tDCS电场的易变性：电极尺寸和配置的影响

Abstract

​ 经颅直流电刺激（tDCS）疗效的变化可能受到电场变化的影响，电场变化取决于实验参数和头部和大脑的个体解剖特征。最小化电场主体间差异的电极配置将有助于控制实验tDCS研究中的可变性。本研究调查了电极尺寸和配置对电场可变性的影响。使用了44名受试者的个体MRI模型和有限元方法。为四电极蒙太奇建模运动皮质tDCS。

Intro

​ tDCS的重要局限性在于其机制尚未完全理解，对TDC的反应存在很大的个体间差异。最近的计算研究表明，颅骨和大脑解剖结构的个体差异可能通过在每个大脑中产生不同的电场而导致这种可变性。在实验中，这些变化是有问题的，因为即使在其他相同的实验条件下，传递到每个人大脑的刺激也不同。电场的变化源于诸如大脑、脑脊液（CSF）和颅骨的个体解剖等因素，如果不进行耗时的计算机仿真，很难将这些因素考虑在内。

​ 因此，设计最小化电场中个体间变化的电极配置将是有益的。本研究的目的是检验是否可以通过改变电极尺寸或配置来减少tDCS电场的易变性。为了回答这个问题，我们使用基于MRI的单独构建的44名受试者的计算模型研究了电场的可变性。目标是初级运动皮层的手部运动区。

Results

​ 下图显示了三个示例性受试者的四个电极配置和计算的电场。如图所示，减小电极尺寸的效果是增加目标部位附近的电场，减少大脑其他部位的电场，从而增加刺激的聚焦性。与具有对侧参比电极的小电极相比，在环形结构中使用小电极可以降低电场。然而，环形结构有效地消除了非目标大脑区域的电场。值得注意的是，传统的大电极在正面区域产生相对较大的电场，并且在目标位置附近通常没有发现最大值。减小电极尺寸使最大值向目标位置移动。

​ 使用受试者间配准方法将单独计算的电场映射到MNI脑模板。下图显示了在所有44名受试者中计算的电场绝对值的平均值和相对标准差。电极尺寸越小，聚焦度越高的趋势越明显。然而，相对标准差数据表明了聚焦度增加的权衡：随着电极尺寸的减小，靶区电场的主体间可变性增加。可能的原因是电场对阳极附近的微小解剖差异更加敏感。环形结构对变化特别敏感，与具有大阳极的传统结构相比，目标区域附近的相对标准偏差增加了一倍。

Conclusions

​ 我们证实，可以使用较小的电极尺寸来提高tDCS电场的聚焦度。然而，这种改进的代价是电场中受试者之间的易变性增加。因此，减少电极尺寸似乎不是减少tDCS研究中观察到的易变性的有效策略。这对tDCS实验研究的规划具有重要意义。也就是说，如果是使用大电极，电场的易变性降低，但是由于电场的空间传播，电场在大脑的作用区域会难以确定。 相反，较小的电极可以聚焦刺激，但受试者之间的可变性变得更难控制。控制聚焦和可变性的有效但耗时的策略是使用小电极，并根据计算建模分别调整刺激电流和电极位置。