Metoda tDCS – mikropolaryzacja błony komórkowej neuronu

W tym artykule przeczytasz:

• Jaka dawka prądu jest bezpieczna dla człowieka

• Jakie są założenia techniki neuromodulacyjnej

• Jakie jest zastosowanie stymulacji tDCS

• Jaki wpływ na pobudzenie neuronów ma lokalizacja elektrod

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 stymulacji 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 stymulacji jest większy”. Przezczaszkowa stymulacja stałoprądowa dostarcza jedynie 0,1 procent natężenia prądu, który stosuje się w najpopularniejszej stymulacji z wykorzystaniem działania prądu na układ nerwowy człowieka, np. w leczeniu depresji-elektrowstrząsach.

Zastosowania stymulacji tDCS 

Wnioski z badań przeprowadzonych do tej pory wskazują, że tDCS może poprawić funkcje poznawcze, sprawność motoryczną oraz nastrój. Stosowanie metody tDCS 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 metodzie tDCS, a efektywność pobudzenia neuronów

W literaturze przedmiotu wciąż toczy się 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 ponad progowej. Czyli, aby mógł się wytworzyć potencjał czynnościowy, pobudzenie musi przekroczyć potencjał progowy.

Bodziec działający na błonę komórkową neuronu zmienia jej właściwości. Powstają potencjały pobudzające 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 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 terapią mózgu. Lekarze w całościowym postępowaniu terapeutycznym najczęściej łączą je z oddziaływaniem farmakologicznym, a w razie potrzeby również psychoterapią.

Bibliografia:

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, Gettingen 2003
2. Nitshe M.A., Libetanz D., Lang N.. Safety criteria for transcranial direct current stimulation (tDCS) in humans. Clin. Neurophysiol 2003
3. Charlotte J. Stagg and Michael A., Nitsche, Physiological Basic of transcranial direct current stimulation, Neuroscientist
4. Budzisz J., Przezczaszkowa stymulacja stałoprądowa tDCS jako metoda eksperymentalna stosowana u dzieci
5. Thompson M., Thompson L., Neurofeedback, Wydawnictwo Biomed Neurotechnologie, Wrocław 2012