Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تحریک الکتریکی غیرتهاجمی عمقی قشر حرکتی اولیه‌ی مغز رت به روش تداخل زمانی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده
تحریک الکتریکی عمقی مغز روشی است که به کمک آن می‌توان نواحی عمقی مغز را تحریک کرد و به دو صورت تهاجمی و غیرتهاجمی انجام می‌شود. در تحریک عمقی مغز با رویکرد تهاجمی، برای دست‌یابی به عمق مورد نظر تحریک، الکترودها توسط عمل جراحی در داخل مغز کاشته می‌شود. از شایع‌ترین عوارض این روش می‌توان به خون‌ریزی داخل جمجمه اشاره کرد. یکی از تکنیک‌های جای‌گزین، استفاده از تحریک عمقی مغز با رویکرد غیرتهاجمی به روش تداخل زمانی است. در تحریک تداخل زمانی، تداخل سازنده‌ی دو میدان الکتریکی ایجاد شده توسط دو جریان سینوسی فرکانس بالا، باعث تقویت شدن تحریک در عمق مشخصی از مغز می‌شود. هدف این پژوهش بررسی و تحلیل کیفی و کمی­ اثر تحریک تداخل زمانی روی قشر حرکتی اولیه‌ی مغز رت است. بدین منظور از یک دستگاه تحریک کننده‌ی 4 کاناله استفاده شده است. نحوه‌ی انجام آزمایش به این صورت بوده که پس از بی‌هوشی رت با ماده‌ی اورتان، تحریک به صورت فراجمجمه­ای توسط پیچ اتصال الکترود که روی جمجمه قرار گرفته اعمال شده و نتایج آن به صورت کیفی و کمی در حوزه‌ی زمان، فرکانس و مکان ارزیابی شده است. برای کمی‌سازی نتایج از یک سنسور شتاب­سنج سه محوره برای ثبت حرکات دست راست استفاده شده است. نتایج نشان داده که به ازای تغییر در پارامترهای تحریک (شدت جریان تحریک، اختلاف فرکانس و نسبت جریان‌های دو الکترود) ناحیه‌ی تحریک در داخل دو نیم‌کره‌ی مغز و به دنبال آن دامنه‌ی حرکت ایجاد شده در دست راست تغییر کرده است. هم‌چنین ارتباط میان اختلاف فرکانس تحریک زوج الکترود با دامنه‌ی حرکت ایجاد شده در دست راست با استفاده از یک رگرسور چندجمله‌ای مرتبه‌ی 3 مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.   

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Non-Invasive Deep Electrical Stimulation of the Primary Motor Cortex of the Rat by Temporal Interference Method

نویسندگان English

Zohre Mojiri 1
Amir Akhavan 2
Ehsan Rouhani 2
1 M.Sc. Student, Biomedical Engineering Department, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
2 Assistant Professor, Biomedical Engineering Department, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده English

Deep brain stimulation (DBS) is a technique to stimulate the deep areas of the brain which can be used in both invasive and non-invasive methods. In invasive DBS, the electrodes are surgically implanted inside the brain to achieve the desired depth of the stimulation. The invasive DBS approach suffers from intracranial bleeding. One solution is using non-invasive DBS by temporal interference (TI) method. In TI stimulation, the constructive interference of two electric fields generated by two high-frequency sinusoidal currents increases the stimulation intensity at a certain depth. The objective of this paper is to investigate quantitatively as well as qualitative analysis of TI stimulation effect on the activation of primary motor cortex area of the rat. To this end, a 4-channel stimulator is used. The experiment is conducted on one anesthetized rat. The transcranial stimulation is applied by the electrode fixed on the skull with screw and the results are evaluated qualitatively and the quantitatively in the domains of time, frequency, and space. To quantify the results, a three-axis accelerometer sensor is used to record the movement acceleration of the right hand. The results showed that, the variation of the stimulation parameters (stimulation current intensity, frequency difference and ratio of currents of the two electrodes) changed the stimulation area inside the two hemispheres of the brain and movement range of the right hand. Moreover, the relationship between the difference frequency of the stimulation of the two pairs of electrodes and the range of motion was analyzed using a three-order polynomial regression model.

