A Computational Study on Transcranial Electrical Stimulation: Investigation of Neuronal Response

Abstract

Electrical brain stimulation has attracted increasing attention as an appealing treatment method for psychiatric and neurological disorders. Among variable ways to deliver brain stimulation, transcranial electrode stimulation (tES) modulates cortical neuron excitability by penetrating electric currents of 1-2 mA through scalp-attached electrodes. This novel technology has increasingly applied to treatment for psychiatric and neurological disorders; however, the results of tES are difficult to predict because they differ greatly according to subjects and stimulation parameters, and even neuronal mechanisms of stimulation remain undetermined. In this dissertation, I investigated the effects of neuron’s morphology and applied electrical field direction on neuron’s response to tES. Furthermore, I investigated deeply on cortical excitability in two electrode montages—the conventional (C)-tES and high-definition (HD)-tES—as well as two stimulation waveforms—direct current (DC) and alternating current (AC). This was accomplished by incorporating morphologically accurate models of different forms of cortical neurons (layer 2/3 pyramidal neuron, layer 4 basket cell, and layer 5 pyramidal neuron) and a realistic head model, which called a multi-scale model. Then, I measured the thresholds and membrane polarization of neurons models to measure the neuronal response to the C-/HD-tDCS/tACS. Then, we explored the relationship between neuorn’s ectiation threshold and the electric field (EF) or the radial field’s (RF: normal component of EF). The induced EF had a dependency on the electrode montages, and the correlation between EF and excitation threshold was observed. The electrode montages and waveforms of stimultion did not cause remarkable change in threshold, however, the trend that excitation thresholds were correlated to |EF| was persistant. In addition, it was observed that the degree of correlation was highly affected by the the neurons’ morphological features. Hence, the EF magnitude was a driving force for the neuronal response when neurons include axon arbors. This study's findings reveal that the essential element in neural excitability might vary based on the morphologies and biophysical characteristics of the neuron models used in the study.|전기적 뇌 자극은 정신 질환과 신경 질환에 대한 매력적인 치료 방법으로 주목 받고 있다. 뇌 자극을 적용하는 여러 방법 중tES는 두피에 부착된 전극을 통해 약한 전류를 침투시켜 대뇌 피질에 위치한 뉴런의 활성도를 조절한다. 하지만, tES의 결과는 대상과 자극 패러다임에 따라 크게 달라지고 세포 메커니즘도 불분명하기 때문에 예측하기 어렵다. 이러한 결과 예측의 어려움은 정신 및 신경 질환들을 뇌 자극으로 치료하는 데에 있어 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서, 뇌 자극의 세포 메커니즘을 밝혀내고, 결과 예측의 어려움을 해결하므로서 전기적 뇌 자극을 통한 치료 효과를 높이기 위해 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 두 가지 자극 파형인 직류(DC)와 교류(AC)뿐만 아니라 널리 사용되는 두 가지 유형의 전극 몽타주에서 피질 활성에 대한 심층 조사를 수행했다. 이를 위해 3가지 유형의 피질 뉴런(layer 2/3 pyramidal neuron, layer 4 basket cell, layer 5 pyramidal neuron)의 사실적인 뇌 모델과 형태학적으로 사실적인 뉴런 모델을 결합하여 멀티스케일 (multi-scale) 모델을 구성했다. 또한, C-/HD-tDCS/tACS에 대한 뉴런 반응을 정량화하였고, 전기장(EF)과 RF( EF의 수직방향 성분) 크기 및 뉴런의 임계값 (threshold) 사이의 관계를 탐색했다. 유도된 전기장은 전극의 모양 및 특성에 따라 달라졌으며, 신경 반응은 RF의 크기보다는 EF 크기와 관련이 컸었다. 전극 모양및 자극 파형으로 인해 임계값 (threshold) 에서 약간의 차이가 발생했지만, EF의 크기와 임계값 (threshold) 사이의 높은 상관관계는 지속적으로 유의미했다. 또한 뉴런의 형태학적 특성이 상관 관계의 정도에 큰 영향을 미친다는 결과 또한 관찰되었다. 뉴런에 가해지는 전기장의 방향은 여러방향으로 뻗은 여러 가지의 축삭을 가진 뉴런보다 한 가지의 축삭을 가진 뉴런에서 훨씬 중요한 요소였다. 위 결과는 뉴런 반응에 대한 주요 요소들은 뉴런 모델의 형태학적 및 생물물리학적 특성에 따라 달라진다는 것을 보여준다. 따라서 NIBS의 세포 대상을 정확하게 예측하기 위해서는 실제 인간 세포의 현실적인 형태학적, 생물물리학적 특징을 모방하는 보다 진보된 뉴런 모델을 채택할 필요가 있다.