. Syftet med den här studien var att fastställa om olika elektroduppsättningar (anodal, katodal och samtidig bilateral tDCS) ger olika motorisk prestanda och vilken montering som var effektivast. Som sekundärt resultat har vi frågat patienterna om deras tillfredsställelse och för att avgöra om bilateral tDCS var mer obekvämt än unilateral tDCS. Nio patienter med stroke i subakut fas deltog i denna studie och delades slumpmässigt in i tre grupper. Våra resultat visade att tDCS var en effektiv behandling om man jämförde med Sham-stimulering (). I synnerhet gav anodal stimulering den högre förbättringen när det gäller manuell fingerfärdighet. Katodal stimulering verkade ha en liten effekt när det gäller förbättring av kraften, vilket inte observerades med andra uppställningar. Bipolär stimulering verkade vara den minst effektiva. Inga signifikanta skillnader har noterats för de olika uppställningarna när det gäller patienternas bedömning. Dessa resultat belyser den potentiella effekten av tDCS för patienter med stroke i subakut fas.

1. Introduktion

Personer med stroke resulterar i flera neurologiska funktionsnedsättningar och drabbar cirka 1 miljon personer i Europa. Därför är strokeeffekter den främsta orsaken till långtidsinvaliditet i industrialiserade samhällen . Rehabiliteringens resultat slutar ofta med ofullständig motorisk återhämtning och över 60 % av patienterna kan inte använda sina paretiska händer i funktionella aktiviteter. Dessutom anses förekomsten av allvarlig pares efter fyra veckor vara en negativ prediktiv faktor för den motoriska återhämtningen, vilket tyder på att dessa patienter kommer att få allvarliga svårigheter i det dagliga livet i framtiden.

För att underlätta återhämtningen av funktionen i de övre extremiteterna föreslås fortfarande många olika rehabiliterande behandlingar. Bland dem riktar forskarna sin uppmärksamhet mot icke-invasiv hjärnstimulering (NIBS), över hela världen. Verktyg för NIBS är repetitiv transkraniell magnetstimulering (rTMS) och transkraniell direktströmsstimulering (tDCS).

Användningen av tDCS ökar hos patienter med stroke på grund av dess modulerande effekter på kognitiva och motoriska funktioner . Särskilt för det motoriska området har det visat sig att det kortikala målet för tDCS-tillämpningen förbättrar utförandet och färdigheterna, vilket skapar intresse för att förbättra rehabiliteringen av strokeförloppet. TDCS är dessutom billigare än rTMS, mer mobilt och därmed bekvämare än rTMS, vilket gör det lättare att använda det i kliniska miljöer.

Denna teknik applicerar elektrisk ström direkt på hårbotten och modulerar membranpotentialen beroende på vilken typ av elektrod som används. Anoden kan underlätta depolariseringen av neuronerna, medan katoden tvärtom hyperpolariserar den vilande membranpotentialen, vilket minskar neuronernas utlösning . Det har visat sig att tillämpningen inom det motoriska området för personer med stroke är effektiv när det gäller att förbättra utförandet av funktionella uppgifter och muskelkraft .

Till samma tid har en nyligen genomförd metaanalys betonat att små urvalsstorlekar, olika upplägg och en stor effektstorlek i studier om motorisk återhämtning hos patienter med stroke kan minska den kliniska betydelsen av dessa preliminära bevis.

Syftet med den här studien var att utvärdera effekterna på manuell fingerfärdighet och kläm- och greppkraft av en enskild tDCS-stimulering, jämfört med Sham-stimulering, och om denna förbättring skiljde sig åt mellan de tre möjliga elektrodmontagen (anodal, katodal eller bipolär). Det sekundära resultatet var att utvärdera patienternas tillfredsställelse med att använda denna avancerade rehabiliteringsteknik.

2. Material och metoder

Detta är en enkelblind, crossover, sham-kontrollerad studie. Patienterna togs in för en slutenvårdsrehabilitering med diagnosen stroke på vårt sjukhus. Inklusionskriterierna för att delta i studien var följande: första stroke, kortikal eller kortikal-subkortikal skada, bekräftad genom diagnostisk avbildning (datortomografi eller magnetröntgen), mild till måttlig hemipares med minimal handrörelse (bevisad genom möjlighet att utföra grepp- eller klämtest). Följande uteslutningskriterier beaktades: förekomst av en historia av kroniska handikappande patologier i övre extremiteten; spasticitet; förekomst av pacemaker eller allvarliga kardiovaskulära tillstånd; en historia av tumör, tidigare neurokirurgiska ingrepp i hjärnan eller allvarliga kardiovaskulära tillstånd, inklusive förekomst av pacemaker; diagnos av epilepsi eller allvarliga psykiatriska störningar. Demografiska och kliniska egenskaper hos de nio patienter som genomgått det experimentella förfarandet sammanfattas i tabell 1.

