[논문 리뷰] How transcranial direct current stimulation facilitates post-stroke rehabilitation

Feng Qi, Xin Hong외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 15.

Transcranial Magnetic Stimulation Studies참고 문헌 49인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 뇌성마비 이후 운동 회복을 향상시키기 위해 경두개 정현전류 자극(tDCS)이 피질 흥분성과 신경가소성을 조절함으로써 기여한다는 것을 입증한다. 이중측 tDCS를 사용하여 연구자들은 손상된 영역, 특히 소뇌, 전운동피질 및 첫째 운동피질에서 뇌의 기능적-구조적 재편성과 함께 운동피질의 흥분성이 증가하고, 하행성 운동 경로의 전도가 향상된 것을 관찰하였다. 이는 GABA 수용체 재배열과 함께 증가한 사건 관련 탈조화(ERD) 및 회백질 구조의 안정성과 관련이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• tDCS가 뇌망원 재편성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• tDCS가 피질 흥분성과 연결성 변화를 통해 운동 회복을 향상시키는지 확인하기 위해.
• 뇌성마비 영향을 받은 영역에서 tDCS 유도 신경가소성의 신경생리학적 기전을 탐구하기 위해.
• GABAergic 조절이 tDCS 매개 기능적 회복에 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.
• fMRI와 신경생리학적 지표를 사용하여 진짜 tDCS와 위약 tDCS 간의 기능적 및 구조적 뇌 변화를 비교하기 위해.

제안 방법

• 19명의 뇌성마비 환자를 대상으로 이중맹검, 위약 대조군을 포함한 무작위 배정 이중맹검 임상 시험을 실시하여 재활 기간 동안 이중측 tDCS 또는 위약 자극을 제공하였다.
• tDCS 후 운동피질 흥분성 변화를 평가하기 위해 휴식 시 운동 임계값(RMT)을 측정하였다.
• 손상된 소뇌, 전운동피질 및 첫째 운동피질 간의 효과적 연결성 변화를 탐지하기 위해 그랑저 인과성 분석을 적용하였다.
• 장기적 기능적 MRI(fMRI)를 사용하여 시간에 따라 뇌 활동 및 펜브라 영역 회복 변화를 추적하였다.
• 뇌피질 흥분성과 신경세포 동기화 역학을 평가하기 위해 사건 관련 탈조화(ERD)를 정량화하였다.
• 극성 GABA 이론을 제안하였으며, 전기장에 의해 이중극성 GABA 분자가 재배열되어 GABA 수용체 활성이 조절됨을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 tDCS는 뇌성마비 환자에서 운동피질 흥분성과 하행성 운동 경로 전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 위약 자극과 비교하여 tDCS 투여 시 효과적 뇌 연결성에 어떤 변화가 발생하는가?
• RQ3 tDCS는 손상된 뇌 영역, 특히 펜브라에서 기능적 및 구조적 재편성을 유도하는가?
• RQ4 tDCS는 GABAergic 신경전달물질 전달을 어떻게 조절하여 신경가소성을 촉진하는가?
• RQ5 tDCS 매개 회복 과정에서 사건 관련 탈조화(ERD)와 회백질 구조의 안정성은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• tDCS는 뉴런 휴식 시 운동 임계값 감소를 통해 운동피질 흥분성이 유의미하게 증가함을 입증하였으며, 이는 손상된 첫째 운동피질에서 손의 근육으로 하행성 운동 전도가 향상됨을 의미한다.
• 그랑저 인과성 분석 결과, tDCS 투여군에서 손상된 소뇌, 전운동피질 및 첫째 운동피질 간에 새로운 기능적 연결성이 형성된 것으로 나타났으며, 이는 뇌 회로 재편성(재구성)을 시사한다.
• tDCS 투여군은 손상된 운동 영역에서 증가한 사건 관련 탈조화(ERD)를 보였으며, 이는 뇌피질 흥분성 향상과 신경세포 동기화 증가를 반영한다.
• tDCS 투여군에서만 손상된 영역에서 회백질 구조의 안정성이 향상되었으며, 이는 운동 경로의 구조적 재편성과 관련이 있다.
• 장기적 fMRI 분석 결과, tDCS 투여군에서만 펜브라 영역에서 회복 추세가 긍정적으로 관찰되었으며, 위약군에서는 그러한 경향을 보이지 않았다.
• 제안된 극성 GABA 이론은 전기장에 의해 이중극성 GABA 분자가 재배열되어 운동 흥분성이 감소하고, 이로 인해 뇌망원 재편성이 가능해지는 방식으로 tDCS 효과를 설명한다.