Kilohertz electrical stimulation drives widespread neuronal activation and temporal interference imposes focal rhythmic modulation

Résumé Technique : La stimulation électrique en kilohertz induit une activation neuronale généralisée et l'interférence temporelle impose une modulation rythmique focale

Énoncé du problème
La stimulation par interférence temporelle (TI) est apparue comme une technique non invasive prometteuse pour cibler les structures cérébrales profondes. Son postulat théorique repose sur l'interaction de deux champs électriques à haute fréquence (kilohertz) dont les fréquences sont légèrement décalées, générant une enveloppe modulée en amplitude (AM) à la fréquence de battement. L'hypothèse prédominante soutient que les neurones sont insensibles aux signaux porteurs à haute fréquence en raison des propriétés de filtrage passe-bas de la membrane neuronale, ne répondant qu'à l'enveloppe AM à basse fréquence. Par conséquent, la TI est censée activer sélectivement les cibles profondes là où l'enveloppe AM est la plus forte, tout en épargnant les tissus superficiels exposés uniquement aux porteurs non modulés. Cependant, cette hypothèse n'a pas été rigoureusement testée au niveau cellulaire, notamment pour déterminer si les champs kilohertz non modulés sont physiologiquement inertes et si la distribution spatiale de l'activation neuronale correspond strictement à l'enveloppe AM prédite. De plus, la dynamique spatiotemporelle des réponses neuronales à la TI, incluant les effets de sous-seuil et la synchronisation rythmique au niveau du neurone individuel, reste largement inexplorée.

Méthodologie
Les auteurs ont employé une approche multimodale combinant la modélisation computationnelle in silico, des préparations de coupes de cerveau ex vivo et l'imagerie in vivo chez la souris pour caractériser les réponses neuronales à la TI et à la stimulation à haute fréquence.

• Modèles expérimentaux : L'étude a utilisé des modèles de souris exprimant des indicateurs de calcium génétiquement codés (jGCaMP8s) et des indicateurs de voltage (JEDI-2P) via des injections virales intracérébroventriculaires.
• Paradigmes de stimulation :
  • TI prémodulée (pmTI) : Pour isoler les effets de la forme d'onde, les auteurs ont appliqué des formes d'onde pré-synthétisées avec des indices de modulation AM définis (0 %, 50 %, 100 %) sur des coupes de cerveau, contournant ainsi la complexité spatiale de l'interférence à deux électrodes.
  • TI conventionnelle : Deux paires d'électrodes ont délivré des courants à 2000 Hz et 2001 Hz (fréquence de battement de 1 Hz) pour générer des champs d'interférence à la fois dans les coupes et in vivo.
  • Contrôles : Une stimulation à haute fréquence non modulée (porteur seul) et des contrôles fictifs (sham) ont été utilisés pour la comparaison.
• Imagerie et enregistrement :
  • Microscopie à deux photons : Utilisée pour surveiller les réponses neuronales (transitoires calciques et changements de voltage) avec une haute résolution spatiale et temporelle, évitant ainsi les artefacts électriques.
  • Immunohistochimie : L'expression de c-Fos a été quantifiée après une stimulation prolongée (20 minutes) pour évaluer l'activation neuronale généralisée à travers les régions corticales et cérébrales profondes.
  • Modélisation computationnelle : Des simulations NEURON utilisant des modèles biophysiques de neurones pyramidaux corticaux et de compartiments axonaux ont été utilisées pour étudier les mécanismes ioniques et les distributions de champs spatiaux.

Contributions clés et résultats

1. La stimulation kilohertz non modulée est suffisante pour induire une activité neuronale :
   Contrairement à l'hypothèse selon laquelle les porteurs kilohertz seraient inefficaces, l'étude démontre que la stimulation à haute fréquence non modulée (AM0) seule est suffisante pour provoquer une décharge neuronale et une dépolarisation de sous-seuil. Dans les coupes de cerveau, le courant seuil requis pour provoquer des réponses était en fait plus faible pour les porteurs non modulés que pour les formes d'onde modulées en amplitude (AM50, AM100). Cela suggère que le champ à haute fréquence lui-même induit l'activation, probablement via un mécanisme où l'activation rapide des canaux sodiques surpasse l'activation plus lente des canaux potassium, entraînant une dépolarisation membranaire cumulative.

