Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem (tDCS) je forma neurostimulace, která využívá konstantní nízký proud dodávaný přímo do oblasti mozku prostřednictvím malých elektrod. tDCS byla původně vyvinuta na pomoc pacientům s poraněním mozku, například po mrtvici. Testy na zdravých dospělých lidech prokázaly, že tDCS může zvýšit kognitivní výkonnost při řešení různých úkolů[citace potřebná] v závislosti na stimulované oblasti mozku. tDCS byla využita ke zlepšení jazykových a matematických schopností, pozornosti, řešení problémů, paměti a koordinace.
Přechod na moderní vědecký výzkum
Krátký nárůst zájmu o transkraniální stimulaci stejnosměrným proudem nastal v 60. letech 20. století, kdy studie vědce Alberta[citace potřebná] prokázaly, že stimulace může ovlivnit funkci mozku změnou korové excitability. Zjistil také, že pozitivní a negativní stimulace má na kortikální excitabilitu rozdílný vliv. Přestože tato zjištění byla důležitá pro využití tDCS v terapii, od výzkumu v této oblasti se opět upustilo, protože se jako výhodnější metoda terapie ukázala farmakoterapie [jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text].
Zájem o tDCS se obnovil teprve nedávno. Tentokrát bylo znovuobjevení podpořeno nárůstem zájmu a porozumění základním funkcím mozku, terapeutickým aplikacím a také novým technikám stimulace a zobrazování mozku, jako je TMS a fMRI. Nyní se transkraniální stimulace stejnosměrným proudem začíná častěji používat jako technika stimulace mozku, protože bezpečnostní protokol ukázal, že tDCS je pro použití u lidí mimořádně bezpečná.
Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem funguje tak, že elektrodami prochází konstantní slabý stejnosměrný proud. Když jsou tyto elektrody umístěny v oblasti zájmu, proud vyvolává intracerebrální proudění. Tento proudový tok pak buď zvyšuje, nebo snižuje excitabilitu neuronů v konkrétní stimulované oblasti podle toho, jaký typ stimulace se používá. Tato změna neuronální excitability vede ke změně mozkových funkcí, což lze využít při různých terapiích i k získání dalších informací o fungování lidského mozku.
Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem je relativně jednoduchá technika a tradiční přístroje obsahují pouze několik částí. Patří k nim dvě elektrody a baterií napájené zařízení, které dodává konstantní proud. Řídicí software lze použít i při experimentech, které vyžadují více sezení s různými typy stimulace tak, že ani osoba přijímající stimulaci, ani osoba provádějící stimulaci neví, který typ je právě aplikován. Každé zařízení má anodickou elektrodu a katodickou elektrodu. Anodální elektroda je kladně nabitá elektroda a katodální elektroda je záporně nabitá elektroda. Konvenční proud teče z anody přes lebku a mozek do katody, čímž se vytvoří obvod. Zařízení, které proud dodává, má ovládací prvky, které nastavují proud i délku stimulace.
V moderních přístrojích, jako jsou ty používané pro MtCS, lze použít více elektrod a řídit jejich jednotlivé proudy. Tato zařízení používají malé gelové elektrody podobné EEG (na rozdíl od tradičních zařízení, která používají velké houbové elektrody namočené ve fyziologickém roztoku).
