Sleep disorders, increasingly prevalent in the general population, induce impairment in daytime functioning and other clinical problems. As changes in cortical excitability have been reported as potential pathophysiological mechanisms underlying sleep disorders, multiple studies have explored clinical effects of modulating cortical excitability through non-invasive brain stimulation in treating sleep disorders. In this study, we critically reviewed clinical studies using non-invasive brain stimulation, particularly transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS), for treatment of sleep disorders. Previous studies have reported inconsistent therapeutic effects of TMS and tDCS for various kinds of sleep disorders. Specifically, low-frequency repetitive TMS (rTMS) and cathodal tDCS, both of which exert an inhibitory effect on cortical excitability, have shown inconsistent therapeutic effects for insomnia. On the other hand, high-frequency rTMS and anodal tDCS, both of which facilitate cortical excitability, have improved the symptoms of hypersomnia. In studies of restless legs syndrome, high-frequency rTMS and anodal tDCS induced inconsistent therapeutic effects. Single TMS and rTMS have shown differential therapeutic effects for obstructive sleep apnea. These inconsistent findings indicate that the distinctive characteristics of each non-invasive brain stimulation method and specific pathophysiological mechanisms underlying particular sleep disorders should be considered in an integrated manner for treatment of various sleep disorders. Future studies are needed to provide optimized TMS and tDCS protocols for each sleep disorder, considering distinctive effects of non-invasive brain stimulation and pathophysiology of each sleep disorder.
Brain stimulation technology that administers electrical and magnetic stimulation to a brain has shown a significant level of possibility for treating a wide range of various neurological and psychiatric disorders. Depending on its nature, the technology is defined either as invasive or non-invasive, and deep brain stimulation (DBS) is one of the most well-known invasive brain stimulation technologies. Currently categorized as grade 4 medical device in accordance with Guideline On Medical Devices And Their Grades, a Notification of Ministry of Food and Drug Safety (MFDS), the DBS has been used as a stable treatment for several diseases. At the same time, the DBS technology has recently achieved substantial advancement, encouraging active discussions for its use from various perspectives. On the contrary, debates over legal regulation related to the use of DBS has relatively been smaller in numbers. In this context, this article aims to 1) introduce the DBS technology and its safety in setting out the tone; 2) touch upon major legal issues that would potentially rise from its use for four different purposes of treatment, clinical study, areas of non-standard treatment where no other methods are available, and enhancement; and finally 3) highlight disputes concerning common emerging issues observed in the aforementioned four purposes from the viewpoint of legal responsibility and liability of using the DBS, which are benefit-risk assessment, physicians' duty of information, patients' capacity to consent, control for device, and insurance coverage.
Kim, Shin Tae;Kim, Hae Won;Kim, Se Joo;Kang, Jee In
Korean Journal of Biological Psychiatry
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v.24
no.3
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pp.95-109
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2017
Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a non-invasive neuromodulation technique which can change cortical excitability in targeted area by producing magnetic field pulses with an electromagnetic coil. rTMS treatment has been used to treat various neuropsychiatric disorders including depression. In this review, we evaluate the literature on rTMS for depression by assessing its efficacy on different subtypes of depression and different technical parameters. In particular, we focus on the results of randomized clinical trials and meta-analyses for depression after the US Food and Drug Administration approval in 2008, which acknowledged its efficacy and acceptability. We also review the new forms of rTMS therapy including deep TMS, theta-burst stimulation, and magnetic seizure therapy (MST) that have been under recent investigation. High frequency rTMS over left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), low frequency rTMS over right DLPFC, or bilateral rTMS is shown to be effective and acceptable in treatment for patients with non-psychotic, unipolar depression either as monotherapy or adjuvant. Deep TMS, theta-burst stimulation and MST are promising new TMS techniques which warrant further research.
Advances in brain science have made it possible to stimulate the brain to treat brain disorder or to connect directly between the neuron activity and an external devices. Non-invasive neurotechnologies already exist, but invasive neurotechnologies can provide more precise stimulation or measure brainwaves more precisely. Nowadays deep brain stimulation (DBS) is recognized as an accepted treatment for Parkinson's disease and essential tremor. In addition DBS has shown a certain positive effect in patients with Alzheimer's disease and depression. Brain-computer interfaces (BCI) are in the clinical stage but help patients in vegetative state can communicate or support rehabilitation for nerve-damaged people. The issue is that the people who need these invasive neurotechnologies are those whose capacity to consent is impaired or who are unable to communicate due to disease or nerve damage, while DBS and BCI operations are highly invasive and require informed consent of patients. Especially in areas where neurotechnology is still in clinical trials, the risks are greater and the benefits are uncertain, so more explanation should be provided to let patients make an informed decision. If the patient is under guardianship, the guardian is able to substitute for the patient's consent, if necessary with the authorization of court. If the patient is not under guardianship and the patient's capacity to consent is impaired or he is unable to express the consent, korean healthcare institution tend to rely on the patient's near relative guardian(de facto guardian) to give consent. But the concept of a de facto guardian is not provided by our civil law system. In the long run, it would be more appropriate to provide that a patient's spouse or next of kin may be authorized to give consent for the patient, if he or she is neither under guardianship nor appointed enduring power of attorney. If the patient was not properly informed of the risks involved in the neurosurgery, he or she may be entitled to compensation of intangible damages. If there is a causal relation between the malpractice and the side effects, the patient may also be able to recover damages for those side effects. In addition, both BCI and DBS involve the implantation of electrodes or microchips in the brain, which are controlled by an external devices. Since implantable medical devices are subject to product liability laws, the patient may be able to sue the manufacturer for damages if the defect caused the adverse effects. Recently, Korea's medical device regulation mandated liability insurance system for implantable medical devices to strengthen consumer protection.
Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive brain stimulation that is able to alter neuronal activity in particular brain regions. Many studies have researched how tDCS modulates neuronal activity and reorganizes neural networks. However it is difficult to conclude the effect of brain stimulation because the studies are heterogeneous with respect to the stimulation parameter as well as individual difference. It is not fully in agreement with the effects of brain stimulation. In particular few studies have researched the reason of variability of brain stimulation in response to time so far. The study investigated individual variability of brain stimulation based on circadian rhythm and chronotype. Participants were divided into two groups which are morning type and evening type. The experiment was conducted by Zoom meeting which is video meeting programs. Participants were sent experiment tool which are Muse(EEG device), tdcs device, cell phone and cell phone holder after manuals for experimental equipment were explained. Participants were required to make a phone in frount of a camera so that experimenter can monitor online EEG data. Two participants who was difficult to use experimental devices experimented in a laboratory setting where experimenter set up devices. For all participants the accuracy of 98% was achieved by SVM using leave one out cross validation in classification in the the effects of morning stimulation and the evening stimulation. For morning type, the accuracy of 92% and 96% was achieved in classification in the morning stimulation and the evening stimulation. For evening type, it was 94% accuracy in classification for the effect of brain stimulation in the morning and the evening. Feature importance was different both in classification in the morning stimulation and the evening stimulation for morning type and evening type. Results indicated that the effect of brain stimulation can be explained with brain state and trait. Our study results noted that the tDCS protocol for target state is manipulated by individual differences as well as target state.
Kim, Ji-Eun;Park, Ye-Eun;Jeong, Jin-Hyoung;Lee, Sang-Sik
The Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology
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v.14
no.5
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pp.403-412
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2021
Alzheimer's disease (AD) is the most common cause of dementia, showing progressive neurodegeneration. Although oral medications for symptomatic improvement still take a huge part of treatment, there are several limitations caused by pharmacology-based real world clinic. In this respect, non-pharmacologic treatment for AD is rising to prominence. Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a one of the non-invasive neuromodulation technique, using low-voltage direct current. In terms of safety, tDCS already has been proven through numerous previous reports. This review focused on behavioral, neurophysiologic and histopathologic improvement by applying tDCS in AD rodent models, thereby suggesting reliable background evidence for human-based tDCS study.
Purpose: To localize and compare the neural basis of verbal and visual human working memory, we performed functional activation study using $H_2^{15}O$ PET. Materials and Methods: Repeated $H_2^{15}O$ PET scans with one control and three different activation tasks were performed on six right-handed normal volunteers. Each activation task was composed of 13 match-ing trials. On each trial, four targets, a fixation dot and a probe were presented sequentially and subject's task was to press a response button to indicate whether or not the probe was one of the previous targets. Short meaningful Korean words, simple drawings and monochromic pictures of human faces were used as matching objects for verbal or visual memory. All the images were spatially normalized and the differences between control and activation states were statistically analyzed using SPM96. Results: Statistical analysis of verbal memory activation with short words showed activation in the left Broca's area, promoter cortex, cerebellum and right cingulate gyrus. In verbal memory with simple drawings, activation was shown in the larger regions including where activated with short words and left superior temporal cortex, basal ganglia, thalamus, prefrontal cortex, anterior portion of right superior temporal gyrus and right infero-lateral frontal cortex. On the other hand, the visual memory task activated predominantly right-sided structures, especially inferior frontal cortex, supplementary motor cortex and superior parietal cortex. Conclusion: The results are consistent with the hypothesis of the laterality and dissociation of the verbal and visual working memory from the invasive electrophysiological studies and emphasize the pivotal role of frontal cortex and cingulate gyrus in working memory system.
Purpose: Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) has recently been clinically applied in the treatment of drug resistant depressed patients. There are mixed findings about the efficacy of rTMS on depression. Furthermore, the influence of rTMS on the physiology of the brain is not clear. We prospectively evaluated changes of regional cerebral blood flow (rCBF) between pre- and post-rTMS treatment in patients with drug resistant depression. Materials and Methods: Twelve patients with drug-resistant depression (7 male, 5 female; age range: $19{\sim}52$ years; mean age: $29.3{\pm}9.3$ years) were given rTMS on right prefrontal lobe with low frequency (1 Hz) and on left prefrontal lobe with high frequency (20 Hz), with 20-minute-duration each day for 3 weeks. Tc-99m ECD brain perfusion SPECT was obtained before and after rTMS treatment. The changes of cerebral perfusion were analyzed using statistical parametric mapping (SPM; t=3.14, uncorrected p<0.01, voxel=100). Results: Following areas showed significant increase in rCBF after 3 weeks rTMS treatment: the cingulate gyrus, fusiform gyrus of right temporal lobe, precuneus, and left lateral globus pallidus. Significant decrement was noted in: the precental and middle frontal gyrus of right frontal lobe, and fusiform gyrus of left occipital lobe. Conclusion: Low-frequency rTMS on the right prefrontal cortex and high-frequency rTMS on the left prefrontal cortex for 3 weeks as an add-on regimen have increased and decreased rCBF in the specific brain regions in drug-resistant depressed patients. Further analyses correlating clinical characteristics and treatment paradigm with functional imaging data may be helpful in clarifying the pathophysiology of drug-resistant depressed patients.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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