Transcranial direct current stimulation in stroke recovery

Introduction and Historical Overview
從11世紀起，人們就開始嘗試使用電療法來治療腦部疾病，最早是使用電鯰魚來治療癲癇，在19世紀，Eduard Hitzig進行了對狗大腦皮質的實驗，之後偶然發現透過經顱高壓電流，可以治療患者不正常的非自主性活動，由於上述兩件事的啟發，進一步使用電流來確認大腦皮質對肢體動作的控制，在此研究之後，也開始嘗試對頭顱施以電流刺激，來治療睡眠障礙。
1960年代Bindman等研究者使用電流刺激兔子大腦，觀察到其可以產生長效的極化效果，也因此掀起了一系列關於電流刺激的相關臨床研究，其中主要研究集中於憂鬱症的治療。雖然這些研究顯示對於治療憂鬱症，電流刺激的確有若干的效果，但也因為過於強調對憂鬱症的治療模式，而減少了使用電流刺激對其它疾病治療研究。但是在數年後，Priori及其研究團隊在進行使用電流刺激治療睡眠障礙的研究時，發現了使用正極電流對兔子腦部的一些影響，像是使用電流刺激，可增加腦中鈣離子數量，進一步促進大腦皮質的興奮性。 而這個研究也提示了使用微量電流刺激大腦這一種非侵入式的治療方式，這也就是tDCS的前身。在接下來的研究中，Nitsche and Paulus發現tDCS的正極電流可以興奮大腦皮質，而負極電流會抑制大腦皮質活動，且其所產生的變化可以持續一段時間，研究中發現，使用了20-30分鐘的電流刺激後，大腦皮質所產生的電生理變化可持續90分鐘以上，而對於感覺運動系統或是認知的變化可以持續30分鐘以上。這些早期或是過去8-10的研究，引起了新一波對於這種非侵入式腦部極化刺激，是否可以治療其它不同神經疾病的研究。最近的研究顯示，部分研究者使用負極電流可以抑制大腦皮質活動的特性，來刺激大腦皮質的不同部位產生各種虛擬的腦部病變，以找出大腦皮質各區域所負責的功能。同時，也有部分研究顯示使用正極電流的促進作用，可以促進部分感覺運動或是認知的能力。

Methods and Mechanisms of TDCS
tDCS的組成包括了恆定電刺激，及置放在頭皮的表面電極；其中，恆定電刺激需在電阻監測下提供穩定的直流電輸出(eg:0-4mA)，並將鹽水沾濕的電極放置在適當的位置，如左側或右側的大腦中央前回（此區相當於International 10–20 EEG system的C3及c4），用以在電極末端產生電流並使電流通過於其下的腦部組織。電流傳導的方向決定了對於其下腦部組織的作用，像是將一組作用電極放置在c3或c4處，將參考電極放置在控制處(如眼眶上)，電流方向會從作用電極傳向參考電極，此時，在作用電極下的腦部組織會被興奮，但若電流方向相反，則之前被興奮的腦部組織興奮性會降低，每一次電流方向的轉換時，會產生30秒到一分鐘的刺痛感，因此在針對對照組(假裝組)進行雙盲實驗設計時，需在啟動電流使產生刺痛感後再將其關閉。McCreery及其研究團隊發現電流密度在25 mA/cm2以下，並不會對腦部組織造成傷害，而在近期的研究中均統一將電流控制在1-2mA來進行實驗。且建議在研究中不用去注意那些散失在頭皮的微量電流，可將作用在大腦皮質的電流視為是足量電流(即儀器輸出電流)，而研究也顯示出，當tDCS的正極電流通過大腦皮質使其興奮時，透過對大腦血流量的監測可發現其變化，故可用此方法（監測血流）來做為對tDCS的評估項目。
tDCS提供低於閾值的電流刺激所造成的調節效果，在於腦部組織神經元在沒有神經去極化的狀況下，使其發生去極化跟過極化的現象，而它可以造成感覺、運動或認知變化的原因是它可以對突觸後連結造成雙向調節，其功能類似於腦部的長期增益及長期損益效果，另外，研究發現右美沙芬跟NMDA拮抗藥會抑制tDCS的效果(不管是正極還是負極)，故推測NMDA受體對於直流電所造成的電生理過程應佔有重要部分。另外，卡馬西平會選擇性的抑制正極電流的影響，其方法是透過維持鈉離子通道的不活動性，進而達到穩定膜電位的目的，也由此可知，正電流tDCS的後期效果在於可對細胞膜造成去極化，而現在，也需要更多研究來確定tDCS對於人類大腦組織的作用、機制，跟其對於人類行為跟認知的影響。