Transkranial magnet-stimulering (TMS).

Transkript

1 CHALMERS Göteborgs Universitet H. Tobias Johansson Institutionen för tillämpad IT TIG043 Neurokognition Transkranial magnet-stimulering (TMS). Diskussion kring artiklarna: Cracco R. Q., Cracco J. B., Maccabee P. J., Amassian V. E. (1999). Cerebral function revealed by transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods 86 (1999) George M. S. (203). Stimulating the brain: Activating the brains circuitry with magnetic fields may help ease depression, enhance cognition, even fight fatigue. Scientific American Sept Jahanshahi M., Rothwell J. (2000) Transcranial magnetic stimulation studies of cognition: an emerging field. Exp Brain Res (2000) 131:1 9 Pascual-Leone A., Walsh V., Rothwell J. (2000) Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience virtual lesion, chronometry, and functional connectivity. Current Opinion in Neurobiology 2000, 10: TMS (transkranial magnet-stimulering) är en relativt ny teknik. Den används för att direkt påverka hjärnans aktivitet. Ändå betraktas den som non-invasiv, vilket gör den attraktiv som forskningredskap, eftersom den tillåter oss att selektivt antingen aktivera, eller deaktivera specifika områden i hjärnan, samtidigt som man betraktar påverkan som begränsad till just det som den är avsedd. Den tros alltså ha få eller inga indirekta effekter. Tekniken verkar dessutom kunna ha direkt kliniska egenskaper, vilket George uttrycker så här: Activaing the brain s circuitry with pulsed magnetic fields may help ease depression, enhance cognition, even fight fatigue (George 2003). Den ger också tillgång till en smärtfri, billig, noninvasiv metod för att utvärdera hjärnans funktioner (Cracco et al. min övers. från eng.) Intressen inom den Amerikanska militären utvärderar huruvida TMS skulle kunna fungera som ett verktyg för att skärpa uppmärksamheten och öka vakenheten hos operativ personal. Som exempel nämner han stridspiloter som skulle kunna ha tillgång till tekniken i sin utrustning. Scenariot är fortfarande som George beskriver det aningen spekulativt men, fortsätter han research to make this promising technology a reallity is advancing steadily. Jag har tittat på fyra artiklar som behandlar ämnet och sammanfattat deras resonemang.

2 Bakgrund. Under tidigt tal experimenterade Adrian Pollack och Berthold Beer båda psyki- atriker med elektromagnetisk teknik, för att försöka bota depression. Det är dock oklart vad man lyckades åstadkomma. Klart är dock att tanken föddes och intresset väcktes för att påverka hjärnans aktivitet med hjälp av magnetism. Modern TMS- teknik började användas runt 1985, då lyckades Anthony T. Barker et al. konstruerade en elektromagnetisk apparat som genererade tillräckligt stark ström för att påverka neural aktivitet i ryggmärgen. Ganska snart förstod man att den även skulle kunna göra detsamma med hjärnan, åtminstone de yttre kortikala strukturerna. Den är än så länge den enda av de tillgängliga metoderna som tillåter att man aktivt påverkar hjärnan utan att det förstör resultaten. Själva påverkan är vad som genererar den data man analyserar vilket gör att man känner sig relativt säker på att inga dolda effekter på- verkar utan experimentatorns vetskap. Tekniken. TMS utnyttjar det faktum att hjärnan är ett delvis elektiskt organ som opererar/ kom- municerar genom att skicka elektriska signaler interneuronalt. Den aktiva påverkan som TMS- tekniken har på neural aktivitet och därför också de kognitiva aspekter av det beteende den genererar ligger i den påverkan den har på aktivitetens intensitet. Elekt- risk ström (i apparaturens kopparledare) omvandlas till magnetisk energi för transport in genom kroppen vars resistans för magnetism är låg, till skillnad för kraniets impe- dans mot elektrisk ström. Väl innanför kraniet omvandlas kraften återigen till elektrisk form i nervcellerna där det genererar små elektriska strömmar i annars vilande neuron. Dessas triggas då till aktivitet och man så att säga lurar neuron att generera aktionspotentialer. Anledningen till att det magnetiska fältet omvandlas inne i de kortikala strukturerna är mycket snabba

3 växlingar i magnetfältets styrka. (Jahanshahi & Rothwell 2000). Magnetfältet är extremt starkt. Upp till 1.5 tesla (i.e. tiotusentals gånger jordens dragningskraft). Det är å andra sidan mycket kortvarigt, och varje enskiljd puls varar under kortare tid än 1 millisekund. Ibland till och med så lite som μs (Jahan- shahi & Rothwell 2000). Till skillnad från äldre tekniker som t.ex. ECT (electro convulsive therapy, i.e. elschocksterapi) och andra invasiva tekniker där man till exempel fäster elektroder direkt på skallen eller tillockmed skickar elektrisk ström direkt in i nervvävnaden med hjälp av elektroder för att påverka neural aktivitet är TMS alltså en relativt noninvasiv teknik. Man hoppas land annat kunna använda TMS som ett direkt supple- ment eller substitut till ECT behandling av depression. Magnetfältet i sig tros inte påverka vävnaden på något annat sätt än den ökade aktivitet i form av elektrisk ström den genererar, även om magnetism bevisligen kan ha en kausal påverkan på biologiskt material. (Jahanshahi & Rothwell 2000). Man betraktar den därför fri från brus eller andrahandspåverkan, vilket annars hade stört de resultat man mäter sig fram till. Begränsningar. Den önskade effekten av TMS når dock endast den yttre delen av cortex, till ett djup av ca. 2-3 cm, eftersom magnetfältet relativt snabbt faller i styrka vid större avstånd från källan. (George 2003, Jahanshahi & Rothwell 2000). Detta gör att områden på större djup från skallbenet tyvärr inte är inom räckhåll, vilket givetvis är synd eftersom det omöjliggör studier av andra funktioner än de som är kopplade till kortikal aktivitet. Fle- ra av författarna nämner amygdala som en attraktiv region att kunna applicera TMS- teknik på, men tills vidare får sådana studier stå åt sidan. Man kan dock med stor fram- gång utforska saker som språkproduktion, språkförståelse, visuell perception och andra