Pro nastavení zařízení tDCS je třeba připravit elektrody a kůži. Tím se zajistí pevné spojení mezi kůží a elektrodou. Pečlivé umístění elektrod je pro úspěšnou techniku tDCS zásadní. Elektrodové podložky se dodávají v různých velikostech, přičemž každá velikost má své výhody. Elektrodou menší velikosti se dosáhne cílenější stimulace daného místa, zatímco větší elektroda zajistí stimulaci celé oblasti zájmu. Pokud je elektroda umístěna nesprávně, může být stimulováno jiné místo nebo více míst, než bylo zamýšleno, což může vést k chybným výsledkům. Jedna z elektrod se umístí nad oblast zájmu a druhá elektroda, referenční elektroda, se umístí na jiné místo, aby se dokončil obvod. Tato referenční elektroda se obvykle umisťuje na krk nebo rameno na opačné straně těla, než je oblast zájmu. Vzhledem k tomu, že oblast zájmu může být malá, je často užitečné lokalizovat tuto oblast před umístěním elektrody pomocí zobrazovací techniky mozku, jako je fMRI nebo PET. Po správném umístění elektrod lze zahájit stimulaci. Mnoho přístrojů má vestavěnou funkci, která umožňuje postupně „zvyšovat“ nebo zvyšovat proud, dokud není dosaženo potřebného proudu. Tím se snižuje množství stimulačních účinků, které pociťuje osoba přijímající tDCS. Po zahájení stimulace bude proud pokračovat po dobu nastavenou na zařízení a poté se automaticky vypne. Nedávno byl zaveden nový přístup, kdy se místo dvou velkých elektrod používá více (více než dvě) gelových elektrod menších rozměrů, které se zaměřují na konkrétní korové struktury. Tento nový přístup se nazývá High Definition tDCS (HD-tDCS). V pilotní studii bylo zjištěno, že HD-tDCS má větší a déle trvající změny excitability motorické kůry než houbová tDCS.
Další novou technikou je multikanálová nebo multifokální transkraniální proudová stimulace (MtCS), při níž se používá více individuálně řízených elektrod, které se pomocí tDCS, tACS nebo tRNS zaměřují na více korových oblastí současně. Smyslem je využít pokročilé modelovací nástroje, jako jsou ty popsané v (Miranda et al., 2013), k simulaci výsledných elektrických polí v mozku a na základě toho optimalizovat umístění montáže a proudy. Viz návod, jak taková zařízení používat pro stimulaci a záznam EEG.
Existují tři různé typy stimulace: anodální, katodální a předstíraná. Anodální stimulace je pozitivní (V+) stimulace, která zvyšuje excitabilitu neuronů stimulované oblasti. Katodální (V-) stimulace snižuje neuronální excitabilitu stimulované oblasti. Katodální stimulací lze léčit psychické poruchy, které jsou způsobeny hyperaktivitou určité oblasti mozku. Falešná stimulace se při experimentech používá jako kontrola. Falešná stimulace vysílá krátký proud, ale poté zůstává po zbytek doby stimulace vypnutá. Při falešné stimulaci osoba, která dostává tDCS, neví, že nedostává prodlouženou stimulaci. Porovnáním výsledků u osob vystavených falešné stimulaci s výsledky osob vystavených anodální nebo katodální stimulaci mohou vědci zjistit, jak velký účinek je způsoben proudovou stimulací, a nikoli placebo efektem.
Jedním z nejdůležitějších aspektů tDCS je schopnost dosáhnout korových změn i po ukončení stimulace. Délka trvání této změny závisí na délce stimulace i na její intenzitě. Účinky stimulace se zvyšují s délkou stimulace nebo se zvyšující se silou proudu. Způsob, jakým stimulace mění funkci mozku, je buď způsobení depolarizace, nebo hyperpolarizace klidového membránového potenciálu neuronu. Při pozitivní stimulaci (anodální tDCS) způsobuje proud depolarizaci klidového membránového potenciálu, což zvyšuje excitabilitu neuronů a umožňuje větší spontánní vypalování buněk. Při negativní stimulaci (katodální tDCS) způsobuje proud hyperpolarizaci klidového membránového potenciálu. Tím se snižuje excitabilita neuronu v důsledku snížení spontánního vypalování buněk.
