Metoda tDCS - mikropolaryzacja błony komórkowej neuronu

Wyszukaj w serwisie

Wykorzystanie prądu elektrycznego w urządzeniach medycznych

          W 1800 roku A.Volta wynalazł ogniwo galwaniczne i od tego czasu coraz więcej naukowców
i badaczy interesuje się zagadnieniem przepływu prądu elektrycznego przez ciało człowieka. Przedmiotem zainteresowania są zarówno pozytywne skutki działania prądu, jak i te które wymagają szczególnej ostrożności. Na przykład bardzo niebezpiecznym dla zdrowia i życia skutkiem działania prądu na organizm jest porażenie elektryczne. Warto wiedzieć, że niebezpieczne dla życia są przede wszystkim prądy zmienne o małej częstotliwości tj. rzędu 30-150 okresów na sekundę.  Górna granica bezpieczeństwa  to  około 200 woltów napięcia, natomiast dla prądu stałego granica ta wynosi znacznie więcej, nawet 500 woltów. Profilaktycznie w urządzeniach medycznych, w celu zachowania bezpieczeństwa, przyjmuje się jako akceptowalną,  graniczną  wartość napięcie do 42 woltów,  dla prądu zmiennego.

Założenia techniki neuromodulacyjnej 

    Wykorzystywanie prądu elektrycznego stałego o bardzo niskim natężeniu do 2000uA-2mA do pobudzania  neuronów kory mózgowej jest uważane za metodę bardzo bezpieczną i nieinwazyjną. Przezczaszkowa stymulacja stałoprądowa  tzw. tDCS (ang. transcranial direct current stimulation), której w tym artykule chciałbym poświęcić najwięcej uwagi,

w literaturze fachowej określana  jest  jako technika  neuromodulacyjna. Wykonywana jeszcze  na względnie małej populacji pacjentów, chociaż jej dużym atutem jest zdecydowanie najniższa cena ze wszystkich metod fizykalnych stosowanych w medycynie do terapii mózgu.  Jak pisze dr inż. Joannna Budzisz z Politechniki  wrocławskiej w swoim artykule pt. "Przezczaszkowa stymulacja stałoprądowa tDCS jako metoda eksperymentalna stosowana u dzieci" - w założeniu metody leży podawanie stałego bodźca elektrycznego o wartościach nie przekraczających  2mA, który ma zależnie od elektrody (katoda lub anoda) zmniejszyć  lub zwiększyć wzbudzenie korowe. Stymulacja  anodą  zwiększa pobudzenie korowe, a stymulacja katodowa powoduje hamowanie pobudzenia.

Bezpieczeństwo parametrów stosowanych w neuromodulacji

            W dalszej części w/w artykułu Pani doktor Budzisz rozważa kwestie bezpiecznych parametrów stosowanej terapii prądem stałym i pisze następująco: „ważną  wartością  dla określenia bezpieczeństwa oprócz wartości prądowej jak i stromości oraz gęstości  prądu  jest  całkowity ładunek prądu, wyrażony w jednostkach C/cm2. Niebezpieczna wartość ładunku podanego w czasie do 30 minut nie może przekroczyć 216 C/cm2.  Pojedyncza  stymulacja  tDCS  dla  2mA  20 minutowa wytwarza ładunek o wartości 0,0022 C/m2.  Nie ma zatem niebezpieczeństwa w pojedynczej stymulacji. Należy jednak pamiętać, że ładunek całkowity dostarczany podczas całej wielokrotnej terapii jest większy”. Przezczaszkowa stymulacja stałoprądowa dostarcza jedynie 0,1 procent natężenia prądu, który stosuje się w najpopularniejszej terapii z wykorzystaniem działania prądu na układ nerwowy człowieka, np. w leczeniu depresji-elektrowstrząsach.

Zastosowania terapii tDCS                                                                                       

            Wnioski z badań przeprowadzonych do tej pory wskazują, że tDCS może poprawić funkcje poznawcze, sprawność motoryczną oraz nastrój. Terapia może również wspomóc rehabilitację pacjentów poudarowych na oddziałach neurologicznych oraz pacjentów psychiatrycznych cierpiących na formę depresji odporną na leczenie, czy też zaburzenia lękowe. Stosuje się ją wtedy w połączeniu z farmakoterapią oraz psychoterapią. Jest to tzw. podejście komplementarne. Jeszcze nie wiadomo, czy działania przeciwdepresyjne wywierane przez  tDCS są trwałe, czy też konieczne będzie zastosowanie leczenia tzw. podtrzymującego.                                                   . 