Protokollet godkändes av den lokala oberoende etikkommittén och alla deltagare gav skriftligt informerat samtycke.

2.1. Transkraniell direktströmsstimulering

Stimulering gavs i 15 minuter, både i verkligt och skenbart tillstånd, under två på varandra följande dagar, randomiserat för skenbart/tDCS och anodal/bipolär/katodal stimulering. I båda sessionerna föregicks stimuleringen av 60 sekunder där strömmen gradvis ökades tills intensiteten var 1,5 mA, vilket framkallade övergående förnimmelser som försvann på några sekunder, i enlighet med tidigare rapporter . Stimulatorn (Eldith DC Stimulator, NeuroConn, Tyskland) gav likström med hjälp av två gel-svampelektroder med en yta på 35 cm2 ( cm för varje elektrod) inbäddade i en saltlösning.

Positioneringen av den aktiva elektroden varierade enligt randomiserade olika montage: för anodal stimulering placerades den aktiva elektroden på projektionen av handknoppsområdet i den primära motoriska cortexen i den drabbade hemisfären; för katodal stimulering placerades elektroden på den opåverkade hemisfären i ett analogt läge till den anodala stimuleringen. För dessa elektroder placerades referenselektroden på huden över den kontralaterala supraorbitala regionen. Vid bilateral montering placerades katod och anod som aktiva elektroder på samma sätt som beskrivs ovan. I samband med elektrisk stimulering anger anod den relativa positiva terminalen där strömmen strömmar in i kroppen, medan katod anger den relativa negativa terminalen där strömmen går ut från kroppen .

2.2. Testprotokoll

Patienterna ombads att utföra 9-håls peg-testet (9HPT) före- och efter tDCS eller Sham. Detta test består av en fyrkantig tavla med 3 rader med 3 hål. Deltagarna ombads att fylla de 9 hålen med pinnar så snabbt som möjligt. Forskarna registrerade den tid som gick åt för att utföra uppgiften med ett stoppur som började när försökspersonen rörde vid den första pinnen och stoppade det när försökspersonen fyllde det sista hålet eller när tiden var längre än 50 s, vilket tidigare undersökningar rapporterade .

Hastigheten i utförandet beräknades i termer av fyllda hål per sekund (antal fyllda hål/tid). 9HPT-index, som ett index för manuell fingerfärdighet, erhölls. För att utföra en normalisering av data mellan försökspersoner beräknades 9HPT-indexet på följande sätt: 9HPT-index = hastighet LS/hastighet HS 100. Den procentuella förbättringen av 9HPT-index mellan före och efter behandlingen beräknades som (9HPT-indexpost – 9HPT-indexpre)/9HPT-indexpre 100.

Som andra resultatmått mättes för varje deltagare den maximala klämkraften och den maximala greppkraften med hjälp av särskilda dynamometrar. Båda händerna utvärderades med patienterna sittande, armbågen i 90° flexion och en neutral position av handleden. Greppkraften bestämdes enligt Jamar-metoden, med armen så utsträckt som möjligt och styret fixerat på 5 cm, vilket är det lämpligaste avståndet för att utveckla den maximala kraften . De maximala krafter som registrerades mellan två försök analyserades. Varje deltagare utförde dessa tester före och efter TDCS eller Sham.

Slutligt ställdes fyra frågor om tillfredsställelsen med verktyget ur patienternas perspektiv. Inspirerade av QUEST-frågeformuläret (Quebec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology) handlade frågorna om redskapets dimension och användbarhet, tillämpningsmodalitet och bekvämlighet vid användningen. Svaren graderades på en skala av Likert-typ, den mest använda metoden för att skala svaren i enkätundersökningar, från ”inte alls nöjd” till ”mycket nöjd”.

2.3. Statistisk analys

Alla mätningar rapporteras i form av medelvärde ± standardavvikelse. En variansanalys med upprepad mätning utfördes på 9HPT-index med användning som inom-subjektfaktorer före kontra efter behandling och tDCS kontra Sham, medan man som mellan-subjektfaktor använde typ av uppställning (A, B eller C). Post hoc-analyser hade utförts med hjälp av Tukey-korrigering för inflations- eller typ I-fel för multipla jämförelser. På samma sätt utfördes samma analyser på de kläm- och greppkrafter som registrerades för den drabbade extremiteten hos försökspersonerna. För att verifiera variansanalysens tillämplighet utförde vi tidigare Levenes test av likhet mellan felvarianser för att verifiera homogeniteten hos data för de tre registrerade variablerna (9HPT-index, kläm- och greppkrafter) för båda stimuleringarna (tDCS jämfört med Sham), före och efter stimulering. SPSS 17.0 användes och signifikant tröskelvärde sattes till 0,05.

