Verwendung von DBS zur Untersuchung der Basalganglien-Dysfunktion

Diese Studie untersucht, wie die Basalganglien zu motorischen Symptomen wie Tremor, Bradykinesie und Muskelkrämpfen beitragen. Der grundlegende Forschungsansatz besteht darin, von Stellen in den Basalganglien aufzuzeichnen, während die Patienten symptomatisch sind, sodass Gehirnströme mit Symptomen/Anzeichen korreliert werden können. Sobald eine Gehirnwelle in einen Aspekt einer abnormalen Bewegung verwickelt ist, können die Forscher versuchen, ihre zentrale Rolle bei der Funktion oder Dysfunktion zu bestätigen, indem sie eine Stimulation auslösen, wann immer die Gehirnwelle aufgenommen wird. Für die Stimulation verwenden die Forscher die gleiche Hochfrequenzstimulation (130 Hz), wie sie klinisch verwendet wird, da davon ausgegangen wird, dass dies die neuronale Aktivität an der Stimulationsstelle effektiv unterdrückt. Wenn also eine bestimmte Gehirnwelle beispielsweise für die Verlangsamung der Bewegung wichtig ist, dann kann erwartet werden, dass die Bewegungsgeschwindigkeit erhöht wird, indem eine Stimulation ausgelöst wird, wann immer diese Gehirnwelle groß ist.

Die Forscher hoffen, diesem zweistufigen Verfahren folgen zu können, um die Rolle der verschiedenen Gehirnaktivitäten zu dokumentieren, die von den Basalganglienstellen beim Antreiben von Zittern, Muskelkrämpfen und Verlangsamung der Bewegung bei Patienten mit Parkinson-Krankheit, Dystonie und essentiellem Tremor erfasst werden. Diese Studie ist wichtig, denn wenn die Forscher die Gehirnfunktion und spezifische Symptome durch Stimulation verändern können, können sie dieselbe Form der rückkopplungsgesteuerten Stimulation als potenziell effiziente Behandlungsform verwenden. Die herkömmliche Tiefenhirnstimulation liefert die ganze Zeit über eine feste Stimulation. Forscher beginnen zum Beispiel zu sehen, dass eine Stimulationskontrolle, die auf der Rückmeldung der Beta-Aktivität in den Basalganglien basiert, Vorteile gegenüber der herkömmlichen kontinuierlichen Tiefenhirnstimulation bei der Behandlung der Parkinson-Krankheit haben könnte.

Die aktuelle Studie interessiert sich besonders für die Prozesse, die zu Langsamkeit (Bradykinesie) und Steifheit (Stiffness) bei Patienten mit Parkinson-Krankheit, Tremor bei Patienten mit Parkinson-Krankheit und essentiellem Tremor sowie Muskelkrämpfen bei Patienten mit Dystonie beitragen.

1. Bradykinesie und Rigidität bei Patienten mit Parkinson-Krankheit Hier gibt es bereits Hinweise darauf, dass diese Beeinträchtigungen mit der Aktivität im Beta-Frequenzband (~20Hz) zusammenhängen. Eine solche Aktivität ist bei Patienten mit Parkinson-Krankheit übertrieben, bei denen sie in Ausbrüchen auftritt, die mehrere hundert Millisekunden oder sogar länger dauern. Die Forscher haben bereits gezeigt, dass sie durch das Auslösen einer Stimulation bei Ausbrüchen von Beta-Aktivität die Bewegung beschleunigen und die Starrheit verringern können. In der vorliegenden Studie interessieren sie sich dafür, (a) zu bestimmen, ob es notwendig ist, Beta-Bursts auszulösen, oder ob es ausreicht, das allgemeine Niveau der Beta-Aktivität auszulösen (dh über lange Zeiträume gemittelt), (b) ob dies der Fall ist erforderlich ist, um alle Beta-Bursts auszulösen, oder müssen nur die langen Bursts ausgelöst werden, und (c) ob die getriggerte Stimulation auch ausreicht, um Tremor zu kontrollieren, wenn dies ein koexistierendes Symptom ist. Die Erforschung dieser Probleme erfordert, dass die Ermittler die Aktivität der Basalganglien (das Feedback) aufzeichnen und eine Stimulation abgeben, während sie variieren, wie das Feedback verarbeitet wird, bevor sie die Stimulation steuern. In technischer Hinsicht variieren die Forscher die Details der Signalverarbeitung und der Steuerpolitik, aber das Endergebnis ist eine rückkopplungsgesteuerte Tiefenhirnstimulation. Beachten Sie, dass die Prüfärzte die Stimulationsamplitude nur innerhalb eines klinisch bestimmten Bereichs steuern, der nicht höher als die Schwelle für das Auslösen von Nebenwirkungen geht. Alle übrigen Stimulationsparameter, z.B. Frequenz und Pulsbreite, sind auf klinische Standardeinstellungen eingestellt.
2. Tremor bei Patienten mit Morbus Parkinson oder essentieller Tremor Hier ist der Nachweis, dass Tremor mit einer diskreten Gehirnaktivität assoziiert ist, weniger robust, obwohl vermutet wird, dass Oszillationen mit Tremorfrequenz (und doppelt so hoch) eine Rolle spielen. Unter Bedingungen, bei denen die Ermittler sich über die genaue Art der Faktoren, die zu einem Zustand beitragen, in diesem Fall Tremor, nicht sicher sind, verwenden sie häufig maschinelles Lernen, um die relevanten Faktoren zu finden. Hier schlagen die Forscher vor, sowohl die Aktivität der Basalganglien als auch das Zittern in den Gliedmaßen aufzuzeichnen und diese dann mit maschinellen Lernalgorithmen zu verwenden, um auf die relevante Kombination von Signalen hinzuweisen, die mit dem Zittern verbunden sind. Die Ermittler können dann die Ergebnisse des maschinellen Lernens verwenden, um ihnen zu sagen, wie sie das Zittern mit Stimulation kontrollieren können, während sie die Gewichtungen der Eingaben für die maschinellen Lernalgorithmen abfragen, um die wichtigen Beziehungen abzuleiten. Wie oben werden sie die optimalen Signalverarbeitungs- und Steuerungsrichtliniendetails untersuchen, aber das Endergebnis ist eine rückkopplungsgesteuerte Tiefenhirnstimulation. Beachten Sie, dass sie die Stimulationsamplitude nur innerhalb eines klinisch bestimmten Bereichs steuern, der nicht höher als die Schwelle für das Auslösen von Nebenwirkungen geht. Alle übrigen Stimulationsparameter, z.B. Frequenz und Pulsbreite, sind auf klinische Standardeinstellungen eingestellt.
3. Unwillkürliche Muskelkrämpfe bei Patienten mit Dystonie Auch hier ist der Nachweis, dass Muskelkrämpfe mit einer diskreten Gehirnaktivität assoziiert sind, relativ schwach, obwohl vermutet wird, dass Oszillationen bei Theta-Alpha-Frequenzen (5-12 Hz) eine Rolle spielen. Die Forscher schlagen vor, sowohl die Aktivität der Basalganglien als auch Muskelkrämpfe im Körper aufzuzeichnen und diese dann mit maschinellen Lernalgorithmen zu verwenden, um auf die relevante Kombination von Signalen hinzuweisen, die mit Muskelkrämpfen verbunden sind. Sie können dann die Ergebnisse des maschinellen Lernens verwenden, um ihnen zu sagen, wie sie Muskelkrämpfe mit Stimulation kontrollieren können. Wie oben werden die Ermittler die optimalen Signalverarbeitungs- und Steuerungsrichtliniendetails untersuchen, aber das Endergebnis ist eine rückkopplungsgesteuerte Tiefenhirnstimulation. Beachten Sie, dass sie die Stimulationsamplitude nur innerhalb eines klinisch bestimmten Bereichs steuern, der nicht höher als die Schwelle für das Auslösen von Nebenwirkungen geht. Alle übrigen Stimulationsparameter, z.B. Frequenz und Pulsbreite, sind auf klinische Standardeinstellungen eingestellt.