کلیدواژه‌ها English

Deep Brain Stimulation
Temporal Interference
Non-Invasive
Rat Primary Motor Cortex
  1. H. Moffa et al., "Efficacy and acceptability of transcranial direct current stimulation (tDCS) for major depressive disorder: an individual patient data meta-analysis," Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry, vol. 99, p. 109836, 2020.
  2. Luo et al., "Deep brain stimulation for Alzheimer's disease: stimulation parameters and potential mechanisms of action," Frontiers in Aging Neuroscience, vol. 13, p. 619543, 2021.
  3. Lin, C. Zhang, D. Li, and B. Sun, "Lateralized effects of deep brain stimulation in Parkinson’s disease: evidence and controversies," npj Parkinson's Disease, vol. 7, no. 1, pp. 1-8, 2021.
  4. Kallupi et al., "Deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell attenuates cocaine withdrawal but increases cocaine self-administration, cocaine-induced locomotor activity, and GluR1/GluA1 in the central nucleus of the amygdala in male cocaine-dependent rats," Brain Stimulation, vol. 15, no. 1, pp. 13-22, 2022.
  5. Reed and R. Cohen Kadosh, "Transcranial electrical stimulation (tES) mechanisms and its effects on cortical excitability and connectivity," Journal of inherited metabolic disease, vol. 41, no. 6, pp. 1123-1130, 2018.
  6. K. Krauss et al., "Technology of deep brain stimulation: current status and future directions," Nature Reviews Neurology, vol. 17, no. 2, pp. 75-87, 2021.
  7. Grossman et al., "Noninvasive deep brain stimulation via temporally interfering electric fields," cell, vol. 169, no. 6, pp. 1029-1041. e16, 2017.
  8. S. Santos et al., "Bimodal transcranial direct current stimulation reduces alcohol consumption and induces long-term neurochemical changes in rats with neuropathic pain," Neuroscience Letters, vol. 759, p. 136014, 2021.
  9. G. Regner et al., "Preclinical to clinical translation of studies of transcranial direct-current stimulation in the treatment of epilepsy: a systematic review," Frontiers in neuroscience, vol. 12, p. 189, 2018.
  10. Wang, S. Xiao, C. Yu, J. Zhou, and W. Fu, "Effects of transcranial direct current stimulation combined with physical training on the excitability of the motor cortex, physical performance, and motor learning: a systematic review," Frontiers in Neuroscience, vol. 15, p. 648354, 2021.
  11. Pol, M. A. Salehinejad, H. Baharlouei, and M. A. Nitsche, "The effects of transcranial direct current stimulation on gait in patients with Parkinson’s disease: a systematic review," Translational neurodegeneration, vol. 10, no. 1, pp. 1-19, 2021.
  12. Khodashenas, G. Baghdadi, and F. Towhidkhah, "A modified Hodgkin–Huxley model to show the effect of motor cortex stimulation on the trigeminal neuralgia network," The Journal of Mathematical Neuroscience, vol. 9, no. 1, pp. 1-23, 2019.
  13. M. Moeini, S. S. Sadr, and E. Riahi, "Deep Brain Stimulation of the Lateral Hypothalamus Facilitates Extinction and Prevents Reinstatement of Morphine Place Preference in Rats," Neuromodulation: Technology at the Neural Interface, vol. 24, no. 2, pp. 240-247, 2021.
  14. R. Sullivan, S. Olsen, and A. S. Widge, "Deep brain stimulation for psychiatric disorders: From focal brain targets to cognitive networks," Neuroimage, vol. 225, p. 117515, 2021.
  15. A. Johnson, J. Wang, S. D. Nebeck, J. Zhang, M. D. Johnson, and J. L. Vitek, "Direct activation of primary motor cortex during subthalamic but not pallidal deep brain stimulation," Journal of Neuroscience, vol. 40, no. 10, pp. 2166-2177, 2020.
  16. L. Lachenmayer et al., "Subthalamic and pallidal deep brain stimulation for Parkinson’s disease—meta-analysis of outcomes," NPJ Parkinson's disease, vol. 7, no. 1, pp. 1-10, 2021.
  17. Nahvi and F. Bahrami, "Which one is more effective in Parkinson's disease? Stimulating the motor cortex or the basal ganglia?," in 2010 17th Iranian Conference of Biomedical Engineering (ICBME), 2010: IEEE, pp. 1-4.
  18. Grossman, M. S. Okun, and E. S. Boyden, "Translating temporal interference brain stimulation to treat neurological and psychiatric conditions," JAMA neurology, vol. 75, no. 11, pp. 1307-1308, 2018.
  19. Gomez-Tames, A. Asai, and A. Hirata, "Multiscale computational model reveals nerve response in a mouse model for temporal interference brain stimulation," Frontiers in Neuroscience, vol. 15, p. 684465, 2021.
  20. Missey et al., "Orientation of temporal interference for non-invasive deep brain stimulation in epilepsy," Frontiers in neuroscience, vol. 15, p. 656, 2021.
  21. Ma et al., "High Gamma and Beta Temporal Interference Stimulation in the Human Motor Cortex Improves Motor Functions," Frontiers in neuroscience, vol. 15, 2021.
دوره 16، شماره 3
پاییز 1401
صفحه 245-256

  • تاریخ دریافت 30 شهریور 1401
  • تاریخ بازنگری 16 آبان 1401
  • تاریخ پذیرش 21 آبان 1401