Quantifying the effective range of electric field values for transcranial electric stimulation

Abstract

La estimulación eléctrica transcraneal (tES) es una técnica qué consiste en la colocación de diversos electrodos en la cabeza y mediante la aplicación de corrientes de bajo amperaje se modula la excitabilidad neuronal. En este trabajo revisaremos primero los documentos más importantes relacionados con tES, para establecer el estado del arte de esta técnica. En esta revisión cubriremos todos los aspectos; desde la instrumentación, los mecanismos de acción y las aplicaciones. Principalmente nos enfocaremos en métodos numéricos para determinar la distribución del campo eléctrico. A continuación, presentaremos una revisión de los montajes utilizados en las aplicaciones de tES que constan de más apoyo para un efecto clínico: fibromialgia, depresión y adicción, según (Lefaucheur et al. 2017). De este estudio, obtendremos la información requerida para replicar las posiciones, corriente, forma y tipo de electrodos típicamente empleados. Finalmente, haremos uso de estos montajes para modular la distribución del campo eléctrico inducido en un conjunto de modelos de cabeza computacional. Los modelos de cabeza computacional se crearán utilizando diferentes softwares y recursos de modelado de Neuroelectrics. Para realizar dichos modelos, utilizaremos imágenes de resonancia magnética de sujetos, obtenidas de una base de datos pública, la base de datos IXI (IXI Dataset, 2020). Para cada montaje, se calcularán los valores promedio del campo eléctrico en diferentes regiones de interés en el cerebro, el rango de estos valores y su variación entre los sujetos. Para cada sujeto y cada área cortical objetivo (que depende de la aplicación que se está estudiando), también presentaremos montajes optimizados multicanal alternativos. Cuantificaremos la importancia de la personalización de los montajes y discutiremos las posibles ventajas de usarlos. En la sección de resultados, se ha cuantificado el rango de valores de campo eléctrico necesarios para inducir una respuesta. Estos valores divergen dependiendo del área estudiada; sin embargo, la variabilidad calculada permanece entre el 15-35% de la magnitud del campo eléctrico inducido para la mayoría los casos. La ubicación de las zonas con más influencia de campo eléctrico también difiere según el área estudiada y las diferencias anatómicas individuales. Hemos demostrado la efectividad de los montajes multicanal para dar un mejor resultado en términos de focalización. Además, estos montajes tienen la capacidad de obtener un mayor valor para el campo eléctrico con las mismas corrientes de entrada que una distribución bipolar común.

L'estimulació elèctrica transcranial (tES) és una tècnica què consisteix en la col·locació de diversos elèctrodes al cap i mitjançant l'aplicació de corrents de baix amperatge es modula l'excitabilitat neuronal. En aquest treball revisarem primer els documents més importants relacionats amb tES, per establir l'estat de l'art d'aquesta tècnica. En aquesta revisió cobrirem tots els aspectes; des de la instrumentació, els mecanismes d'acció i les aplicacions. Principalment ens enfocarem en mètodes numèrics per determinar la distribució de camp elèctric. A continuació, presentarem una revisió dels muntatges utilitzats en les aplicacions de tES que consten de més suport per a un efecte clínic: fibromiàlgia, depressió i addicció, segons (Lefaucheur et al. 2017). D'aquest estudi, obtindrem la informació requerida per replicar les posicions, corrent, forma i tipus d'elèctrodes típicament empleats. Finalment, farem ús d'aquests muntatges per modular la distribució de camp elèctric induït en un conjunt de models de cap computacional. Els models de cap computacional es crearan utilitzant diferents programaris i recursos de modelatge de Neuroelectrics. Per realitzar aquests models, utilitzarem imatges de ressonància magnètica de subjectes, obtingudes d'una base de dades pública, la base de dades IXI (IXI Dataset, 2020). Per a cada muntatge, es calcularan els valors mitjans de camp elèctric en diferents regions d'interès en el cervell, el rang d'aquests valors i la seva variació entre els subjectes. Per a cada subjecte i cada àrea cortical objectiu (que depèn de l'aplicació que s'està estudiant), també presentarem muntatges optimitzats multicanal alternatius. Quantificarem la importància de la personalització dels muntatges i discutirem els possibles avantatges d'usar-los. A la secció de resultats, s'ha quantificat el rang de valors de camp elèctric necessaris per induir una resposta. Aquests valors divergeixen depenent de l'àrea estudiada; però, la variabilitat calculada roman entre el 15-35% de la magnitud de el camp elèctric induït per a la majoria dels casos. La ubicació de les zones amb més influència de camp elèctric també difereix segons l'àrea estudiada i les diferències anatòmiques individuals. Hem demostrat l'efectivitat dels muntatges multicanal per donar un millor resultat en termes de focalització. A més, aquests muntatges tenen la capacitat d'obtenir un major valor per al camp elèctric amb les mateixes corrents d'entrada que una distribució bipolar comú.

Transcranial electrical stimulation (tES) is a technique that consists of using electrodes placed on the scalp to deliver weak currents and modulate neuronal excitability. In this work we will first review the most important papers related to tES, in order to establish the state of the art of this technique. In this review we will cover all aspects ranging from instrumentation, mechanisms of action and applications. We will focus especially in numerical methods to determine the E-field distribution. After this initial review, we will present a review of the montages used in the applications of tES that show more evidence of a clinical effect (fibromyalgia, depression and addiction/craving, according to (Lefaucheur et al. 2017)). From this review we will obtain the information required to replicate the positions, current, shape and type of electrodestypically employed. We will then model the (E-field) distribution induced in a set of computational head models by these montages. The computational head models will be created using Neuroelectrics’ segmentation and modelling pipeline. As an input to this step we will use MRIs of subjects from a public database, the IXI database (IXI Dataset, 2020). For each montage, the average E-field values in different regions of interest in the brain, the range of these values and their variation across subjects will be calculated. For each subject and each target cortical area (which depends on the application being studied), we will also present alternative multichannel optimized montages. We will quantify the importance of personalization of montages and discuss possible advantages of using them. In the results section, the range of electric field values needed to induce a response has been quantified. Those values diverge depending on the studied area; however, the computed variability remains at 15-35% of the induced electric field magnitude for the majority of the cases. The location of the E-field hotspots diverges also depending on the studied area and the individual anatomical differences. We have demonstrated the effectiveness of multichannel montages to give a better result in terms of focality. Furthermore, these montages have the ability to obtain bigger valuesfor electric field with the same input currents as a common bipolar distribution.