Inter-subject Variability of Temporal Interference Stimulation Before and After Optimization

Abstract

시간 간섭 자극술은 여러 교류 전류가 일으키는 맥놀이 현상을 이용해 뇌 심부를 자극하는 새로운 비침습적 뇌 자극술이다. 시간 간섭 자극술은 뇌 심부 자극술보다 안전하고 저렴한 대체 기술로 각광받고 있으나, 아직 임상시험이 이루어지지 않았다. 따라서 시간 간섭 자극은 주로 계산 시뮬레이션으로 연구되고 있다. 시뮬레이션 연구는 사실적 뇌 모형 상에서 시간 간섭 자극이 원치 않는 피질 자극을 최소화하면서도 기존 경두개 교류자극에 맞먹는 세기의 전류를 깊이 전달할 수 있음을 보였다. 시간 간섭 자극의 시뮬레이션은 다른 비침습적 뇌 자극의 임상에서도 보고된 바 있는 피험자 간 변이성 또한 밝혔다. 피험자 간 변이성은 자극에 의한 반응을 예측하기 어렵게 하므로 이를 이해하는 것은 중요하다. 본 학위 논문은 시간 간섭 자극의 피험자 간 변이성의 요인을 탐구했다. 통계 분석을 위해 자기공명영상을 기반으로 서른네 개의 서로 다른 뇌 모형을 제작했다. 각 뇌 모형의 시간 간섭 자극에 따른 전기장 진폭 변조 폭 분포는 조타 없이 전극 위치로 우측 기저핵을 표적 삼는 통제된 자극 조건으로 시뮬레이션 되었다. 그 후 모형과 시뮬레이션 자료를 이용해 해부학적 특성, 효능, 선택성을 나타내는 다양한 지표를 계산했다. 선형회귀분석은 뇌척수액의 부피가 각각 시간 간섭 자극의 효능, 선택성을 나타내는 지표인 표적 영역 내 전기장 진폭 변조 첨두값, 첨두비와 높은 상관관계를 갖는다는 점을 보였다. 뇌 모형 별로 최적화한 후 위 과정을 반복했으나 통계적으로 유의미한 상관관계를 찾을 수 없었다. 우리의 발견이 임상의의 의사 결정에 이용할 수 있는 유용한 정보가 되길 기대한다.|Temporal interference (TI) stimulation is a novel noninvasive brain stimulation (NIBS) technique that targets a deep brain region using a beat of multiple alternating currents. TI stimulation is claimed to be a safer and less costly alternative to the widely utilized deep brain stimulation (DBS) technique, but TI stimulation has not been clinically tested on a human subject yet. Hence, TI stimulation has been predominantly studied by computational simulation. Simulation studies on a realistic head model demonstrated that TI stimulation can deliver current to a deep target as intense as conventional transcranial alternating current stimulation (tACS) while minimizing adverse cortical excitation. Simulations also revealed an inter-subject variability of TI stimulation, which clinical trials of other NIBS techniques have reported as well. It is crucial to understand inter-subject variability because it is known to make the response to stimulation difficult to predict. We investigated the factors of inter-subject variability of TI stimulation. A total of thirty-four unique head models were constructed based on sets of magnetic resonance (MR) images to conduct a statistical analysis. The depth distribution of amplitude modulation of electric field as a result of TI stimulation for each head model was simulated under a controlled montage of the same electrode placement roughly expected to target the right basal ganglia without steering. Then various metrics that represent the anatomical characteristics, efficacy, and selectivity were computed using the model and simulation data. The linear regression analysis showed that the volume of cerebrospinal fluid is highly correlated with the peak value of electric field modulation in the target area and the peak ratio, which corresponds to the efficacy and selectivity of TI stimulation. The process was repeated after the montages of each head model were optimized individually, but no statistically significant correlation was indicated. We expect our findings to be used as valuable information for clinicians’ decision-making.