Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/16090
Título: Efeito da estimulação transcraniana com corrente DC na excitabilidade cortical: estudo experimental e simulações numéricas
Autor: Carvalho, Carolina da Cunha
Orientador: Miranda, Pedro Cavaleiro, 1959-
Carvalho, Mamede de, 1958-
Palavras-chave: Engenharia biomédica e biofísica
Engenharia clínica
Instrumentação médica
Teses de mestrado - 2014
Data de Defesa: 2014
Resumo: O estudo e desenvolvimento de métodos de estimulação neuronal não invasivos constitui uma área de crescente interesse no âmbito das neurociências. A TMS consiste num método de estimulação cerebral baseado na indução electromagnética. Através de uma bobina colocada sobre a região a estimular, são produzidas correntes eléctricas no interior do crânio que provocam a modificação do potencial membranar dos neurónios. A TMS repetitiva, uma das variantes da técnica mencionada, permite recorrer à neuromodulação para tratamento de pacientes que sofrem de depressão. A tDCS, uma outra técnica de neuroestimulação não invasiva, recorre à utilização de correntes de baixa intensidade para modificação da excitabilidade cortical. Esta técnica, apesar de ser conhecida desde a década de 60, tem sido alvo de maior interesse científico apenas a partir do ano de 2000, altura em que foi demonstrado que, dependendo da polaridade aplicada, a tDCS provoca uma alteração da excitabilidade cortical. De um modo geral, os dois modos de polarização, a tDCS anódica ou catódica, conduzem a um aumento ou inibição da excitabilidade dos neurónios pertencentes ao córtex cerebral, respectivamente. A tendência do aumento ou inibição da excitabilidade cortical é constatada após aplicação prolongada da estimulação eléctrica (10 a 20 minutos), originando efeitos pós-estimulação, os after effects. O principal objectivo do projecto residiu numa fase experimental baseada nos resultados publicados em 2000 pelo grupo de investigação de Nitsche. No artigo, numa amostra populacional de 12 candidatos de idades médias de aproximadamente 25 anos (24.9 ±4.0,3.7→ 𝑎𝑛𝑜𝑠±𝑑𝑒𝑠𝑣𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑑𝑟ã𝑜) uma sessão de tDCS anódica com uma intensidade de corrente de 1mA e duração de 5 minutos, originou um aumento da excitabilidade cortical que durou sensivelmente 5 minutos. Utilizando aproximadamente o mesmo protocolo, registou-se as amplitudes de resposta provenientes de 13 sujeitos, num primeiro protocolo, e 21 sujeitos, de um segundo protocolo. Foram desenvolvidos, como já referido, dois protocolos experimentais uma vez que o primeiro não se traduziu em valores satisfatórios. A principal diferença que os distingue é a introdução de uma primeira parte sham tDCS no protocolo 2, de modo a aumentar o tempo de espera para a estimulação activa, aumento o estado de relaxamento do indivíduo. A contracção de cada sujeito no momento de iniciação da experiência foi um parâmetro visível na maioria dos candidatos, visto se tratar de uma estimulação desconhecida e provocar um certo receio de ser algo doloroso ou estranho para o corpo. Deste modo, o estado de relaxamento constituiu um factor exterior tanto ao candidato como aos responsáveis pela experiencia e capaz de modificar significativamente os valores registados, justificando-se assim o progresso do primeiro para o segundo protocolo. No entanto, na fase de análise dos dados, não foi possível provar a evidência do aumento da excitabilidade cortical com qualquer um dos protocolos. Utilizando o teste t para o primeiro protocolo, obteve-se um valor para p de 0.904. Para este teste, a hipótese nula foi definida pela nulidade da diferença das médias dos dois grupos de valores obtidos (antes e após estimulação). Uma vez que o nível de significância do teste de 0.05 é inferior ao valor obtido para p, não se torna possível rejeitar a hipótese nula. Para os dados do protocolo 2, o resultado da aplicação da ANOVA de medidas repetidas também não permitiu a rejeição da hipótese nula, formulada de modo a traduzir a igualdade dos valores médios constituintes da baseline, medidos 1 minuto e 11 minutos após final de estimulação (μ𝑏𝑎𝑠𝑎𝑙,μ1𝑚𝑖𝑛 𝑒 μ11𝑚𝑖𝑛𝑠, respectivamente). A não rejeição da hipótese nula encontra-se relacionada com o valor F obtido de 0.4688, inferior ao valor do nível de significância do teste de 0.05. Num estudo paralelo, foi utilizado o software COMSOL Multiphysics 4.3b para a construção de três modelos esféricos representativos de três montagens diferentes quanto à posição e número de eléctrodos para a execução da tDCS. O primeiro modelo corresponde a uma montagem idêntica à utilizada na parte experimental, uma montagem bipolar de eléctrodos de 25 cm2, localizados nas posições C3 (eléctrodo de estimulação) e Fp2 (eléctrodo de referência), de acordo com o Sistema Internacional 10-20 da Electroencefalografia. A utilização de eléctrodos menores de π cm2 de área constitui a diferença entre o primeiro e segundo modelos, sendo que o terceiro modelo corresponde a uma montagem de múltiplos eléctrodos (5 eléctrodos) de área de π cm2. Neste último modelo, os eléctrodos são colocados nas posições C3 (eléctrodo de estimulação) e F7, F8, PO7 e PO8 (eléctrodos de retorno), de acordo com o Sistema Internacional 10-10 da Electroencefalografia.