2. La modulation d'amplitude organise la structure temporelle, et non la focalité spatiale :
   Bien que l'activation se produise largement à travers le champ de stimulation, la structure temporelle de la réponse est distincte.

   • Activation généralisée : Tant la stimulation par porteur seul que la stimulation TI ont recruté des neurones sur l'ensemble du champ d'imagerie, sans différence significative dans la distribution spatiale des cellules réactives.
   • Modulation rythmique focale : Seule la stimulation TI (avec AM) a imposé une synchronisation rythmique à la fréquence de battement (par exemple, 1 Hz). Cet entraînement était spatialement restreint, étant plus fort près du centre du champ d'interférence là où l'indice AM était le plus élevé, et diminuant avec la distance. Ainsi, la TI ne confine pas l'activation à un point focal, mais impose une modulation temporelle focale sur une population largement activée.

3. Dépolarisation rythmique de sous-seuil :
   En utilisant des indicateurs de voltage (JEDI-2P), les auteurs ont montré que même à des intensités de sous-seuil où les potentiels d'action n'étaient pas générés, la stimulation TI induisait des oscillations rythmiques du potentiel de membrane synchronisées à la fréquence de battement. La stimulation par porteur seul induisait une dépolarisation mais manquait de cette organisation rythmique. Cela indique que la TI peut moduler l'excitabilité et le timing neuronaux sans nécessairement induire des décharges suprathématiques.

4. Validation in vivo et expression de c-Fos :

   • Imagerie in vivo : Chez des souris anesthésiées et éveillées, la stimulation TI a provoqué des transitoires calciques rythmiques synchronisés à la fréquence de battement, tandis que la stimulation par porteur seul a produit une activité non rythmique d'amplitude comparable.
   • Activation à long terme : Une stimulation prolongée (20 minutes) a entraîné une régulation positive significative de c-Fos dans le cortex (près des électrodes) pour les conditions TI et porteur seul. Cependant, aucune augmentation significative de c-Fos n'a été observée dans la cible profonde (hippocampe), suggérant que l'amplitude du champ électrique local dans la cible profonde était insuffisante pour induire l'expression de gènes précoces immédiats, malgré la présence de l'AM. Cela renforce l'idée que l'activation est pilotée par l'intensité du champ, tandis que l'AM dicte le timing de cette activation.

Signification et revendications
L'article affirme fournir un cadre révisé pour comprendre la stimulation par TI. Les auteurs soutiennent que la TI ne doit pas être principalement perçue comme une méthode de génération d'activation neuronale focale, mais plutôt comme une méthode pour imposer une modulation temporelle focale sur une activation neuronale généralisée.

• Aperçu mécaniste : L'étude remet en question l'idée que les porteurs kilohertz sont physiologiquement inertes. Au lieu de cela, elle propose que le champ à haute fréquence induit la dépolarisation via la cinétique des canaux ioniques, tandis que la modulation d'amplitude organise le timing de cette activité.
• Implications thérapeutiques : Les résultats suggèrent que la « focalité » de la TI est temporelle plutôt que spatiale. Cela a des implications pour l'interprétation des données cliniques (par exemple, les réponses BOLD de l'IRMf) et la conception de protocoles de stimulation. Les auteurs suggèrent qu'une activation généralisée pourrait être utile thérapeutiquement pour moduler la connectivité des réseaux, tandis que l'AM focale peut être utilisée pour entraîner sélectivement des rythmes spécifiques dans les cibles profondes.
• Directions futures : Les auteurs soulignent que l'entraînement efficace par TI pourrait nécessiter des amplitudes de stimulation plus élevées que ce qui était précédemment supposé, particulièrement à des fréquences de porteur plus hautes, et que l'interaction entre la modulation externe et les états cérébraux endogènes est critique pour l'efficacité.

L'étude conclut que la stimulation à la fréquence kilohertz est elle-même un régime neuromodulateur puissant, et que la TI représente une application spécifique où la modulation d'amplitude est utilisée pour façonner la dynamique temporelle de cette activation généralisée.