Neuroplasticita označuje schopnost mozku měnit se v průběhu života na základě zkušeností. Způsob, jakým funguje transkraniální stimulace stejnosměrným proudem, by mohl být způsoben koncepty plasticity dlouhodobé potenciace (LTP) a dlouhodobé deprese (LTD), protože tyto dva pojmy mají některé základní podobnosti. Dlouhodobá potenciace je posílení mezi dvěma neurony, zatímco dlouhodobá deprese je oslabení mezi dvěma neurony. Těchto účinků se dosahuje především změnou schopnosti synaptického přenosu. LTP posiluje přenos a LTD přenos brzdí. Stejně tak stimulace tDCS zahrnuje změnu schopnosti synaptického přenosu prostřednictvím modifikace intracelulární hladiny cAMP a vápníku. LTP, LTD i účinky tDCS jsou také závislé na syntéze proteinů. Právě z těchto důvodů jsou LTP a LTD navrhovanými mechanismy funkce tDCS.
Srovnání s jinými zařízeními
Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem je poměrně netradiční metoda stimulace mozku. Ačkoli se tato metoda těší stále většímu zájmu, nejčastěji používanou metodou stimulace mozku je transkraniální magnetická stimulace (TMS). Tato technika stimulace mozku využívá elektrickou cívku drženou nad zájmovou oblastí na hlavě, která pomocí rychle se měnícího magnetického pole vyvolává v mozku malé elektrické proudy. Existují dva typy TMS: opakovaná TMS a jednopulzní TMS. Oba se používají ve výzkumné terapii, ale účinky trvající déle než po dobu stimulace jsou pozorovány pouze u opakované TMS. Podobně jako u tDCS lze touto technikou dosáhnout zvýšení nebo snížení neuronální aktivity, ale způsob, jakým je tato aktivita vyvolána, je velmi odlišný. Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem má dva různé směry proudu, které způsobují různé účinky. Zvýšení neuronální aktivity se při opakované TMS vyvolává použitím vyšší frekvence a snížení neuronální aktivity se vyvolává použitím nižší frekvence.
TMS i tDCS jsou bezbolestné a považují se za bezpečné pro lidské použití. TMS je však dražší, obtížněji se předstírá a může vyžadovat vyškoleného držitele cívky, zatímco tDCS se aplikuje relativně snadno. Transkraniální magnetická stimulace způsobuje vzplanutí akčních potenciálů neuronu, což vede k silnějšímu účinku. Protože tDCS způsobuje pouze zvýšené spontánní vypalování buněk, nemá tak velký účinek. Jednou z výhod tDCS ve srovnání s TMS je, že díky menšímu účinku je mnohem menší pravděpodobnost, že u osoby, která stimulaci přijímá, dojde k záchvatům.
Další typy stimulace
Varianty související s tDCS zahrnují tACS a tRNS, skupinu technologií běžně označovaných jako tCS. Jedna z dalších používaných technik elektrické stimulace se nazývá transkraniální elektrická stimulace neboli TES. TES rovněž funguje tak, že vyvolává neuronální změny prostřednictvím elektrických proudů. TES na rozdíl od tDCS způsobuje vzplanutí klidových neuronů a může být pro osobu přijímající stimulaci bolestivá, proto se tato metoda již často nepoužívá.
Transkraniální stimulace stejnosměrným proudem je při dodržení zavedených bezpečnostních protokolů obecně považována za bezpečnou metodu stimulace mozku, která nezpůsobuje žádné zjevné krátkodobé poškození. Bezpečnostní protokoly omezují proud, trvání a frekvenci stimulace, čímž omezují účinky a riziko.
V posledních 10 letech bylo vykonáno mnoho práce na vytvoření bezpečnostního protokolu pro podávání transkraniální stimulace stejnosměrným proudem. Bylo provedeno mnoho studií s cílem určit optimální dobu stimulace a použitý proud, jakož i kroky, které je třeba podniknout, aby se snížily nebo vyloučily vedlejší účinky pociťované osobou, která stimulaci dostává. Tyto standardy stále nejsou zcela stanoveny a nadále se rozšiřují s tím, jak se provádí další výzkum. V současné době je akceptovaný maximální proud pro použití u lidí 2 mA a obvykle se používá 1 mA nebo méně. Samotný přístroj má maximální nastavení proudu, které je sice vyšší, než se doporučuje používat, ale stále v rozmezí, kdy nedochází k poškození osoby přijímající stimulaci.
