1. Neurostimularea electrică transcraniană (Transcranial Electrical Stimulation – tES) cuprinde un set de tehnici care utilizează curenți electrici de intensitate foarte scăzută pentru a stimula neinvaziv unele zone corticale. Sunt metode cu un profil de siguranță bun, cu rezultate pozitive în augmentarea cognitivă[1], însă necesită cercetări aprofundate legate de eficienţa și riscurile pe termen lung. Unele metode au fost utilizate în practică medicală (anestezie, neuroreabilitare, ameliorarea stărilor depresive) și sunt bine documentate.
Din nefericire, utilizarea empirică a dus la o serie de observații necredibile și accidente minore, iar studiile clinice, în condiții strict controlate, pe indivizi sănătoși sunt de mică amploare. Rămâne o tehnică cu mare potențial pentru antrenarea personalului civil (sportivi, informaticieni, oameni de afaceri)[2] și militar (analiști, piloți, factori de decizie)[3], ușor de efectuat și relativ necostisitoare. Implicațiile asupra procesului de decizie nu sunt pe deplin înţelese [4].
2. Electrostimularea craniană transcutanată (Transcutaneous cranial electrical stimulation – TCES) este cea mai utilizată tehnică de electrostimulare transcraniană (curenții Limoges), fiind folosită clinic și experimental încă din anii ’60. A fost utilizată intraoperator (amplificarea analgeziei, electrosomn) sau pentru amplificarea efectului unor medicamente cu acțiune asupra SNC (în special analgezice).
Presupune administrarea unor secvențe variabile de curent electric (frecvenţe înalte urmate de pauză și frecvenţe joase) prin electrozii dispuși la nivelul scalpului. Modifică fluxul local de sânge la nivel cerebral, fără a afecta fluxul total. Efecte sinergice în utilizare sincronă cu acupunctură și electroacupunctură[5].
În ultimul deceniu prezintă tot mai mult interes și stimularea electrică transcraniană cerebeloasă[6], având în vedere dovezile care atribuie acestui organ nervos roluri dincolo de implicarea doar în funcția motorie.
3. Neurostimularea transcraniană utilizând curent continuu variabil (Current transcranial Pulsed Current Stimulation – tPCS) este o tehnică recentă destinată modulării neuroplasticității și neuroreabilitării. Efectul este produs prin modificarea excitabilității neuronale a potențialului de repaus a membranei neuronale, utilizând o combinație de efecte tonice și de fază[7].
Cel mai important efect observat este creșterea coerenţei activității electrice interemisferice, în special în lobii frontali și temporali, amplificând conectivitatea funcțională între diverse rețele neurale. Efectele cognitive sunt modeste și constau în creșterea capacității de rezolvare a calculelor și problemelor complexe de matematică, posibil și menținerea unui echilibru vag-simpatic în condiții de stres. Este bine tolerată, cu puține efecte adverse.
4. Neurostimularea electrică utilizând curent alternativ (Transcranial Alternating Current Stimulation – tACS) constă în aplicarea de electrozi la nivelul scalpului, deasupra zonei cerebrale care se dorește stimulată. Se utilizează un curent alternativ cu o frecvenţă asemănătoare celei care se dorește să fie indusă la nivelul zonei cerebrale țintă (alfa în zona prefrontală, beta la nivelul cortexului motor etc.). Efectul se datorează în special modulării potențialului membranar neuronal.
Prin această metodă se pot sincroniza sau desincroniza zone cerebrale, obținându-se efecte de stimulare sau de inhibiție corticală (obiectivate prin modificări EEG)[8]. Stimularea cu precizie a unor arii cerebrale (high-definition transcranial alternating current stimulation – HD-tACS) conectate funcțional, cu scopul de a intensifica gradul de sincronizare, a facilitat învățarea accelerată și scăderea numărului de erori la redare[9].
Metodele tACS pot fi utilizate pentru îmbunătățirea performanțelor motorii, a percepției, creșterea capacității de calcul, a memoriei declarative[10] etc. Tehnica este în curs de cercetare pentru tratamentul depresiei majore, bolii Parkinson, a distoniilor[11]. Aplicarea se realizează sub supraveghere medicală.
