BrainMap-DBS-undersøgelsen: Brain Network-analyse ved hjælp af 7-Tesla MR og magnetoencephalografi til dyb hjernestimulering (BRAINMAP-DBS)

Dyb hjernestimulering til Parkinsons sygdom og essentielle rysten Effekten af ​​dyb hjernestimulering (DBS) er afhængig af moduleringen af ​​dysfunktionelle motoriske hjernnetværk.1,2 I gennemsnit opnås 50% motorisk forbedring ved hjælp af standardiserede motoriske vurderinger. Imidlertid viser ca. 20% af patienterne utilstrækkelig fordel med mindre end 30% forbedring.3,4 For at forbedre disse resultater er der behov for bedre elektrodeplacering og valg af DBS -elektrisk parameterprogrammering.5 Dette kræver mere avanceret visualisering af de komplicerede motoriske netværk; Både anatomisk (7-tesla MRI) og funktionel (MEG) .11,12,13 Aktuelle DBS-implantationer er baseret på 1,5- eller 3-tesla MR-scanninger. Opløsningen af ​​disse scanninger er imidlertid ikke tilstrækkelig til at visualisere hjernnetværk, hvilket forhindrer præcis elektrodeplacering direkte ved motordele i den lille (størrelse af en kaffebønne) hjernekerne. Ud over den 7-Tesla MR-guidede elektrodeplacering vil programmering være rettet mod at påvirke de kortikale motoriske områder ved anvendelse af MEG, hvilket resulterer i et samlet fald i dysfunktionel netværksaktivitet; I stedet for "en-hjerne" -modellen for alle, bliver DBS derved patientspecifik, fokuseret på ens eget hjernnetværk.

Brain Network-analyse ved hjælp af 7-Tesla MR og MEG 7-Tesla MRI og MEG-protokoller, der allerede er udviklet af vores gruppe og rapporteret i (fem) undersøgelser, vil blive anvendt.6,7,8,9,10 I disse undersøgelser viste vi ikke-fremdrevet visualisering af hjernnetværk ved anvendelse af 7-Tesla MRI og MEG hos Parkinsons sygdomspatienter, der gennemgik DBS, og potentialet til at øge forbedringen i motorisk funktion med mindst 10%. 7-Tesla MRI-netværksanalyse, genereret ved at kombinere T2 og diffusionsvægtet MR, viser de (farvede) underafdelinger af hjernekernen og tilknyttede kortikale fremskrivninger. MEG-netværksanalysen, der er genereret fra MEG-optagelserne, viser, hvilke kortikale regioner der er påvirket (stigning eller fald i aktivitet, hvilket resulterer i forskellige farver) for hver af de fire individuelle elektrodekontakter. Samregistrering af 7-Tesla MRI-netværket, MEG-netværket og CT-scanningen udføres for præcis elektrodelokalisering. Resultatet viser, hvor underafdeling DBS-elektrodekontakten er placeret (placering), hvortil kortikalt område underafdelingsprojekterne og hvilke aktivitetsmønstre og ændringer deri induceres på de kortikale områder (aktivering) .16 Kliniske testresultater af elektrodekontakten vil derefter være korreleret (regressionsanalyser) med netværksanalysen. Da hele netværksanalysen vil blive visualiseret integreret på MR, er både individuelle analyser og gruppeanalyser (co-registrering af netværk af flere patienter) mulige såvel som anvendelse på variablen Autoencoder. DBS-placering og programmering baseret på 7-Tesla MR- og MEG-netværksanalyse vil blive brugt til at optimere resultatet for fordelagtige kliniske effekter (undertrykkelse af rysten, Bradykinesi, stivhed) med minimering af bivirkninger (apati, tale) .15

For hver patient tager den samlede MEG -optagelse 55 minutter. Ni korte perioder med ensidig stimulering udføres med en af ​​otte individuelle elektrodekontakter og en optagelse under DBS off i en randomiseret sekvens. Effekten af ​​DBS på motorisk funktion (rysten, bradykinesi, stivhed, tale) er normalt øjeblikkelig, og vurderingstiden er kort (minutter). DBS -indstillinger kan justeres midlertidigt under MEG -optagelser sammen med klinisk vurdering.