Byly dokončeny studie, jejichž cílem bylo určit hustotu proudu, při níž dochází ke zjevnému poškození mozku u potkanů. Bylo zjištěno, že při katodové stimulaci způsobuje u potkanů poškození mozku proudová hustota 142,9 A/m2 dodávající hustotu náboje 52400 C/m2 nebo vyšší. To je o více než dva řády více, než se v současnosti používá.
V tomto okamžiku není délka stimulace striktně omezena, ale za ideální dobu stimulace se považuje 20 minut. Čím delší je doba stimulace, tím déle přetrvávají pozorované účinky stimulace po jejím ukončení. Délka stimulace 10 minut vede k pozorovaným účinkům trvajícím až hodinu.
Obecně se doporučuje počkat alespoň 48 hodin až týden před opakováním stimulace. Rovněž se doporučuje upozornit osobu, která stimulaci přijímá, na možné následné účinky stimulace tDCS.
Nežádoucí účinky stimulace
Během stimulace může člověk pociťovat několik drobných vedlejších účinků, které lze většinou kontrolovat správným nastavením přístroje. Mezi tyto vedlejší účinky patří podráždění kůže, fosfén na začátku stimulace, nevolnost, bolest hlavy, závratě a svědění pod elektrodou. Nevolnost se nejčastěji objevuje při umístění elektrod nad mastoidem, které se používají pro stimulaci vestibulárního systému. Fosfén je krátký záblesk světla a tento efekt se může objevit, pokud je elektroda umístěna v blízkosti oka. Nedávná studie více než 500 osob, které používaly v současnosti uznávaný protokol, zaznamenala jako vedlejší účinky pouze mírné podráždění kůže a fosfen.
Existuje několik způsobů, jak snížit podráždění kůže během stimulace. Jednou z nejdůležitějších metod prevence podráždění kůže je důkladná příprava elektrod s fyziologickým roztokem a kůže s elektrodovým krémem. Také zvýšení proudu může snížit podráždění. To se provádí pomalým zvyšováním proudu, dokud není dosaženo požadovaného proudu.
V současné době nejsou známa žádná rizika tDCS, ale vzhledem k tomu, že se tato stimulační technika stále zkoumá, je třeba dodržovat bezpečnostní opatření. Pro zajištění správného používání přístroje je třeba dodržovat stanovené protokoly. Rovněž se nedoporučuje podávat tuto stimulaci osobám náchylným k záchvatům, jako jsou lidé s epilepsií. Ačkoli se zdá, že u zdravých osob záchvaty nehrozí, osoby se sklonem k záchvatům mohou reagovat jinak. S tím, jak se o používání tDCS dozvídáme více, se mohou měnit bezpečnostní standardy, a proto je důležité, abyste se seznámili s aktuálně nejnovějším bezpečnostním protokolem.
Klinická terapie pomocí tDCS může být nejslibnější aplikací této techniky. V klinických studiích byly prokázány terapeutické účinky u Parkinsonovy choroby, tinitu, fibromyalgie a motorických deficitů po mrtvici. V nedávné studii se u pacientů po mrtvici s řečovými obtížemi projevilo velké zlepšení díky terapii založené na tDCS, přičemž zlepšení přetrvávalo i po týdenním retestu. Stimulační terapie by se mohla vyvinout také v účinnou terapii různých psychiatrických poruch, jako jsou deprese, úzkostné poruchy a schizofrenie. Někteří výzkumníci zkoumají možné aplikace, jako je zlepšení soustředění a koncentrace.
Většina psychologických studií zahrnujících tDCS se zaměřuje na rozšíření poznatků o určité oblasti mozku nebo o určitém psychologickém jevu. Například se hodně pracuje na schopnostech a specifikách pracovní paměti. Mnohé z těchto studií stimulují určitou oblast mozku a následně sledují účinky stimulace při nějakém typu kognitivního úkolu.