Lokalizacja elektrod w terapii tDCS,
a efektywność pobudzenia neuronów 

       W literaturze przedmiotu wciąż toczy sie dyskusja  w sprawie precyzyjnego montażu elektrod,  w celu uzyskania optymalnych wyników zabiegu. Najczęściej stosowanym podłączeniem w przypadku np. zaburzeń depresyjnych jest umieszczenie anody w lokalizacji  F3 a katody w lokalizacji Fp2. To oddziaływanie prądem elektrycznym na tkanki pobudliwe kory mózgowej prowadzi do stopniowej zmiany pobudzenia błony komórkowej neuronu. Pełne pobudzenie neuronu jest możliwe tylko wtedy, gdy jego błona komórkowa ulegnie wystarczająco dużej depolaryzacji i osiągnie tzw. poziom progowy tj. około -50mV (potencjał spoczynkowy komórki  wynosi -70mV).  Następuje wówczas otwarcie kanałów jonowych błony białkowo-lipidowej, które prowadzi do jej depolaryzacji sięgającej wartości + 30mV i w konsekwencji do powstania tzw. potencjału  czynnościowego (action potential  -AP ). Czas trwania AP jest bardzo krótki to jedynie 1 ms. Potencjał czynnościowy powstaje zgodnie z regułą „wszystko albo nic”, co oznacza, że każdy bodziec nadprogowy powoduje powstanie potencjału czynnościowego o jednakowej amplitudzie, przebiegu i czasie trwania w danym typie komórek, które ulegają pobudzeniu. Neuron jest stale pod wpływem tysięcy bodźców nadchodzących z innych neuronów.
             W konsekwencji pobudzenie neuronu zależy od sumowania przestrzennego impulsów EPSP (Excitatory Post-Synaptic Potential - Postsynaptyczny potencjał pobudzający) i IPSP (Inhibitory Post-Synaptic Potential - Postsynaptyczny potencjał hamujący) oraz ich synchronizacji czasowej. Zarówno EPSP jak i IPSP są reakcjami stopniowanymi, ich amplitudy są proporcjonalne do siły bodźca, który je wywołał. Słabe bodźce wywołują małe potencjały postsynaptyczne, a silne bodźce wywołują duże potencjały postsynaptyczne. Natomiast jednoczesne wyładowanie się tylko niewielkiej ilości synaps wywoła wspólny potencjał synaptyczny o sile niewystarczającej do wywołania potencjału czynnościowego, który byłby początkiem impulsu nerwowego. Jednoczesne wyładowanie się wielu synaps wywoła potencjał o wartości ponadprogowej. Czyli, aby mógł się wytworzyć potencjał czynnościowy, pobudzenie musi przekroczyć potencjał progowy.         

BODZIEC DZIAŁAJĄCY NA  BŁONĘ KOMÓRKOWĄ  NEURONU ZMIENIA JEJ WŁAŚCIWOŚCI. POWSTAJĄ POTENCJAŁY POBUDZJĄCE LUB HAMUJĄCE, NASTĘPNIE  SUMUJĄ SIĘ  ONE W CZASIE  LUB/I   W PRZESTRZENI

Neuromodulacja, a hiperpolaryzacja błony neuronu 

            Oddziaływanie - neuromodulacja prądem o niskim natężeniu w metodzie tDCS nie prowadzi bezpośrednio do wytworzenia potencjału czynnościowego. Prowadzi za to do takiego stopnia  depolaryzacji i repolaryzacji (hiperpolaryzacji) błony białkowo-lipidowej neuronu, że odpowiednio zwiększa się lub zmniejsza jego pobudliwość. Częstotliwość, wielkość natężenia prądu i czas trwania stymulacji wpływa na efekt stymulacji. Po 20-30 minutowym okresie stymulacji jej efekt np. poznawczy odczuwany jest przez około 30-90 minut.                                                       

Potencjał terapeutyczny metody tDCS

            Obecnie fizykalne metody leczenia takie jak: TMS (Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna), tDCS (Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym) oraz DBS (Głęboka stymulacja mózgu) oparte o stymulacje prądem elektrycznym, stosowane są w neurologii (neurorehabilitacji) i psychiatrii. Okazuje się, że w/w metody zdobywają co raz to więcej zwolenników wśród specjalistów, którzy zajmują się terapia mózgu, lekarze w całościowym postępowaniu terapeutycznym najczęściej łączą je
z oddziaływaniem farmakologicznym, a w razie potrzeby również psychoterapią.

Terapia tDCS - teraźniejszość i prognozy

            W krajach Skandynawskich np. w Filandii terapia tDCS w zaburzeniach depresyjnych jest refundowana przez państwo. W USA terapię tDCS proponuje obecnie około 30 klinik. Jest stosowana w leczeniu różnych nieprawidłowości w pracy mózgu – zaburzeń neurologicznych, psychiatrycznych oraz w neurorehabilitacji, generalnie wciąż jako tzw. terapia eksperymentalna. Znanym nam jedynym efektem ubocznym prawidłowo przeprowadzonej terapii może być zaczerwienienie i swędzenie skóry pod elektrodami. Terapia tDCS prowadzona pod okiem lekarzy jest uważana za zupełnie bezpieczną. Osoba wykonująca zabiegi, oczywiście po odpowiednim przeszkoleniu, powinna zwrócić szczególną uwagę min. na to, żeby nakładać elektrody na głowę pacjenta tak, aby stymulować tylko wybrane obszary mózgu, charakterystyczne dla danych zaburzeń. Dlatego nie należy eksperymentować z tym narzędziem, narażając  pacjenta na ewentualne niepożądane skutki uboczne. W Polsce coraz więcej gabinetów i przychodni (w tym BIOMED Neurotechnologie) proponuje swoim klientom zastosowanie stymulacji elektrycznej, o niskim natężeniu, urządzeniem tDCS, wyprodukowanych przez renomowane firmy zajmujące się na świecie neurotechnologią, takie jak np.: Neuroelectrics.

autor: Dariusz Tuchowski, Biomed Neurotechnologie
                                                                                                                     
Materiały źródłowe:

[1] Nitsche A., Liebetanz D., Antal A., Lang N., Tergau F Paulus W., Modulation of cortical excitability by weak direct current stimulation – technical, safety and functional aspects, Michael A. Nitsche*, David Liebetanz, Andrea Antal, Nicolas Lang, Frithjof Tergau and Walter Paulus, Gettingen 2003
[2] Nitshe M.A., Libetanz D., Lang N., wsp. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clin. Neurophysiol 2003; 114:2220-2222.
[3] Charlotte J. Stagg and Michael A., Nitsche, Physiological Basic of transcranial direct current stimulation, Neuroscientist
[4] Przezczaszkowa stymulacja stałoprądowa tDCS jako metoda eksperymentalna stosowana u dzieci,
artykuł J. Budzisz
[5] M.Thompson and L. Thompson, Neurofeedback, edition by Biomed Neurotechnologie, Wrocław, 2012