3. Resultat

Tabell 2 redovisar experimentella data för alla nio utvalda patienter.

För att tillämpa variansanalys verifierades datahomogeniteten med Levene’s test för jämlikhet av felvarianser, för de tre registrerade variablerna (9HPT-index, kläm- och greppkrafter) för båda stimuleringarna (tDCS kontra Sham), före och efter stimulering. Elva av 12 dataset resulterade i homogenitet (), med en signifikant minskning av homogeniteten observerad bara för grepp efter sham-stimulering (). Enligt dessa resultat tillämpade vi variansanalys med upprepad mätning.

Förbättringarna som registrerades efter tDCS-behandling var signifikant högre med avseende på de förändringar som observerades efter Sham-behandling, vilket framgår av figur 1 och tabell 3 ( av interaktion Pre versus Post tDCS versus Sham). Trots den höga variabiliteten i data visade anodal och katodal de högre förbättringarna, men skillnaderna mellan uppställningarna var signifikanta endast som huvudfaktor (), men inte för interaktionen Pre versus Post tDCS versus Sham ABC (). Post hoc-analyser visade att A-gruppen hade ett lägre 9HPT-index redan före behandlingen (, variansanalys, faktor grupp).

Figur 1

Percentuell förbättring av den manuella fingerfärdigheten, mätt som 9HPT-index, för den riktiga och den skenbara stimuleringen i de tre olika elektrodernas montagen. Förkortningar för stimulering: A: anodal; B: bilateral; C: katodal.

Inom manuell kraft påverkade interaktionen mellan faktorerna (Pre versus Post tDCS versus Sham ABC) signifikant klämkraften i den drabbade extremiteten (, ). Huvudfaktorn ABC påverkade inte nämnvärt klämkraften (, ). Vi fann en signifikant förbättring på + efter katodisk stimulering, en minskning av kraften på – efter bipolär stimulering och inga förändringar (0 % i genomsnitt) efter anodisk stimulering eller Sham-simulering. Greppkrafterna förändrades inte, med bara en liten men inte signifikant effekt av tDCS kontra Sham ABC-interaktion (, ), återigen med högre förbättring efter katodal stimulering.

Finalt, när det gäller användarutvärderingen, var den övergripande tillfredsställelsen med apparaten mycket god. Resultaten av den korta enkäten redovisades i tabell 4.

Patient (nummer-initial av efternamn) 1-A. 2-R. 3-A. 4-S. 5-B. 6-D.M. 7-O. 8-R. 9-V. Mean & S.D. Dimension 5 5 4 4 3 5 5 5 4 3 Utility 4 5 4 4 4 5 5 4 3 Användning 4 5 3 4 3 3 5 3 3 3 Komfort 4 5 3 3 3 4 5 3 3

1: inte alls nöjd, 2: inte särskilt nöjd, 3: mer eller mindre nöjd, 4: ganska nöjd och 5: mycket nöjd. Förkortningar i tabellen ovan: S.D.: standardavvikelse.

Tabell 4

4-punkts nöjdhet hos användaren och den femgradig skala som används för att värdera varje punkt.

Ingen statistiskt signifikant förändring hittades mellan anodala, bilaterala och katodala montagningar när det gäller patienternas bedömning bedömd med hjälp av skalan för användartillfredsställelse när det gäller dimension (, Kruskal-Wallis-analys), upplevd användbarhet (), upplevd enkelhet att använda () och bekvämlighet under behandlingen () (figur 2). Enbart en lite överraskande trend observerades som visade att bipolär montering uppfattades som mindre invasiv, trots närvaron av två elektroder på huvudet och att den var bekvämare.

Figur 2

4-frågor om användarnas tillfredsställelse, baserade på en Likert-poängskala, för de tre elektrodernas uppställningar (A: anodisk, B: bilateral, C: katodisk montage). Box (tunna linjer: första och tredje kvartilen, bred linje: medianen) och whiskers (minimi- och maximivärden) för patienternas bedömningar av dimension, användbarhet, användarvänlighet och komfort.

4. Diskussion

Syftet med den här studien var att fastställa effekterna av en enda transkraniell likströmsstimulering (riktig kontra sham) på fingerfärdighet och manuell kraft hos patienter med stroke, genom att utföra stimuleringen genom tre olika elektroduppsättningar och fastställa om montaget uppfattades av patienterna som tillfredsställande. Våra resultat tyder på att tDCS-behandling var effektivare än Sham-behandling på manuell fingerfärdighet, medan inga signifikanta skillnader registrerades när det gäller manuell kraft, även om en liten förbättring noterades efter den katodala stimuleringen. Dessutom klagade patienterna inte över några svårigheter att utföra behandlingen.