5. Neurostimularea electrică cu frecvenţă aleatorie (Transcranial Random Noise Stimulation – tRNS) este o tehnică de neuromodulare care utilizează un curent bidirecțional cu frecvenţă aleatorie. Scopul este de a induce modificări ale neuroplasticității de-a lungul mai multor sesiuni de antrenament. Rezultatele sunt încurajatoare, observându-se o creștere a capacității de a rezolva probleme și calcule matematice prin stimularea cortexului motor, occipital, prefrontal[12]. Aceste rezultate au fost reproduse atât la persoane tinere sănătoase (augmentare), cât și la copii cu dificultăți specifice de învățare la matematică (MLD), în condiții de siguranță și confort fizic și psihic[13]. Este de preferat ca aplicarea să se realizeze sub supraveghere medicală.
(Transcranial magnetic stimulation – TMS) sau magnetostimularea se realizează prin aplicarea în imediata apropiere a scalpului, care corespunde regiunii corticale țintă, a unei bobine electrice care produce un câmp magnetic variabil destinat stimulării focale, prin generarea unui curent de intensitate redusă.
Frecvența și numărul total de pulsuri variază în funcție de protocol, însă pot fi realizate mai multe ședințe în aceeași zi sau pe o perioadă îndelungată. Metoda este neinvazivă, relativ selectivă și este studiată atât ca modalitate de neuromodulare la indivizi sănătoși (creșterea performanței), cât și în cazul bolilor neurodegenerative, polineuropatiilor etc. De exemplu, în anul 2019 compania americană NeuroEM Therapeutics a anunțat finalizarea primelor studii cu dispozitivul mobil de stimulare magnetică transcraniană MemorEM™[14], destinat pacienților cu deficit cognitiv lejer și forme ușoare de boală Alzheimer. Stimularea electrică și sincronizarea activității electrice a diferitelor structuri cerebrale sunt principalele mecanisme invocate[15].
În ultimii ani au existat o serie de rapoarte încurajatoare privind utilizarea TMS pentru augmentare cognitivă (sunt vizate în special memoria, stimularea cortexului motor[16] sau procesarea vizuală[17]), fără a exista însă un studiu care să confirme aceste observații și niciun protocol larg acceptat. Efectele secundare pe timp îndelungat nu sunt încă bine studiate și înțelese, dar tehnica pare să fie foarte sigură. Stimularea magnetică poate fi asociată cu nootropice, tonuri biaurale, tehnici de relaxare, activitate fizică etc. Una din aplicațiile propuse este sincronizarea activității electrice cerebrale în cadrul unei echipe (ex. pilot-copilot, echipa ATAD).
Identificarea metodelor de evaluare a efectelor stimulării transcraniene în timp real ar contribui la creșterea gradului de siguranță în utilizare, diversificarea și precizia efectelor terapeutice, înțelegerea aprofundată a mecanismelor de acțiune și a efectelor secundare. Spectroscopia funcțională în infraroșu apropiat (Functional Near-Infrared Spectroscopy – fNIRS) este deja utilizată pentru monitorizarea activității cerebrale[18], este mobilă, neinvazivă, permite o evaluare cu precizie a gradului de saturație cu oxigen și a răspunsului vascular la nivelul scoarței cerebrale și a unor structuri nervoase mai profunde (max. până la 4 cm), nu este influențată de câmpul electromagnetic, este perfectibilă și se poate asocia cu alte metode de monitorizare, precum EEG și RMN funcțional[19].
Dintre dezavantajele TMS menționăm infrastructura voluminoasă, care nu o recomandă pentru aplicații mobile performante (totuși mai multe companii sunt implicate în dezvoltarea unor dispozitive mobile), costul crescut al unui aparat performant, o relativă lipsă de precizie (limitată la cca 1 cc de țesut cerebral), diferențe sensibile în stimularea structurilor corticale față de cele profunde și imposibilitatea de a stimula doar o regiune subcorticală cu precizie[20].
7. Stimularea transcraniană utilizând ultrasunete pulsate (Transcranial pulsed ultrasound – TPU) presupune realizarea unui transfer de energie între transductorul care emite ultrasunete (cu energie și frecvenţă joasă) plasat la nivelul scalpului și zona corticală care se dorește să fie stimulată (aria țintei poate fi de 1 cm2)[21].
