Influences of Transcranial Direct Current Stimulation on Cortical Excitability and Motor Function in Repetitive Mild Traumatic Brain Injury Rat Models

Abstract

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive modality that increases corticospinal tract excitability, which, in turn, enhances synaptic plasticity. Few studies investigated the effect of tDCS on motor function in repetitive mild traumatic brain injury (rmTBI). This study evaluated the influence of tDCS on corticospinal excitability and behaviors in the rmTBI rat model. rmTBI rats were assigned to the following two groups: the tDCS group (n=33) and the control group (n=32). Only the tDCS group had a single session of anodal tDCS on left motor cortex. The corticospinal excitability was evaluated by the motor-evoked potential (MEP), and behavioral changes were measured by foot-fault test, rotarod test, and grip strength tests. To evaluate the tDCS influence on brain, brain magnetic resonance imaging (MRI) and histochemical staining with hematoxylin and eosin were performed. There was a significant difference in the right MEP amplitude after tDCS (Day 4) between the tDCS group and the control group. The difference between the MEP amplitude after tDCS (Day 4) and before tDCS (Day 3) was significantly different between the tDCS group and the control group. In motor function tests, rotarod duration significantly increased after tDCS compared to before tDCS in the tDCS group. Brain MRI and histochemical analyses showed no significant brain damage. The results of this study suggest that a single session of anodal tDCS could facilitate corticospinal excitability and motor coordination among motor function in the rmTBI rat model. Therefore, tDCS can be a viable treatment option for rmTBI patients.;경두개 직류 자극법(tDCS)은 대뇌 피질의 흥분성을 증가시키며, 시냅스의 가소성을 향상시키는 비침습적 치료이다. 반복적인 경미한 외상성 뇌손상(TBI) 환자에서 tDCS가 운동 기능에 미치는 영향에 대한 연구는 진행된 바가 없다. 본 연구는 반복적인 경미한 TBI 쥐 모델에서 tDCS가 대뇌 피질의 흥분성과 운동에 미치는 영향에 대한 연구이다. 본 연구에서는 총 65마리의 반복적인 경미한 TBI 쥐를 대상으로 진행되었다. 33마리는 tDCS군에 배정되었으며, 32마리는 대조군에 배정되었다. tDCS군만 좌측 운동 피질에 양극 tDCS 치료를 단일 세션 진행하였다. 대뇌피질의 흥분성은 운동 유발 전위(MEP)로 측정하였으며, 운동의 변화는 foot-fault 검사와 rota rod 검사, grip strength 검사를 이용하여 측정하였다. 또한, tDCS가 뇌에 미치는 영향을 확인하기 위하여 뇌 자기공명영상(MRI) 및 hematoxylin and eosin 염색을 통한 조직학적 검사를 시행하였다. 연구 결과, tDCS 시행 후 (4일 째) 시행한 우측 MEP의 진폭이 대조군과 비교 시tDCS군에서 유의하게 큼을 알 수 있었다. 그리고 tDCS 시행 전 (Day 3)와 시행 후(Day 4)의 우측 MEP 진푝 차를 비교하였을 시, tDCS군에서 진폭 차가 대조군에 비하여 유의하게 컸다. 또한 행동 검사 중 rotarod 검사 상, tDCS 군에서 rotarod 유지 시간이 tDCS 시행 전후를 비교 시 유의한 호전을 보임을 알 수 있었다. 뇌 MRI 및 조직학적 검사 상에서는 뇌의 손상 소견을 확인할 수 없었다. 본 연구 결과, 단일 세션의 양극 tDCS는 반복적인 경미한 TBI 쥐 모델에서 대뇌피질의 흥분성을 증가시키고, 운동조절 능력을 향상시킴을 알 수 있었다. 그러므로 tDCS는 반복적인 경미한 TBI 환자에서 운동 기능을 호전시키는 치료법으로 고려해볼 수 있겠다.