Efter afslutningen af ​​denne proces for alle otte kontakter af elektroden udføres netværksanalysen og viser DBS-elektrodekontakten (venstre og højre), som (udelukkende) modulerer motorens hjernnetværk. Når elektrodekontakten (DBS-programmet), som patienten havde før tilmelding, adskiller sig fra det nye 'Brain Network Guided-program' som bestemt ved netværksanalysen, tilføjes dette nye program til DBS-systemet. I det nye program er marginer til justering af stimuleringamplitude opsat til senere justeringer. Programmet, som patienten havde før tilmelding til undersøgelsen, holdes som et af programmerne på enheden, som kan bruges som en 'flugtindstilling' af patienten, hvis de nyligt programmerede konfigurationer har en dårligere klinisk effekt. Efter tre måneders netværksstyrede DBS-standardiserede vurderinger af motoriske færdigheder (UPDRS-III, TETRAS), udføres som en del af standard klinisk pleje.

Dette projekt blev oprettet i tæt samarbejde med fem DBS-patienter (patientforskere). De identificerede at genvinde uafhængighed som den vigtigste effekt af DBS. De citerede den mulige negative indvirkning på kognition og humør (hukommelse, tale, apati) af DBS som deres største bekymring. De diskuterede bekymringer blev direkte indarbejdet i projektet.

Kun få centre over hele verden har en 7-Tesla MR- og MEG-scanning, og derfor vil vi gøre denne viden tilgængelig via en åben adgangsdatabase. Vi anvender netværksanalyserne i den variable autoencoder (maskinlæringsalgoritme, en type kunstig intelligens) til at generere forudsigelsesmodeller ved hjælp af Department of Biomedical Engineering & Physics (Amsterdam UMC) .14 Anvendelsen af ​​maskinlæring til et stort antal scanninger i høj opløsning giver mulighed for generering af netværksmodeller (Connectomes) til at indikere den mest optimale placering og programmering for DBS-elektroden; direkte anvendelig for alle DBS -grupper.

Feasibility Enhver patient, der gennemgår DBS ved Amsterdam UMC, gennemgår en præoperativ 7-Tesla MR som en del af standardpleje. I de 450 7-Tesla MR-scanner, vi har udført til dato, stødte vi sjældent på ikke-kompatible implantater eller svær klaustrofobi. Hver patient gennemgår screening med et MR -sikkerhedsspørgeskema og MR -metaldetektor (forebygger at tage ferromagnetiske materialer i MRI). 7-Tesla MRI er en ikke-invasiv teknik, der ikke forårsager smerter, og vigtigst af alt producerer de elektromagnetiske felter ingen kendt vævsskade af nogen art. MR -systemet kan til tider gøre højt tapping, bankende eller andre lyde under proceduren. Earplugs leveres for at forhindre problemer, der kan være forbundet med støj genereret af scanneren. På alle tidspunkter overvåges patienten (visuelt) og vil være i stand til at kommunikere med 7-Tesla MRI-teknolog ved hjælp af et intercom-system. Patienten kan (anmoder om) at stoppe overtagelsen når som helst ved at bruge knappen Trush (hold ved patienten kontinuerligt).

MEG-optagelser er ikke-invasive, smertefri og har ubetydelige risici. Baseret på litteratur og vores egen erfaring hos 40 patienter er MEG -optagelser under DBS en sikker procedure. Deltagerne tager en ekstra tur til Meg Center beliggende på Location VUMC. Ændring af DBS-indstillinger inden for de grænser, der er angivet i deltagernes individuelle DBS-pas, er en risikofri procedure. Da deltagerne er i liggende position på en behagelig seng under MEG -optagelser, forventer vi ikke, at de oplever uacceptable motoriske symptomer.

For første gang kombineres 7-Tesla MR og MEG-netværksanalyse på en storstilet potentiel måde; Introduktion af patientspecifikt netværksstyret DBS -elektrodeplacering og programmering.