The ABC of tDCS: Effects of Anodal, Bilateral and Cathodal Montages of Transcranial Direct Current Stimulation in Patients with Stroke-A Pilot Study

Abstract

Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem (tDCS) je neinvazivní technika, která se stává perspektivní terapií různých neurologických poruch. Předchozí studie prokázaly, že anodální a katodální stimulace může zlepšit motorickou výkonnost ve smyslu obratnosti a manuální síly. Cílem této studie bylo zjistit, zda různá nastavení elektrod (anodální, katodální a simultánní bilaterální tDCS) poskytují různou motorickou výkonnost a která montáž je účinnější. Jako sekundární výsledek jsme se ptali pacientů na jejich spokojenost a na to, zda byla bilaterální tDCS nepříjemnější než unilaterální tDCS. Do této studie bylo zařazeno devět pacientů s cévní mozkovou příhodou v subakutní fázi, kteří byli náhodně rozděleni do tří skupin. Naše výsledky ukázaly, že tDCS byla účinnou léčbou, pokud byla srovnávána s Sham stimulací (). Zejména anodální stimulace poskytla vyšší zlepšení, pokud jde o manuální zručnost. Katodální stimulace se zdála mít malý účinek, pokud jde o zlepšení síly, což nebylo pozorováno u jiných nastavení. Bipolární stimulace se zdála být méně účinná. U různých nastavení nebyly zaznamenány žádné významné rozdíly pro úsudek pacientů. Tyto výsledky zdůrazňují potenciální účinnost tDCS u pacientů s cévní mozkovou příhodou v subakutní fázi.

1. Úvod

Důsledkem cévní mozkové příhody je několik neurologických postižení, která v Evropě postihují přibližně 1 milion osob. Proto jsou následky cévní mozkové příhody hlavní příčinou dlouhodobé invalidity v průmyslově vyspělých společnostech . Výsledky rehabilitace často končí neúplným motorickým zotavením a více než 60 % pacientů nemůže používat paretické ruce při funkčních činnostech. Kromě toho je přítomnost těžké parézy po čtyřech týdnech považována za negativní prediktivní faktor pro motorické zotavení , což u těchto pacientů naznačuje vážné obtíže v aktivitách denního života v jejich budoucnosti.

Pro usnadnění obnovy funkce horní končetiny se stále navrhuje mnoho různých rehabilitačních postupů. Mezi nimi vědci celosvětově zaměřují svou pozornost na neinvazivní mozkovou stimulaci (NIBS). Nástroji NIBS jsou repetitivní transkraniální magnetická stimulace (rTMS) a transkraniální stimulace stejnosměrným proudem (tDCS).

U pacientů s cévní mozkovou příhodou se stále častěji používá tDCS pro její modulační účinky na kognitivní a motorické funkce . Zejména v motorické oblasti bylo prokázáno, že korový cíl aplikace tDCS zlepšuje provedení a dovednosti , což vyvolává zájem o zlepšení rehabilitačního průběhu cévní mozkové příhody. Navíc je ve srovnání s rTMS levnější, mobilnější, a tudíž pohodlnější, což usnadňuje její použití v klinických podmínkách.

Tato technika aplikuje elektrický proud přímo na pokožku hlavy a moduluje membránový potenciál v závislosti na typu aplikace elektrody. Anoda totiž dokáže usnadnit depolarizaci neuronů, zatímco katoda naopak hyperpolarizuje klidový membránový potenciál, čímž snižuje vypalování neuronů . Ukázalo se, že aplikace v motorické oblasti u osob po cévní mozkové příhodě je účinná při zvyšování výkonu funkčních úkolů a svalové síly .

Nedávná metaanalýza zároveň zdůraznila, že malá velikost vzorku, různá nastavení a velká velikost účinku ve studiích týkajících se motorického zotavení u pacientů s cévní mozkovou příhodou mohou snížit klinický význam těchto předběžných důkazů.