Permite activarea unor căi neurale[22], interferă cu eliberarea neurotransmițătorilor în fanta sinaptică[23], stimulează producția de factori neurotrofici. DARPA a demarat un program de evaluare a conceptului și a potențialelor aplicații în zona militară (reducerea stresului și anxietății, efect antidepresiv moderat, îmbunătățirea capacității de concentrare, a atenției și învățării în condiții de stres combativ, reducerea incidenţei PTSD). Unele cercetări au în vedere creșterea capacității senzoriale și a discriminării între stimuli[24].
În anul 2018 a fost pentru prima dată utilizat un sistem TPS (transcranial pulse stimulation) dezvoltat de către prestigioasa companie Storz Medical, care împreuna cu sistemul NEUROLITH, a fost utilizat cu succes, în premieră, pentru tratamentul bolii Alzheimer. Efectul restaurativ, obținut prin stimularea cu mare precizie a unor zone cerebrale țintă, a fost confirmat prin intermediul unui studiu efectuat pe un număr de 35 de pacienți care au prezentat o îmbunătățire robustă a memoriei și la trei luni de la realizarea procedurii[25]. Procedura este neinvazivă, cu un grad ridicat de siguranță dar necesită o evaluare complexă și costisitoare.
Utilizarea metamaterialelor și a hiperlentilelor acustice va permite țintirea cu precizie a unor zone specifice din creier. Metoda are potențial pentru dezvoltarea unor interfețe creier-computer eficiente, sigure și ușor de utilizat
8. Stimularea transcraniană cu infraroșu sau laser (Transcranial low level light therapy – LLLT), denumită și fotobiomodulare, este utilizată cu scopul creșterii capacității de atenție, îmbunătățirii performanțelor mnezice, datorită efectului antidepresiv, neuroprotectiv, de reducere a neuroinflamației[26] etc.
Mecanismul de acțiune constă în utilizarea unor surse dispuse transcranian care emit pe lungimi de undă identice cu spectrul de absorbție al citocrom oxidazei (enzima mitocondrială), intensificând metabolismul local în zonele țintă (lobul prefrontal, occipital)[27].
Magnitudinea efectului este redus, însă avantajul constă în lipsa de invazivitate și a efectelor secundare nedorite, prețul relativ accesibil al terapiei și posibilități sinergiilor[28].
Este utilizată și în scop terapeutic în cazul veteranilor, recent existând un studiu experimental de ameliorare a simptomatologiei în cazul sindromului din Golf[29].
9. Antrenarea direcționată a neuroplasticității prin neurostimulare periferică (Targeted Neuroplasticity Training – TNT[30]) se realizează prin stimularea țintită a nervilor periferici (neurostimulare periferică) cu scopul de a activa ariile cerebrale responsabile de executarea unor sarcini precise (neuromodulare), pentru a facilita/accelera învățarea unor aptitudini noi și specializate într-un timp semnificativ mai scurt. Metoda urmărește stimularea neuroplasticității într-un mod neinvaziv, ca modalitate de a accelera procesul de învățare prin reorganizarea circuitelor neurale.
Se adresează analiștilor de intelligence, specialiștilor în limbi străine, criptografi, piloți, ofițeri operativi. Stimularea nervilor periferici în scop de neuroreabilitare se realizează de peste un secol, în prezent existând metode foarte diversificate și specifice[31]. În ultimul deceniu s-a reluat ideea stimulării nervului vag utilizând un implant (asemănător peacemakerului), pentru o serie de patologii (PTSD, depresii, distonii, autoimune etc.), dar și în cazul soldaților expuși unui stres combativ intens și prelungit.
O serie de „electroceutice” – metode bazate pe stimularea nervilor periferici sunt în dezvoltare pentru uz comercial, medical (ex. dispozitivul de neuromodulare Relivion[32]) și militar. Tehnica menționată este în studiu și dezvoltare de către DARPA[33].
[1] Santarnecchi E., Brem A.K., Levenbaum E., Thompson T., Kadosh R.C., Pascual-Leone A., Enhancing cognition using transcranial electrical stimulation. Curr. Opin. Behav. Sci. 4 (2015), 171–178. 10.1016.
