Deep Cerebellar Transcranial Direct Current Stimulation of the Dentate Nucleus to Facilitate Standing Balance in Chronic Stroke Survivors—A Pilot Study

Z, Rezaee; S, Kaura; D, Solanki; A, Dash; P, Srivastava MV; U, Lahiri; A, Dutta

Abstract:

Abstract: Objective: Cerebrovascular accidents are the second leading cause of death and the third leading cause of disability worldwide. We hypothesized that cerebellar transcranial direct current stimulation (tDCS) of the dentate nuclei and the lower-limb representations in the cerebellum can improve functional reach during standing balance in chronic (>6 months’ post-stroke) stroke survivors. Materials and Methods: Magnetic resonance imaging (MRI) based subject-specific electric field was computed across a convenience sample of 10 male chronic (>6 months) stroke survivors and one healthy MRI template to find an optimal bipolar bilateral tDCS montage to target dentate nuclei and lower-limb representations (lobules VII–IX). Then, in a repeated-measure crossover study on a subset of 5 stroke survivors, we compared 15 min of 2 mA tDCS based on the effects on successful functional reach (%) during standing balance task. Three-way ANOVA investigated the factors of interest– brain regions, montages, stroke participants, and their interactions. Results: “One-size-fits-all” bipolar tDCS montage for the clinical study was found to be PO9h–PO10h for dentate nuclei and Exx7–Exx8 for lobules VII–IX with the contralesional anode. PO9h–PO10h ctDCS performed significantly (alpha = 0.05) better in facilitating successful functional reach (%) when compared to Exx7–Exx8 tDCS. Furthermore, a linear relationship between successful functional reach (%) and electric field strength was found where PO9h–PO10h montage resulted in a significantly (alpha = 0.05) higher electric field strength when compared to Exx7–Exx8 montage for the same 2 mA current. Conclusion: We presented a rational neuroimaging based approach to optimize deep ctDCS of the dentate nuclei and lower limb representations in the cerebellum for post-stroke balance rehabilitation. However, this promising pilot study was limited by “one-size-fits-all” bipolar tDCS montage as well as a small sample size.

Patologie/Applicazioni:

• Stimolazione elettrica transcranica (TES)
• Stroke

Anno:

2020

Tipo di pubblicazione:

Articolo

Parola chiave:

stimolazione elettrica transcranica; Stroke; nucleo dentato; modello computazionale

Testata scientifica:

Brain sciences

Nota:

In questo studio pilota su 5 pazienti sopravvissuti a ictus, la tDCS dei nuclei dentati ha facilitato un maggiore raggiungimento degli obiettivi durante la FRT "functional reach tasks" rispetto alle manifestazioni bilaterali degli arti inferiori cerebrali tDCS. E' stato impiegato lo stimolatore elettrico transcranico STARSTIM 8 di Neuroelectrics. Il montaggio utilizzato è stato il bipolare a 2 elettrodi con tecnica di posizionamento dell'elettrodo semplice e sicura mediante la cuffia in neoprene serigrafata. Il montaggio bipolare "a taglia unica" per tutto gruppo di soggetti post-ictus studiati è in grado di colpire (per intensità del campo elettrico) i nuclei dentati bilaterali (per influenzare la funzione motoria e cognitiva) o può uniformemente (campo elettrico comparabile nelle direzioni X, Y, Z attraverso i lobuli VII-IX) colpire l'area del cervelletto deputata al controllo delle gambe. Pertanto, il primo passo è stato quello di eseguire la modellazione computazionale attraverso diversi montaggi tDCS bipolari disponibili e l'ottimizzazione della tDCS sulla base di un modello di risonanza magnetica media appropriato per l'età dai 55 ai 59 anni. Il campo elettrico (EF) è stato modellato per tDCS usando cinque diversi montaggi. L'impostazione sperimentale consisteva in una Wii Balance Board portatile (WiiBB), un PC desktop a fattore di forma ridotto con monitor per la piattaforma di allenamento per il bilanciamento basata sulla realtà virtuale VR oltre allo stimolatore wireless. I ricercatori, per ottimizzare la tDCS profonda dei nuclei dentati e le manifestazioni degli arti inferiori nel cervelletto per la riabilitazione post-ictus, si sono basati dunque sul neuroimaging. Tuttavia, questo promettente studio pilota è stato limitato da un montaggio tDCS bipolare uguale per ciascun paziente e da una piccola dimensione del campione.

DOI:

doi.org/10.3390/brainsci10020094