Nyligen har många studier fokuserat på anordningar för att underlätta den motoriska återhämtningen. TDCS framstår som en av de mest intressanta anordningarna att tillämpa vid rehabilitering av stroke, både för kognitiva och motoriska funktionsnedsättningar. Behandlingar med tDCS kan ges i upp till 30 minuter, i likhet med tidpunkten för rehabiliteringssessionen, före eller i synkronisering med den, vilket förbättrar rehabiliteringsresultaten . Jämfört med andra former av NIBS är tDCS dessutom bekvämare, mer mobilt och billigare, och inga större biverkningar har rapporterats. Vanliga biverkningar är mild huvudvärk, klåda och erytem vid elektrodplatsen .

Trots dessa fördelar motverkas användningen av denna teknik i rehabilitering på grund av ännu alltför preliminära bevis. I själva verket varierar studierna kraftigt när det gäller fas av stroke, funktionsnedsättningar, inriktning av resultaten, stimuleringsuppställningar och rehabiliteringsintegrering. I en nyligen genomförd metaanalys drog Bastani och Jaberzadeh därför slutsatsen att tDCS (i det fallet som anodal stimulering) verkar ge betydande effekter hos personer med stroke, men alla slutsatser bör betraktas med försiktighet . Samtidigt noterade de också dess potentiella roll som tilläggsteknik för att förbättra motorisk funktion och kortikomotorisk excitabilitet.

I vår studie har vi fokuserat vår uppmärksamhet på olika elektrodmontage, med ett ökande intresse för typen av stimulering. Våra resultat visar att anodal stimulering gav den högre förbättringen när det gäller manuell fingerfärdighet. Dessa resultat överensstämmer med tidigare rapporter . I sådana fall kan effekterna bestå upp till två veckor efter behandlingen . De flesta av dessa studier gäller en kronisk fas av stroke, medan endast Kim och medarbetare har visat en stimuleringseffekt på patienter i en subakut fas. Det är värt att notera att man i en färsk rapport har konstaterat att tDCS inte verkar vara effektivt i den akuta fasen .

De uppgifter som används för att mäta den manuella fingerfärdigheten, inklusive Jebsen-Taylor-testet, Box and Block-testet och 9HPT-testet, kräver komplex sensorisk information och sensomotorisk integration för att kunna utföras korrekt. För att lyckas krävs dessutom ett komplext mönster av aktivering av muskler och leder samt användning av mål och verktyg ; därför bör rollen som förstärkare av motorisk rehabilitering vara mer lämplig för anodal stimulering av tDCS.

Faktiskt tycks även stimulering med katod i den opåverkade hemisfären vara effektiv när det gäller förbättring av den motoriska funktionen, men rapporterna är inte alltid samstämmiga . Tvärtom visade våra resultat att katodal tDCS verkade ha en liten effekt när det gäller kraft, annorlunda än andra uppställningar.

I vår studie verkade bipolär stimulering vara den mindre effektiva. I en tidigare studie rapporterades det att samtidig applicering av anodal tDCS över motorcortex och katodal tDCS över den kontralaterala motorcortex inducerade en ökning av den kortikala excitabiliteten . Vår studie stöder dessa resultat när det gäller fingerfärdighet, vilket tyder på en global effekt av behandlingar baserade på elektrisk stimulering respekt än skenförhållanden, även för den bipolära monteringen av elektroder.

För det sista bibehölls patientens övergripande tillfredsställelse under en kort protokollbehandling, vilket bekräftar lättheten att använda denna anordning .

Den största begränsningen i vår studie var den reducerade urvalsstorleken. Även om antalet försökspersoner som ingick i denna studie var i linje med andra studier om tDCS , föreslår det försiktighet vid tolkning av data. Å andra sidan, ur en statistisk synvinkel, var de signifikanta effekter som hittades i vår studie ( för interaktion Pre versus Post tDCS versus Sham för 9HPT-index och för interaktion Pre versus Post tDCS versus Sham ABC för klämkraft) som erhölls på ett litet urval potentiellt större än motsvarande resultat som erhölls med större urval, vilket stödjer betydelsen av våra resultat. Hur som helst behövs ytterligare undersökningar på större urval. Dessutom hade gruppen med anodal stimulering en generellt lägre manuell skicklighet (men inte kraft), vilket kan begränsa tolkningen av våra resultat. Ytterligare forskning på större urval behövs därför.

Slutsatsen är att denna studie bidrar till den panel av bevis som stärker tDCS:s roll inom det rehabiliterande strokeförloppet, i synnerhet för de mer komplexa aktiviteterna i det dagliga livet som tilläggsteknik. Fler studier behövs för att definiera bättre monteringsupplägg, med inriktning på mer specifika resultatmått.