The study and development of noninvasive neural stimulation methods is of increasing interest area in neurosciences. TMS is a method of cerebral stimulation based on electromagnetic induction. By placing a coil on the scalp over the region to stimulate, electric currents are produced in the brain, which cause a modification of membrane potential of neurons. rTMS, one of the variants of TMS, can be used for the treatments of patients suffering from drug resistant depression. tDCS, another noninvasive neurostimulation technique, uses constant and weak electric current to modify cortical excitability. Although it was discovered since the 60s, this method has been of particular interest in the scientific community only from 2000, the moment at which it was demonstrated that, depending on applied polarity, the method causes an alteration of cortical excitability. In general, the two modes of polarization, anodal tDCS or cathodal tDCS, lead to an increased or decreased excitability of neurons of cerebral cortex, respectively. The alteration of cortical excitability could be observed after a prolonged electrical stimulation (10-20 minutes), leading to after effects. The main purpose of this study was to reproduce the results published by Nitsche in 2000 and 2001. In this paper, carried out on a population sample of 12 subjects with mean age of 25 years old (24.9 ±4.0,3.7→ 𝑦𝑒𝑎𝑟𝑠±𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑 𝑑𝑒𝑣𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛) one session of tDCS with an intensity of 1 mA and duration of 5 minutes caused an increase of cortical excitability that outlasted the stimulus by 5 minutes. Using a similar protocol, the response amplitudes were recorded from 13 subjects, using the first protocol, and 21 subjects using the second protocol. Since the first protocol did not lead to the expected results, two protocols were developed. The major difference between the two protocols is the addition of a phase of sham tDCS at the beginning of protocol 2. This step aimed to increase the waiting time to the real stimulation and thus probably increasing the relaxation state of subject. This is because uneasiness was an evident feature in most subjects, since they were being submitted to an unfamiliar technique and could be worried if it was painful or uncomfortable. Thereby, the relaxation level represented an exterior factor both for the subject and people responsible for experiment, which justified the development of the first to the second protocol. However, in the data analysis, it was not possible to demonstrate the increase in cortical excitability with either protocol. By using t test for the first protocol, a p-value of 0.904 was obtained. For this test, the null hypothesis was defined by the nullity of mean difference between the two groups of values (before and after stimulation). Since value of the significance level (0.05) is inferior of the calcuted p-value (0.904), it was not possible to reject the null hypothesis. The application of ANOVA of repeated measures on results of protocol 2 led to a statistic F equals to 0.4688, thus it was not possible to deny the null hypothesis. This second null hypothesis defined the equality of mean values of baseline, mean values recorded 1minute and 11 minutes after the end of electric stimulation (μ𝑏𝑎𝑠𝑎𝑙,μ1𝑚𝑖𝑛 𝑒 μ11𝑚𝑖𝑛𝑠, respectively). Failure to reject the null hypothesis is related to the calculated F value (0.4688), which is inferior to the significance level of 0.05. In a parallel study, the COMSOL Multiphysics 4.3b software was used to build three distint spherical models representing different tDCS configurations, regarding the positioning and number of electrodes used. The first configuration corresponds to an identical model to that used in the experimental study, a bipolar assembly of electrodes of 25 cm2. In this model, one electrode is placed at the C3 position (electrode of stimulation) and the other one is placed at Fp2 position (electrode of reference), according to the 10-20 International System of Electroencephalography. The difference between the first and the second model is the reduction in electrode size to π cm2. The third model corresponds to a multipolar configuration (5 electrodes) with electrodes of π cm2. In this last model, one of five electrodes is placed at the C3 position (electrode of stimulation) and the other ones are placed at F7, F8, PO7 and PO8 positions (electrodes of reference), according to the 10-10 International System of Electroencephalography.
Descrição: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014
URI: http://hdl.handle.net/10451/16090
Designação: Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica
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