Motor cortex neurostimulation technologies for chronic post-stroke pain: Implications of tissue damage on stimulation currents

Abstract

Central post stroke pain (CPSP) is a highly refractory syndrome that can occur after stroke. Primary motor cortex (M1) brain stimulation using epidural brain stimulation (EBS), transcranial magnetic stimulation (TMS), and transcranial direct current stimulation (tDCS) have been explored as potential therapies for CPSP. These techniques have demonstrated variable clinical efficacy. It is hypothesized that changes in the stimulating currents that are caused by stroke-induced changes in brain tissue conductivity limit the efficacy of these techniques. We generated MRI-guided finite element models of the current density distributions in the human head and brain with and without chronic focal cortical infarctions during EBS, TMS, and tDCS. We studied the change in the stimulating current density distributions magnitude, orientation, and maxima locations between the different models. Changes in electrical properties at stroke boundaries altered the distribution of stimulation currents in magnitude, location, and orientation. Current density magnitude alterations were larger for the non-invasive techniques (i.e., tDCS and TMS) than for EBS. Nonetheless, the lesion also altered currents during EBS. The spatial shift of peak current density, relative to the size of the stimulation source, was largest for EBS. In order to maximize therapeutic efficiency, neurostimulation trials need to account for the impact of anatomically disrupted neural tissues on the location, orientation, and magnitude of exogenously applied currents. The relative current-neuronal structure should be considered when planning stimulation treatment, especially across techniques (e.g., using TMS to predict EBS response). We postulate that the effects of altered tissue properties in stroke regions may impact stimulation induced analgesic effects and/or lead to highly variable outcomes during brain stimulation treatments in CPSP.

El dolor central posterior a accidente cerebrovascular (CPSP) es un síndrome altamente refractario que puede ocurrir después de un accidente cerebrovascular. La estimulación cerebral de la corteza motora primaria (M1) con estimulación epidural del cerebro (EBS), estimulación magnética transcraneal (TMS) y estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS) se han explorado como posibles terapias para el CPSP. Estas técnicas han demostrado una eficacia clínica variable. Se hipotetiza que los cambios en las corrientes estimulantes que son causados ¿¿por los cambios inducidos por el accidente cerebrovascular en la conductividad del tejido cerebral limitan la eficacia de estas técnicas. Generamos modelos de elementos finitos guiados por MRI de las distribuciones de densidad actuales en la cabeza humana y el cerebro con y sin infartos corticales focales crónicos durante EBS, TMS y tDCS. Estudiamos el cambio en la magnitud de la distribución de la densidad de corriente estimulante, la orientación y la ubicación máxima entre los diferentes modelos. Los cambios en las propiedades eléctricas en los límites de recorrido alteraron la distribución de las corrientes de estimulación en magnitud, ubicación y orientación. Las alteraciones de la magnitud de la densidad actual fueron mayores para las técnicas no invasivas (es decir, tDCS y TMS) que para EBS. No obstante, la lesión también alteró las corrientes durante EBS. El desplazamiento espacial de la densidad de corriente máxima, en relación con el tamaño de la fuente de estimulación, fue mayor para EBS. Para maximizar la eficacia terapéutica, los ensayos de neuroestimulación deben explicar el impacto de los tejidos neuronales alterados anatómicamente en la ubicación, orientación y magnitud de las corrientes aplicadas exógenamente. La estructura neuronal actual relativa debe considerarse al planear el tratamiento de estimulación, especialmente a través de las técnicas (por ejemplo, el uso de TMS para predecir la respuesta de EBS). Postulamos que los efectos de las propiedades alteradas del tejido en las regiones del accidente cerebrovascular pueden afectar los efectos analgésicos inducidos por la estimulación y/o llevar a resultados altamente variables durante los tratamientos de estimulación cerebral en CPSP.

El dolor central posterior a accident cerebrovascular (CPSP) és una síndrome altament refractari que pot ocórrer després d'un accident vascular cerebral. L'estimulació cerebral de l'escorça motora primària (M1) amb estimulació epidural del cervell (EBS), estimulació magnètica transcranial (TMS) i estimulació de corrent directe transcranial (TDCs) s'han explorat com a possibles teràpies per al CPSP. Aquestes tècniques han demostrat una eficàcia clínica variable. S'hipotetiza que els canvis en els corrents estimulants que són causats pels canvis induïts per l'accident vascular cerebral en la conductivitat del teixit cerebral limiten l'eficàcia d'aquestes tècniques. Generem models d'elements finits guiats per MRI de les distribucions de densitat actuals en la cap humà i el cervell amb i sense infarts corticals focals crònics durant EBS, TMS i TDCs. Estudiem el canvi en la magnitud de la distribució de la densitat de corrent estimulant, l'orientació i la ubicació màxima entre els diferents models. Els canvis en les propietats elèctriques en els límits de recorregut van alterar la distribució dels corrents d'estimulació en magnitud, ubicació i orientació. Les alteracions de la magnitud de la densitat actual van ser majors per a les tècniques no invasives (és a dir, TDCs i TMS) que per a EBS. No obstant això, la lesió també va alterar els corrents durant EBS. El desplaçament espacial de la densitat de corrent màxima, en relació amb la mida de la font d'estimulació, va ser més gran per EBS. Per maximitzar l'eficàcia terapèutica, els assajos de neuroestimulació han d'explicar l'impacte dels teixits neuronals alterats anatòmicament a la ubicació, orientació i magnitud de les corrents aplicades exògenament. L'estructura neuronal actual relativas' ha de considerar en planejar el tractament d'estimulació, especialment a través de les tècniques (per exemple, l'ús de TMS per predir la resposta d'EBS). Postulem que els efectes de les propietats alterades del teixit en les regions de l'accident vascular cerebral poden afectar els efectes analgèsics induïts per l'estimulació i/o portar a resultats altament variables durant els tractaments d'estimulació cerebral en CPSP.