9. artikkeli

Teksti pohjautuu Kotilaisen ym. artikkeliin Heikkoon sähkövirtaan perustuvat aivojen stimulaatiomenetelmät - tulevaisuuden kliinikon työkalu? (2016)

Stimulaatiomenetelmien historiaa

• Ensimmäiset kirjalliset kuvaukset 43-48 jaa.
• päänsäryn lievittäminen sähköankeriaan avulla (Largus)
• Vuonna 1804 tutkittiin sähkövirran vaikutusta melankolian hoitoon (Aldini)
• myös lukuisia muita kliinisiä tutkimuksia
• 1930-luvulla keksittiin sähköhoito, stimulaatiomenetelmien tutkimus jäi syrjään
• 1960-luvulla kliinisiä tutkimuksia mm. masennuksen ja skitsofrenian hoidossa
• 1970-luvulla stimulaatiomenetelmien tutkimus jäi taas syrjään kenties lääkehoidon kehittymisen myötä
• 2000-luvun vaihteessa nykymuotoiset uudet tutkimukset stimulaatiomenetelmistä (Paulus, Prior, Nitschen)

Aivostimulaation vaikutusten mittaaminen

Näkemykset stimulaation vaikutuksista pohjautuvat pitkälti TMS-menetelmällä (transcranial magnetic stimulation) tehtyihin motoristen herätevasteiden ja solutason mittauksiin. Puutteena on kuitenkin se, ettei menetelmä tavoita muita kuin liikeaivokuoren vasteita. Keskushermostollisia vaikutuksia on lisäksi tutkittu aivosähkökäyrämittausten ja lähi-infrapunaspektroskopian (NIRS) avulla. Verenkierrollisia ja metabolisia vaikutuksia on mitattu fMRI:n veren happitasosta riippuvaista BOLD-kontrastikuvantamista hyödyntäen, jonka avulla on osoitettu aivojen tasavirtastimulaation voivan muokata esimerkiksi aivojen lepotilan kytkennällisyyttä.


TMS

Heikkoon sähkövirtaan perustuvat stimulaatiomenetelmät

tDCS. Käytetyin, yksinkertaisin ja vanhin menetelmä on aivojen tasavirtastimulaatio eli tDCS (transcranial direct current stimulation). Menetelmä hyödyntää tasavirtaa, ja sen vaikutusmekanismien on tulkittu toimivan seuraavan periaatteen mukaisesti: positiivinen navan elektrodi eli anodi laskee aivokuoren hermosolujen ärsytyskynnystä (eli toimii eksitatorisesti) ja negatiivisen navan elektrodi eli katodi nostaa aivokuoren hermosolujen ärsytyskynnystä (eli toimii inhibitorisesti). Kun ärsytyskynnys laskee, aktiopotentiaali laukeaa herkemmin, jolloin hermosolun toiminta kiihtyy, ja vastaavasti ärsytyskynnyksen noustessa aktiopotentiaalin laukeaminen vähenee ja hermosolun toiminta heikentyy.

Stimulaatiossa käytetään noin 1-2mA:n virtaa 20 minuutin jaksoissa. tDCS aiheuttaa noin 1-2 tunnin mittaiset jälkivaikutukset. Hoidon on ajateltu vaikuttavan aivokuoren herkkyyteen reagoida saapuvaan informaatioon, ja toisaalta sillä on ajateltu olevan vaikutusta gliasolujen toimintaan. Lisäksi spekulaatioita on esitetty aivojen plastisuuden tilapäistä lisääntymistä koskien, mutta tutkimuksissa tätä ei olla vielä varsinaisesti todettu.

HD-tDCS. Tasavirtastimulaatiosta on kehitelty stimulaation tarkkuutta lisäävä HD-menetelmä, jonka avulla on pyritty vähentämään virran leviämistä elektrodin alapuolisen alueen ulkopuolelle. Menetelmä on mahdollistanut myös tarkemmin määriteltyjen alueiden stimulaation. HD-tDCS-menetelmässä käytetään yhtä anodia joka ympäröidään neljällä katodilla.

tACS. Vaihtovirtastimulaatiossa eli tACS:ssa (transcranial alternating current stimulation) kumpikin elektrodeista on vuorollaan anodi ja katodi. Vaihtuvan virran avulla voidaan vahvistaa aivokuoren sisäsyntyistä sähköistä aktiviteettia, sillä stimulaatio lisää alfa-aivosähkökäyrätaajuuden vahvuutta myös 30 minuutiksi stimulaation jälkeen. Menetelmän avulla on voitu tutkia spesifien aivosähkökäyrärytmien ja kognitiivisten sekä motoristen toimintojen välisiä yhteyksiä. Stimulaatiota voidaan antaa sinusoidaalisesti tai suorakulmaisesti.

tRNS. Aivojen kohinavirtastimulaatiossa eli tRNS:ssa (transcranial random noise stimulation) sekä virran suunta että voimakkuus vaihtelevat. Tällä on pyritty estämään aivojen ja hermoston adaptaatiota tasaiseen virtaan. Matalataajuisessa stimulaatiossa virran taajuutena käytetään 0,1-100 Hz, kun taas korkeataajuisessa stimulaatiossa virran taajuus vaihtelee välillä 101-640 Hz. Korkeataajuisen stimulaation on todettu olevan luonteeltaan eksitatorista (vrt. anodaalinen tasavirtastimulaatio).