[2] Sara Reardon, “Brain doping” may improve athletes’ performance. 11.03.2016, The Nature, vol. 531, Issue 7594, disponibil la https://www.nature.com/news/brain-doping-may-improve-athletes-performance-1.19534?WT.mc_id=SFB%20_NNEWS_1508_RHBox.
[3] Steven E. Davis, Glen A. Smith, Transcranial Direct Current Stimulation Use in Warfighting: Benefits, Risks, and Future Prospects. Front Hum Neurosci. 2019; vol. 13: 114, disponibil la https://www.ncbi.nlm .nih.gov/pmc/articles/PMC6499187/.
[4] Bestmann S., Berker O., Understanding the behavioural consequences of noninvasive brain stimulation. Trends in Cog. Sciences, 2015, (1), pp. 13–20, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed /25467129.
[5] Mignon A., Laudenbach V., Guischard F., Limoge A., Desmonts J.M., Mantz J., Transcutaneous cranial electrical stimulation (Limoge’s currents) decreases early buprenorphine analgesic requirements after abdominal surgery, Anesth Analg. 10. 1996, no. 83(4), pp. 771-775, disponibil la https://www.ncbi.nlm .nih.gov/pubmed/8831319.
[6] Syanah C. Wynn, Josi M.A. Driessen, Jeffrey C. Glennon, Inti A. Brazil, Dennis J. L. G. Schutter, Cerebellar Transcranial Direct Current Stimulation Improves Reactive Response Inhibition in Healthy Volunteers. The Cerebellum, 08.06.2019, pp 1–6, disponibil la https://link.springer.com/article/10.1007/ s12311-019-01047-z.
[7] Nitsche M., Cohen L., Wassermann E., et al., Transcranial direct current stimulation: state of the art. Brain Stimul. 1(2008), pp. 206–223, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20633386.
[8] Herrmann C.S., Rach S., Neuling T., Strüber D., Transcranial alternating current stimulation: A review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Frontiers in Human Neuroscience, 2013, p. 279, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3682121/.
[9] Robert Reinhart, Disruption and rescue of interareal theta phase coupling and adaptive behavior,PNAS, 24.10.2017, vol. 114 (43), pp.11542-11547, disponibil la https://www.pnas.org/content/114/43/11542.
[10] Vosskuhl J., Huster R.J., Increase in short-term memory capacity induced by down-regulating individual theta frequency via transcranial alternating current stimulation. Frontiers in Human Neuroscience, 2015, p. 257. doi:10.3389, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4424841/.
[11] Morgan L. Alexander, Sankaraleengam Alagapan, Courtney E. Lugo, Juliann M. Mellin, Caroline Lustenberger, David R. Rubinow, Flavio Fröhlich, Double-blind, randomized pilot clinical trial targeting alpha oscillations with transcranial alternating current stimulation (tACS) for the treatment of major depressive disorder (MDD).Translational Psychiatry, 2019; vol. 9 (1), disponibil la https://www.nature.com/articles/s41398-019-0439-0.
[12] Snowball A., Tachtsidis I., Popescu T., Thompson J., Delazer M., Zamarian L., et al., Long-term enhancement of brain function and cognition using cognitive training and brain stimulation. Curr. Biol. 23 (2013), pp. 987–992. 10.1016, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3675670/.
[13] Chung Yen Looi, Jenny Lim, Francesco Sella, Simon Lolliot, Mihaela Duta, Alexander Alexandrovich Avramenko, Roi Cohen Kadosh, Transcranial random noise stimulation and cognitive training to improve learning and cognition of the atypically developing brain: A pilot study. Scientific Reports, vol. 7, art. ar. 4633, 05.07.2017, disponibil la https://www.nature.com/articles/s41598-017-04649-x?fbclid=IwAR15tSqggwdBnxkL0KHFMEN6jd0hgJdABp1tNZlgxOhPNYjrS4RSMC-VVJc.
[14] https://neuroem.com/
[15] Di Lazzaro V., Ziemann U., State of the art: physiology of transcranial motor cortex stimulation. Brain Stimul. 1 (2008), pp. 345–362. 10.1016, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20633393.
[16] Vallence A. M., Goldsworthy M. R., Hodyl N. A., Semmler J. G., Pitcher J. B. Inter- and intra-subject variability of motor cortex plasticity following continuous theta-burst stimulation. Neuroscience 304 (2015), pp. 266–278. 10.1016, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26208843.