Cílem této studie bylo zhodnotit účinky na manuální zručnost a sílu stisku a úchopu při jednorázové stimulaci tDCS ve srovnání se stimulací Sham a zda se toto zlepšení liší mezi třemi možnými montážemi elektrod (anodální, katodální nebo bipolární). Sekundárním výsledkem bylo vyhodnocení spokojenosti pacientů s používáním této pokročilé rehabilitační technologie.

2. Materiál a metody

Jedná se o jednoslepou, zkříženou, falešně kontrolovanou studii. Pacienti byli přijati na lůžkovou rehabilitaci s diagnózou cévní mozkové příhody do naší nemocnice. Zařazovací kritéria pro účast v této studii byla vybrána takto: první cévní mozková příhoda; kortikální nebo kortiko-subkortikální léze potvrzená zobrazovací diagnostikou (CT nebo MRI); mírná až středně těžká hemiparéza s přítomností minimálního pohybu rukou (prokázaná možností provést úchopový nebo štípací test). Byla zvažována tato vylučovací kritéria: přítomnost chronických invalidizujících patologií horní končetiny v anamnéze; spasticita; přítomnost kardiostimulátoru nebo závažných kardiovaskulárních stavů; anamnéza nádoru, předchozí neurochirurgický zákrok na mozku nebo závažné kardiovaskulární stavy, včetně přítomnosti kardiostimulátoru; diagnóza epilepsie nebo závažné psychiatrické poruchy. Demografické a klinické charakteristiky devíti pacientů, kteří podstoupili experimentální zákrok, jsou shrnuty v tabulce 1.

Protokol byl schválen místní nezávislou etickou komisí a všichni účastníci poskytli písemný informovaný souhlas

2.1. Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem

Stimulace byla prováděna po dobu 15 minut, a to v reálném i falešném stavu, ve dvou po sobě následujících dnech, randomizovaně pro falešnou/tDCS a anodální/bipolární/katodální stimulaci. V obou sezeních stimulaci předcházelo 60 sekund, kdy byl proud postupně zvyšován až do intenzity 1,5 mA, což vyvolalo přechodné pocity, které během několika sekund vymizely, v souladu s předchozími zprávami . Stimulátor (Eldith DC Stimulator, NeuroConn, Německo) poskytoval stejnosměrný proud pomocí dvou gelových houbových elektrod o ploše 35 cm2 ( cm pro každou elektrodu) vložených do roztoku napuštěného fyziologickým roztokem.

Umístění aktivní elektrody se lišilo podle randomizovaných různých montáží: při anodální stimulaci byla aktivní elektroda umístěna na projekci oblasti kličky ruky v primární motorické kůře postižené hemisféry; při katodální stimulaci byla elektroda umístěna na nepostižené hemisféře v analogické poloze anodální stimulace. Pro nastavení těchto elektrod byla referenční elektroda umístěna na kůži překrývající kontralaterální supraorbitální oblast. Při bilaterální montáži byly katoda a anoda umístěny jako aktivní elektroda stejným způsobem popsaným výše. V souvislosti s elektrickou stimulací označuje anoda relativní kladný pól, kterým proud teče do těla, zatímco katoda označuje relativní záporný pól, kterým proud z těla vychází .

2.2. Testovací protokol

Pacienti byli požádáni, aby provedli test s 9 dírkovými kolíky (9HPT) před a po-tDCS nebo Sham. Tento test se skládá ze čtvercové desky se 3 řadami po 3 otvorech. Účastníci byli požádáni, aby co nejrychleji zaplnili 9 otvorů kolíčky. Výzkumníci zaznamenávali čas strávený provedením úkolu pomocí stopek, které začínaly, když se subjekt dotkl prvního kolíčku, a zastavily se, když subjekt zaplnil poslední otvor nebo když byl čas delší než 50 s, jak uváděly předchozí výzkumy .