Lisäksi aivojen ei-kajoavista stimulaatioista trigeminushermon stimulaation on todettu voivan vaikuttaa masennuksen ja epilepsian hoidossa. Kyseisessä stimulaatiossa elektrodit asetetaan jonkin trigeminushaarakkeen, esimerkiksi supraorbitaalisen hermon, alueelle ja annetun virran taajuutena käytetään 120 Hz. Stimulaation on arveltu vaikuttavan limbiseen järjestelmään aivorungon bottom up -mekanismin kautta, johon tutustuttiinkin jo tässä tekstissä. Lisäksi vagushermon ei-kajoavan stimulaation on ehdotettu olevan käyttökelpoinen niin ikään masennuksen ja epilepsian hoidossa.

Sähkövirtastimulaatioiden sovellusalueet

Tutkimukset vapaa-ehtoisilla terveillä henkilöillä:

DLPFC:lle eli dorsolateraaliselle prefrontaalikorteksille suunnatun tasavirtastimulaation on todettu parantavan työmuistia ja tehostavan erilaisten motoristen tehtävien oppimista tilapäisesti. Harjoitukseen yhdistetty DLPFC:lle suunnattu tRNS puolestaan on auttanut erilaisten aritmeettisten tehtävien oppimisessa ja vaikutusten havaittiin säilyvän kuusi kuukautta. Oikealle etuaivokuorelle suunnattu katodaalinen tDCS lisäsi koehenkilöiden kykyä säädellä tunnekokemuksiaan. Lisäksi tDCS:n on arveltu moduloivan epäsuorasti myös syvempien aivoalueiden, kuten ventraalisen tegmentumin, toimintaa. Tasavirtastimulaation on kuitenkin todettu heikentävän älyllisen suorituksen muita osa-alueita paitsi sitä, mitä stimulaatiolla on lähdetty tehostamaan.

Tutkimukset psykiatrisilla potilailla

Masennuksen hoidossa tasavirtastimulaatiossa käytettävä anodi asetetaan vasemmalle DLPFC:lle ja katodi oikealle DLPFC:lle. tDCS:n efektiokoko on erään meta-analyysin mukaan 0.30, joka on hieman masennuslääkkeille raportoitua efektiokokoa pienempi. Eräässä 120 potilaan satunnaistetussa ja kontrolloidussa tutkimuksessa kuitenkin havaittiin stimulaatiohoidon ja lääkehoidon olevan yhtä vaikuttavia hoitomuotoja, ja että yhdistetty sertraliini-tDCS-hoito on tehokkaampaa kuin kumpikaan hoito yksinään. Masennus on stimulaatiomenetelmien tutkituin psykiatrinen käyttöaihe.

Tasavirtastimulaation vaikutuksesta skitsofrenian postiviisten ja negatiivisten oireiden hoidossa on alustavaa näyttöä useista pienistä sokkouttamattomista tutkimuksista. Hoidossa anodi asetetaan vasemman DLPFC:n päälle ja katodi vasemman temporoparietaalialueen päälle. Stimulaatiolla näyttäisi olevan vaikutusta myös skitsofreniapotilaiden kognitioon.

Tutkimukset neurologisilla potilailla

AVH-potilailla leesion vastakkaisella aivoalueella on havaittu hyperaktiivisuuta, jota voidaan stimuloida lateralisoivalla tDCS:lla. Lisäksi AVH-potilaiden dysfagisia ja afasia-oireita on tutkimuksissa pyritty lievittämään tasavirtastimulaatiolla.

Yhden tasavirtastimulaatiojakson jälkeen havaittiin kohentumista AT-potilaiden visuaalisessa muistissa ja kyvyssä tunnistaa sanoja. Viiden hoitokerran jälkeen jälkivaikutukset kestivät neljä viikkoa. Lisäksi tasavirtastimulaatiota on käytetty diabeettisen neuropaattisen kivun ja fibromyalgian hoitoon alustavasti positiivisin tuloksin. Motoriselle aivokuorelle kohdennettu tDCS aktivoi keskushermoston omaa opioidijärjestelmää vasemmalla etuaivokuorella.

Stimulaatiomenetelmien rajoitukset ja tutkimus

Sokkouttaminen on tärkeää toteuttaa onnistuneesti, sillä stimulaatioon liittyy tyypillisesti vahva lumevaikutus. Kokemattomilla koehenkilöillä sekä aiemmin stimulaatiota saaneilla koehenkilöillä sokkoutukseksi riittää noin 15-30 sekunnin mittainen stimulaatio, jos käytetään 1mA:n virtaa. Lisäksi sokkouttamisen onnistumisen kontrollointi tulee varmistaa kyselylomakkein.

Sähkövirta leviää herkästi elektrodin alapuolisten alueiden ulkopuolellekin pehmytkudoksen ja aivo-selkäydinnesteen hyvän sähkönjohtavuuden takia. Tätä voidaan hallita HD-tDCS:lla tai aivojen tietokonemallinnuksella ja magneettikuvantamisella.

Stimulaation vaikutusta muokkaavat myös lukuisat muut tekijät, kuten lääkevalmisteet. Esimerkiksi karbamatsepiini ja flunaritsiini estävät tasavirtastimulaation jälkivaikutukset kokonaan. D-sykloseriini ja amfetamiini puolestaan pidentävät stimulaation eksitatoriset vaikutukset yli 20-kertaisiksi. Lisäksi sertraliinin on havaittu muuttavan katodaalisen inhibition eksitatoriseksi ja pidentävän jälkivaikutukset 24 tunnin mittaisiksi. Stimulaation vaikutuksia moduloivat myös esimerkiksi yksilöllinen anatomia, ikä ja perimä.

Kuvat: http://www.sciencemag.org/sites/default/files/styles/article_main_large/public/images/sn-handednessREV.jpg?itok=qCzi7XjO  https://c.o0bg.com/rf/image_960w/Boston/2011-2020/2016/03/15/BostonGlobe.com/Lifestyle/Images/160314_KDB_TMS_THERAPY_006.jpg