[論文レビュー] How transcranial direct current stimulation facilitates post-stroke rehabilitation

Feng Qi, Xin Hong+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2019

Transcranial Magnetic Stimulation Studies参考文献 49被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、tDCSが皮質の興奮性を調節し神経可塑性を促進することで、脳卒中後の運動機能回復を向上させることを示している。バイヘミスフィアックtDCSを用いて、研究者たちは、運動皮質の興奮性が上昇し、下行性運動路の伝導が向上し、特に小脳、前運動皮質、一次運動皮質における病変部の構造的・機能的再編が観察された。これはGABA受容体の再配置と、増加したイベント関連脱同期化（ERD）および白質の整合性に起因する運動機能の改善と関連している。

ABSTRACT

Whether transcranial direct current stimulation (tDCS) benefits stroke rehabilitation remains unclear. To investigate how tDCS reorganizes brain circuitry, nineteen post-stroke patients underwent rehabilitation sessions with bi-hemispheric real vs sham tDCS intervention. Resting motor threshold measurements showed tDCS evoked higher excitability in the motor cortex that enhanced the descending conduction from the lesioned primary motor cortex to the target hand muscle. Granger causality analysis further revealed brain circuitry rewiring among the lesioned cerebellum, premotor, and primary motor cortex in the tDCS group compared to the sham owing to the newly formed connections close to the anodal electrode. Rebuilding of these critical pathways was clear via the increase of event related desynchronisation (ERD) and white matter integrity in the same lesioned region. Furthermore, only the tDCS group demonstrated a positive recovery trend in the penumbra regions by the longitudinal functional magnetic resonance imaging (fMRI) analysis. To interpret tDCS mechanism, we introduce a polarized gamma-aminobutyric acid (GABA) theory, where GABAA receptor activity depends on the orientation of dipolar GABA that can be manipulated by tDCS field. Results suggest that tDCS intervention lowers motor excitability via re-orienting GABA, leading to reorganization of the lesioned cortical network, and the motor descending pathway, finally the recovery of motor function.

研究の動機と目的

• tDCSが脳卒中患者における脳ネットワーク再編に与える影響を調査すること。
• tDCSが皮質の興奮性と結合性を変化させることで運動機能回復を促進するかどうかを特定すること。
• tDCS誘発性神経可塑性の背後にある神経生理学的メカニズムを、脳卒中影響を受けた脳領域において探求すること。
• GABA作動性調節がtDCS媒介の機能的回復に果たす役割を評価すること。
• fMRIおよび神経生理学的指標を用いて、実際のtDCSとシャムtDCSの間で、機能的および構造的脳変化を比較すること。

提案手法

• 19名の脳卒中後患者を対象に、ランダム化、二重盲検、シャム対照試験を実施し、リハビリテーション中にバイヘミスフィアックtDCSまたはシャム刺激を施行した。
• tDCS投与後の運動皮質の興奮性変化を評価するため、安静時運動閾値（RMT）を測定した。
• 病変部の小脳、前運動皮質、一次運動皮質間の有効結合性の変化を検出するために、グランジャ因果性解析を適用した。
• 縦断的機能的MRI（fMRI）を用いて、時間経過に伴う脳活動およびペヌンブレ領域の回復を追跡した。
• イベント関連脱同期化（ERD）を定量することで、皮質の興奮性および神経同期性ダイナミクスを評価した。
• 偏極GABA理論を提唱し、電場によって双極性GABA分子が再配置されることで、GABA受容体の活動が変化し、運動の興奮性が低下し、皮質ネットワークの再編が可能になると示唆した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 tDCSは、脳卒中後患者における運動皮質の興奮性および下行性運動路伝導にどのように影響を与えるか？
• RQ2 シャム刺激と比較して、tDCS投与後に有効な脳結合性にどのような変化が生じるか？
• RQ3 tDCSは、特にペヌンブレ領域において、構造的および機能的再編を促進するか？
• RQ4 tDCSは、神経可塑性を促進するために、GABA作動性神経伝達にどのように影響を与えるか？
• RQ5 イベント関連脱同期化（ERD）および白質の整合性は、tDCS媒介の回復に果たす役割は何か？

主な発見

• tDCSは、安静時運動閾値の低下により、運動皮質の興奮性が顕著に上昇した。これは、病変部の一次運動皮質から手部筋への下行性運動伝導が強化されたことを示している。
• グランジャ因果性解析により、tDCS群に特有に、病変部の小脳、前運動皮質、一次運動皮質間の新たな機能的結合が確認され、脳回路の再編が生じたと示された。
• tDCS群では、病変部の運動領域におけるイベント関連脱同期化（ERD）が増加しており、皮質の興奮性および神経同期性の向上を反映している。
• 白質の整合性は、tDCS群でのみ病変部で改善しており、運動路の構造的再編が生じたと示唆された。
• 縦断的fMRI解析により、ペヌンブレ領域の回復傾向がtDCS群に特異的に観察され、シャム群では観察されなかった。
• 提唱された偏極GABA理論は、電場によって双極性GABA分子が再配置されることで、運動の興奮性が低下し、皮質ネットワークの再編が可能になると説明している。