Rychlost provedení byla vypočtena jako počet vyplněných otvorů za sekundu (počet vyplněných otvorů/čas). Byl získán 9HPT-index jako index manuální zručnosti. Aby bylo možné provést normalizaci dat mezi subjekty, byl 9HPT-index vypočten následujícím způsobem: 9HPT-index = rychlost LS/rychlost HS 100. Procentuální zlepšení 9HPT-indexu mezi stavem před a po léčbě bylo vypočteno jako (9HPT-indexpost – 9HPT-indexpre)/9HPT-indexpre 100.

Jako další výsledná míra byla u každého účastníka měřena maximální síla stisku a maximální síla úchopu pomocí specifických dynamometrů. Obě ruce byly hodnoceny vsedě, s loktem v 90° flexi a neutrální polohou zápěstí. Síla stisku byla stanovena podle Jamarské metody s co nejvíce nataženou paží a řídítky upevněnými na vzdálenost 5 cm, což je nejvhodnější vzdálenost pro vyvinutí maximální síly . Byly analyzovány maximální síly zaznamenané mezi dvěma pokusy. Každý účastník provedl tyto testy před- a po-tDCS nebo Sham.

Nakonec byly položeny čtyři otázky týkající se spokojenosti s nástrojem z pohledu pacientů. Inspirovány dotazníkem QUEST (Quebec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology) , položky se týkaly rozměru a užitečnosti zařízení, modality aplikace, komfortu při používání. Odpovědi byly odstupňovány na škále Likertova typu, která je nejpoužívanějším přístupem ke škálování odpovědí v dotazníkových výzkumech, od „vůbec nejsem spokojen“ po „jsem velmi spokojen“.

2.3. Jaká je míra spokojenosti? Statistická analýza

Všechna měření jsou uváděna ve formě průměr ± směrodatná odchylka. Na indexu 9HPT byla provedena analýza rozptylu s opakovaným měřením, přičemž jako vnitrosubjektové faktory byly použity faktory před léčbou versus po léčbě a tDCS versus Sham, zatímco jako mezisubjektový faktor byl použit typ nastavení (A, B nebo C). Post hoc analýzy byly provedeny s použitím Tukeyho korekce na inflaci nebo chybu typu I pro vícenásobná srovnání. Stejné analýzy byly obdobně provedeny pro síly stisku a úchopu zaznamenané u postižené končetiny subjektů. Pro ověření použitelnosti analýzy rozptylu jsme předtím provedli Leveneův test rovnosti rozptylů chyb pro ověření homogenity dat 3 zaznamenaných proměnných (9HPT-index, síly stisku a úchopu) pro obě stimulace (tDCS versus Sham), před a po stimulaci. Byl použit program SPSS 17.0 a práh významnosti byl stanoven na 0,05.

3. Výsledky

Tabulka 2 uvádí experimentální údaje všech devíti vybraných pacientů.

Před použitím analýzy rozptylu byla ověřena homogenita dat pomocí Leveneova testu rovnosti rozptylů chyb, 3 zaznamenaných proměnných (9HPT-index, síla stisku a úchopu) pro obě stimulace (tDCS versus Sham), před a po stimulaci. Jedenáct z 12 souborů dat bylo homogenních (), přičemž významné snížení homogenity bylo pozorováno pouze u úchopu po stimulaci sham (). Podle těchto výsledků jsme použili analýzu variance s opakovaným měřením.

Zlepšení zaznamenaná po léčbě tDCS byla významně vyšší vzhledem ke změnám pozorovaným po léčbě Sham, jak ukazuje obrázek 1 a tabulka 3 ( z interakce Pre versus Post tDCS versus Sham). Navzdory vysoké variabilitě údajů vykazovala anodická a katodická léčba vyšší zlepšení, ale rozdíly mezi nastaveními byly významné pouze jako hlavní faktor (), nikoli však pro interakci Pre versus Post tDCS versus Sham ABC (). Post hoc analýzy ukázaly, že skupina A měla nižší 9HPT-index již před léčbou (, analýza rozptylu, faktor skupina).