[17] Hilgetag C., Enhanced visual spațial attention ipsilateral to rTMS-induced “virtual lesions” of human parietal cortex. Nat Neurosci (2001) 4, pp. 953–957, disponibil la https://www.nature.com/neuro/journal/ v4/n9/full/nn0901-953.html.
[18] https://technology.nasa.gov/patent/LEW-TOPS-84
[19] Curtin A., Tong S., Sun J., Wang J., Onaral B., Ayaz H., A Systematic Review of Integrated Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) and Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) Studies. Front Neurosci. 28.02.2019, vol. 13:84, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6403189/.
[20] Caterina Cinel, Davide Valeriani, Riccardo Poli, Neurotechnologies for Human Cognitive Augmentation: Current State of the Art and Future Prospects. Front Hum Neurosci. 2019; 13: 13, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6365771/.
[21] Yoo S.S., Bystritsky A. et al., Focused ultrasound modulates region-specific brain activity. Neuroimage. 01.06. 2011, no. 56, vol. (3), pp. 1267–1275, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/ PMC3342684/.
[22] Tufail Y., Matyushov A., Baldwin N., Tauchmann M.L., Georges J. et al., Transcranial Pulsed Ultrasound Stimulates Intact Brain Circuits. Neuron. 2010 Jul 10, no. 66(5), pp. 681–694, disponibil la https://linkinghub .elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273(10)00376-4.
[23] Min B-K, Yang P.S., Bohlke M., Park S., Rvago D., Maher T.J., et al., Focused ultrasound modulates the level of cortical neurotransmitters: Potential as a new functional brain mapping technique. International Journal of Imaging Systems and Technology. 2011;21(2), pp. 232–240, disponibil la http://citeseerx. ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.893.9714&rep=rep1&type=pdf.
[24] Virginia Tech, Ultrasound directed to the human brain can boost sensory performance, 12.01.2014, Medical Express, disponibil la https://medicalxpress.com/news/2014-01-ultrasound-human-brain-boost-sensory.html#ajTabs.
[25] https://www.meduniwien.ac.at/web/en/about-us/news/detailsite/2020/news-im-jaenner-2020/alzheimers-new-ultrasound-technique-significantly-improves-brain-performance/.
[26] Barrett D.W., Gonzalez-Lima F., Transcranial infrared laser stimulation produces beneficial cognitive and emoțional effects in humans. Neuroscience 230 (2013), pp. 13–23, disponibil la https://www.researchgate.net/profile/F_Gonzalez-Lima/publication/23382701_Transcranial_infrared_ laser_stimulation_ produces.pdf.
[27] Chaleb Lakaby, Antal Anton, Neuroplastic effects of transcranial near-infrared stimulation on the motor cortex. Front Behav Neurosci. 2012; no. 9: p. 147, disponibil la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ articles/PMC4 451368.
[28] Hwang J., Cognitive enhancement by transcranial laser stimulation and acute aerobic exercise,Lasers Med Sci. 2016 Aug, no. 31(6), pp. 1151-60, disponibil la https://link.springer.com/article/10.10072Fs.
[29] Linda L. Chao, Improvements in Gulf War Illness Symptoms After Near-Infrared Transcranial and Intranasal Photobiomodulation: Two Case Reports. Military Medicine, 22.03.2019, usz037, disponibil la https://academic.oup.com/milmed/advance-article-abstract/doi/10.1093/milmed/usz037/5420736.
[30] TNT Researchers Set Out to Advance Pace and Effectiveness of Cognitive Skills Training, 26.04.2017, disponibil la https://www.darpa.mil/news-events/2017-04-26.
[31] Sinkjaer, D. Popovic, Peripheral Nerve Stimulation in Neurological Rehabilitation. Proceedings of the 1st International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering Capri island, Italy, 20-22.03.2003, disponibil la http://www.ece.uvic.ca/~bctill/papers/neurimp/Sinkjaer_Popovic_2003_01196864.pdf.
[32] https://www.neurolief.com/technology/
[33] Boosting Synaptic Plasticity to Accelerate Learning, 16.03.2016, disponibil la https://www.darpa.mil/ news-events/2016-03-16.
