Multi-channel Intersectional Short Pulse Stimulation for a Focal Stimulation of Deep Brain Structures

Abstract

Recently, intersectional short pulse stimulation (ISPS) was proposed as a novel technique to focally stimulate a target in deep brain structures by rapidly switching the injection current using multiple electrode pairs so that sufficient electric field for eliciting neural spiking can be delivered to the target. However, electrode pairs on the scalp appear to be positioned in similar locations, which may lead to strong unwanted stimulation of cortical regions. To address this issue, we suggested multi-channel ISPS as a new stimulation approach, in which multiple current patterns obtained from 61 channels were sequentially injected instead of using electrode pairs to improve the efficacy of the ISPS. Finite element analysis with a realistic head model was used to calculate the electric fields of the brain, followed by the optimization procedure for investigating the optimal current patterns. Then, we investigated the feasibility of multi-channel ISPS for three different deep brain structures including the hippocampus, thalamus, and subthalamic nucleus and compared the effectiveness with the conventional approaches. Our results demonstrated that multi-channel ISPS could focally stimulate the target located in deep brain structures while minimizing the stimulation of undesired cortical regions compared to either conventional ISPS or multi-channel tDCS. Additionally, we showed that the extent of undesired stimulation over the cortex varies depending on the number of used current patterns for each target. Our findings suggest that multi-channel ISPS is expected to be used to improve the efficacy of noninvasive deep brain stimulation technology. |최근 비침습적인 방법으로 뇌심부를 자극하는 새로운 기술들이 선보이고 있다. 그 중 하나인 교차 단펄스 전기 자극법(intersectional short pulse stimulation; ISPS)은 뇌심부에 위치한 뉴런의 neural spiking을 유도하는 방법이다. ISPS에서는 여러 개의 독립적인 전극 쌍으로부터의 전류를 마이크로 초 단위의 펄스로 빠른 시간 내 순차적으로 주입을 하며, 이 기술의 메커니즘은 뉴런 막의 time constant (5-20ms) 내에서는 연속 자극에 의한 전계가 누적됨을 이용하여, 각 전극 쌍으로부터 생성된 연속적인 전계를 시간적으로 통합하여 뇌심부 영역에서 suprathreshold(사람에서는 1 V/m) 보다 강한 전계를 발생시키는 것이다. 기존 논문에서는 동물 실험을 통해 ISPS의 효과를 검증하였다. 그러나, 사람의 복잡한 해부학적 구조와 전기 전도도의 비등방성으로 인해 해당 기술을 적용하더라도 뇌심부를 선택적으로 자극하는 데 어려움이 있을 수 있다. 또한, 이전 ISPS 연구에서 사용된 여러 전극쌍들의 위치는 크게 다르지 않았으며, 이는 결국 두피에도 강한 자극을 유도할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 새로운 방법인 다중 채널 ISPS를 제안하였다. 이 방법은 전극 쌍 대신 61개의 전극으로부터 최적화된 전류 패턴을 사용하여, 기존 방법보다 더 집중적으로 뇌심부 목표 부위를 자극하는 방법이다. 본 연구에서는 개인의 MRI를 기반으로 3차원 유한요소 머리 모델을 제작하고 61개의 전극을 두피에 부착한 후, 유한요소법을 이용하여 머리 내부의 전계를 계산하였다. ROI는 3개의 다른 뇌심부 영역인 우측 해마의 전방 영역, 우측 시상의 전방 영역, 그리고 우측 시상하핵의 상부 영역의 표면점으로 설정하였다. 최적화를 통해 다채널 ISPS의 여러 전류 패턴을 순차적으로 계산했으며, 시뮬레이션을 통해서 해당 기술이 피질의 자극을 피하면서 선택적으로 뇌심부 타깃을 자극하는 것을 확인했다. 본 연구가 제시한 다중 채널 ISPS는 기존 ISPS 및 다중 채널 경두개직류자극법(transcranial direct current stimulation; tDCS) 방법과 비교하였을 때, 모든 ROI에 대하여 상대적으로 더 적은 피질 영역을 자극하면서 뇌심부에 위치한 ROI 영역을 집중적으로 자극할 수 있음을 확인하였다. 또한, ROI 위치에 따라, ISPS에 적용할 전류 패턴의 수의 최적 범위가 다르게 나타남을 보였다. 후속 연구를 통해 한계점을 개선하고 실제 사람 실험으로 ISPS 효과를 확인한다면, 본 연구에서 제안한 다중 채널 ISPS가 훗날 비침습적인 뇌심부 자극 기술의 효율성을 향상시킬 수 있을 거라 기대한다.