Obrázek 1

Percentuální zlepšení manuální zručnosti, měřené jako index 9HPT, pro skutečnou a předstíranou stimulaci ve třech různých montážích elektrod. Zkratky pro stimulaci: A: anodální; B: bilaterální; C: katodální.

Z hlediska manuální síly interakce mezi faktory (Pre versus Post tDCS versus Sham ABC) významně ovlivnila sílu stisku postižené končetiny (, ). Hlavní faktor ABC sílu stisku významně neovlivnil (, ). Zjistili jsme významné zlepšení + po katodové stimulaci, snížení síly o – po bipolární stimulaci a žádné změny (0 % v průměru) po anodové stimulaci nebo simulaci Sham. Síla úchopu se nezměnila, pouze s mírným, ale nevýznamným vlivem interakce tDCS versus Sham ABC (, ), opět s větším zlepšením po katodové stimulaci.

Nakonec, pokud jde o hodnocení uživatelů, celková spokojenost se zařízením byla velmi dobrá. Výsledky krátkého průzkumu byly uvedeny v tabulce 4.

Nebyly zjištěny žádné statisticky významné změny mezi anodální, bilaterální a katodální montáží z hlediska hodnocení pacientů pomocí škály spokojenosti uživatele z hlediska rozměru (, Kruskal-Wallisova analýza), vnímané užitečnosti (), vnímané snadnosti použití () a pohodlí během léčby () (obrázek 2). Byl pozorován jen trochu překvapivý trend naznačující, že bipolární montáž byla vnímána jako méně invazivní, a to i přes přítomnost dvou elektrod na hlavě a větší pohodlí.

Obrázek 2

4položkové otázky spokojenosti uživatelů na základě Likertova bodování pro tři nastavení elektrod (A: anodická, B: bilaterální, C: katodická montáž). Krabicový (tenké čáry: první a třetí kvartil, široká čára: medián) a whiskers (minimální a maximální hodnoty) graf pro hodnocení pacientů ohledně rozměru, užitečnosti, snadnosti použití a pohodlí

4. Diskuse

Účelem této studie bylo zjistit účinky jednorázové transkraniální stimulace stejnosměrným proudem (skutečná versus předstíraná) na obratnost a manuální sílu u pacientů s cévní mozkovou příhodou, provedení stimulace prostřednictvím tří různých nastavení elektrod a zjištění, zda je montáž pacienty vnímána jako uspokojivá. Naše výsledky naznačují, že léčba tDCS byla účinnější než léčba Sham na manuální zručnost, zatímco z hlediska manuální síly nebyly zaznamenány žádné významné rozdíly, i když po katodové stimulaci bylo zaznamenáno mírné zlepšení. Kromě toho si pacienti nestěžovali na žádné obtíže při provádění léčby.

V poslední době se mnoho studií zaměřilo na zařízení usnadňující motorické zotavení. TDCS se ukazuje jako jedno z nejzajímavějších zařízení, které lze použít při rehabilitaci po cévní mozkové příhodě, a to jak u kognitivních, tak u motorických poruch. Léčba pomocí tDCS může být dodávána až 30 minut, podobně jako načasování rehabilitačního sezení, před ním nebo synchronně s ním, což zlepšuje výsledky rehabilitace . Ve srovnání s jinými formami NIBS je navíc tDCS pohodlnější, mobilnější a levnější a nebyly zaznamenány žádné závažné nežádoucí účinky. Mezi běžné nežádoucí účinky patří mírná bolest hlavy, svědění a erytém v místě elektrody .