4 kognitiva egenskaper som helt eller delvis har sitt ursprung i och produceras i just cor- tex. Vad man gör i sådana studier är ofta helt enkelt att genom att slå ut aktiviteten i ett önskat område och jämföra med den effekt detta har på en given kognitiv funktion eller egenskap på ett effektivt sätt mappa spatial organisation till funktion till beteende. Men även förstärkning av neural aktivitet används. TMS & rtms Enstaka pulser i t.ex motorcortex inducerar muskelrörelser i korrelerande somatiska områden. Detta var vad man under teknikens första år studerade mest eftersom det är ganska lätt att kvantifiera muskelsignaler med hjälp av elektromyograf (EMG), och såle- des ge en bild av hjärna- beteende relationen när TMS står för källan till aktiviteten. (Ja- hanshahi & Rothwell 2000). Men om en region istället för enstaka pulsar, utsätts för en pulsserie (rtms i.e. repetetive TMS) uppstår alltså fenomen som inte observerats vid enstaka pulsar. rtms har visat sig kunna ha inhibiterande el. t.o.m. blockerande effekt på enskiljda funktioner. the procedure offers one of the most promising technological (nonpharmaceutical) methods to literally turn particular regions of the brain on and off (George 2003). Forskning. TMS har används i mycket stor utsträckning för forkning kring spatialt lokaliserade kognitiva funktioner men även för att kartlägga patologiska anomalier och lesioner och deras effekt på kognitiva förmågor hos patienter. (Cracco et al. 1999) Bland alla dessa studier utmärker sig för kognitionsvetenskapen viktiga intresseområden som bland an- nat talförmåga och perseption. (vilket ju delvis hänger samman med teknikens begrän- sade räckvidd och dessa funktioners hemvist i kortikala strukturer). Det man gör är att: induce temporal lesions in healthy subjects to gain insight into fundamental neu- ronal mechanisms such as speech and spatial perception (George 2003). Om en del av hjärnan är under påverkan kommer den förmåga eller det beteende som normalt gene- reras där att vara påverkad, vilket är relativt lätt att testa och mäta.

5 Militära forkningsintressen. Den amerikanska armén och då specifikt The Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA), har under en tid utfört ganska omfattande utvärderingar av möjligheten att använda TMS som en kognitiv förhöjare för sin operativa personal. De områden man nämner är bl.a stridspiloter som vid behov skulle kunna stimulera de områden i hjärnan som reglerar vakenhet. Rent allmänt vill man enligt George investigate the use of TMS to improve the performance of U.S personnel exhausted by protracted field operations (George 2003). Funktionell knockout. rtms kan som tidigare nämnts under en kort stund slå ut el. blockera kognitiva förmå- gor som t.ex. talförmågan. Detta har gett forskare möjligheten att igen systematiskt kart- lägga sambanden mellan givna delar av hjärnan och relaterade förmågor, något som ti- digare flitigt studerats i stroke- patienter och även med viss framgång med andra tekni- ker. Epilepsi. Man utför även försök för att se om den neurala överaktivitet som utlöser epileptiska anfall kan tystas med hjälp av TMS (George 2003, Cracco et al. 1999) rtms & LTD/LTP Lågfrekvent rtms kan ge LTD och omvänt kan högfrekvent rtms ge TLP. Det är fortfa- rande mycket kontroversiellt huruvida magnet- inducerad inhibitation och exitation av neurala nätverk kan användas för att förstärka eller förbättra inlärning och minne, men studier har visat att både LTD och LTP, kan vara i upp till ett pat timmar efter att rtms har utdelats, (George 2003) vilket skulle kunna vara ett tecken på att TMS åtminstone kan åstadkomma samma förändringar i hjärnan som man misstänker ligga bakom fe- nomen som inlärning.

6 TMS & MRI. TMS kan utgöra ett bra supplement till magnetröntgen som har sämre temporal vilket TMS kan bistå med men bättre spatial upplösning vilket TMS saknar. Öppnar för enorma möjligheter och tvivelsutan en mycket faschinerande tanke! Whatever the goals, TMS holds great potential as a tool for understanding how the brain works, correcting it s dysfunctions and even augmenting its abilities (George 2003)

7 Litteratur & referenser: För titlar till artiklar refererade i texten se försättsblad. Bild i sidhuvud, försättsblad: Bild i text (fig. 1): Bild i text (fig.2): bg Bild i text (fig.3):