Přes tyto výhody je použití této techniky v rehabilitaci bráněno kvůli stále příliš předběžným důkazům. Studie se totiž velmi liší, pokud jde o fázi cévní mozkové příhody, funkční poruchy, zacílení výsledků, nastavení stimulace a rehabilitační integraci. Proto Bastani a Jaberzadeh v nedávné metaanalýze dospěli k závěru, že tDCS (v tomto případě jako anodální stimulace) zřejmě přináší významné účinky u osob s cévní mozkovou příhodou, ale jakýkoli závěr je třeba brát s rezervou . Zároveň také upozornili na její potenciální roli jako doplňkové techniky ke zlepšení motorických funkcí a kortikomotorické excitability.

V naší studii jsme zaměřili pozornost na různé montáže elektrod, přičemž jsme se stále více zajímali o typ stimulace. Naše výsledky ukazují, že anodální stimulace poskytla vyšší zlepšení, pokud jde o manuální zručnost. Tato zjištění jsou v souladu s předchozími zprávami . V těchto případech mohou účinky přetrvávat až 2 týdny po léčbě . Většina těchto studií se týká chronické fáze cévní mozkové příhody, zatímco pouze Kim a kolegové prokázali účinek stimulace u pacientů v subakutní fázi . Za zmínku stojí nedávná zpráva, podle níž se zdá, že tDCS není účinná v akutní fázi .

Úlohy využívané k měření manuální zručnosti, včetně Jebsenova-Taylorova testu, testu Box and Block a 9HPT, vyžadují pro přesné provedení komplexní smyslové informace a senzomotorickou integraci. Úspěšné provedení navíc vyžaduje komplexní vzorec aktivace svalů a kloubů, stejně jako použití terčů a nástrojů ; proto by roli zesilovače motorické rehabilitace měla spíše plnit anodální stimulace tDCS.

Ve skutečnosti se zdá, že také stimulace katodou nepostižené hemisféry je účinná při zlepšování motorických funkcí, ale zprávy nejsou vždy shodné . Naše výsledky naopak ukázaly, že katodová tDCS se zdá být málo účinná z hlediska síly, odlišně od jiných nastavení.

V naší studii se zdála být méně účinná bipolární stimulace. V předchozí studii bylo uvedeno, že současná aplikace anodální tDCS nad motorickou kůrou a katodální tDCS nad kontralaterální motorickou kůrou vyvolala zvýšení kortikální excitability . Naše studie podporuje tato zjištění, pokud jde o obratnost, což naznačuje globální účinek léčby založené na respektování elektrické stimulace oproti falešným podmínkám, a to i v případě bipolární montáže elektrod.

Koneckonců celková spokojenost pacienta byla zachována během krátké protokolární léčby, což potvrzuje usnadnění používání tohoto zařízení .

Hlavním omezením naší studie byla menší velikost vzorku. Ačkoli počet subjektů zapojených do této studie odpovídal jiným studiím o tDCS , naznačuje to opatrnost při interpretaci údajů. Na druhou stranu ze statistického hlediska byly významné účinky zjištěné v naší studii ( pro interakci Pre versus Post tDCS versus Sham pro 9HPT-index a pro interakci Pre versus Post tDCS versus Sham ABC pro sílu stisku) získané na malém vzorku potenciálně větší než ekvivalentní výsledky získané na větších vzorcích, což podporuje význam našich výsledků. Každopádně jsou zapotřebí další výzkumy na větších vzorcích. Navíc skupina anodální stimulace měla obecně nižší manuální zručnost (ale ne sílu), což by mohlo omezit interpretaci našich výsledků. Further research on larger samples is hence needed.

Závěrem lze říci, že tato studie přispívá do panelu důkazů, které posilují roli tDCS uvnitř rehabilitačního průběhu cévní mozkové příhody, zejména u složitějších aktivit denního života jako doplňkové techniky. Je zapotřebí dalších studií, které by definovaly lepší nastavení montáže a zaměřily se na specifičtější výsledná měřítka.