Zu verwendende Techniken

Unsere Studie umfasst mehrere Techniken:

1. Bewertung von Symptomen unter Verwendung von klinischen Standardbewertungsskalen, z. B. Teil III Motor UPDRS, Unified Dyskinesia Rating Scale und Sprachverständlichkeitstest bei Patienten mit Parkinson-Krankheit; Bewertungsskala für essentiellen Tremor (TETRAS) für Patienten mit essentiellem Tremor; Burke Fahn Marsden Dystonie Rating Scale (BFMDRS) für Patienten mit Dystonie. Die Leistung dieser Bewertungsskalen wird auch zur Offline-Überprüfung auf Video aufgezeichnet.
2. Erfassung peripherer Symptome wie Bewegungsgeschwindigkeit, Tremor oder Spasmen mit Standardtechniken z.B. Aufzeichnung der Joystick-Bewegungsgeschwindigkeit, Aufzeichnung von Tremor und anderen Bewegungen mit dem Bradykinesie-Akinesie-Koordinationstest, hautmontierten Beschleunigungsmessern und hautmontierten elektromyografischen (EMG) Elektroden. Dies sind standardmäßige, nicht-invasive Techniken, die keine unangenehmen Nebenwirkungen haben.
3. Aufzeichnung des EEG mit auf der Kopfhaut angebrachten Elektroden. Dies ist eine standardmäßige, nicht-invasive Technik, die keine Nebenwirkungen oder Beschwerden mit sich bringt. Es gibt hier jedoch einen wichtigen Vorbehalt, dass diese Patienten, da sie kürzlich Operationsnarben auf ihrer Kopfhaut haben, diese vermeiden werden, sodass keine Elektrode innerhalb von 4 cm von einer Wunde an der Kopfhaut angebracht wird. EEG-Elektroden werden mit einer leitfähigen Paste auf die Kopfhaut aufgetragen, die hilft, sie an Ort und Stelle zu halten. Manchmal, wo es der Mangel an Haaren zulässt, verstärken die Ermittler diese Befestigung mit etwas Klebeband. Es besteht kein erhöhtes Infektionsrisiko durch Aufzeichnungen bei Patienten mit externen Elektroden für die tiefe Hirnstimulation.
4. Aufzeichnungen des Tiefen-EEG von den Elektroden für die tiefe Hirnstimulation, die vom Chirurgen für die klinische Standardtherapie in das Gehirn implantiert wurden. Da es sich um passive Aufnahmen handelt, gibt es keine Nebenwirkungen oder Risiken. Die Aufnahmen in 2-4 werden mit einem Verstärker durchgeführt, der ein Zertifizierungszeichen trägt, das die Konformität mit Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltschutzstandards für Produkte anzeigt, die innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraums verkauft werden.
5. Stimulation der tiefen Hirnstimulationselektroden, die vom Chirurgen für die klinische Standardtherapie in das Gehirn implantiert werden. Die Stimulation kann Nebenwirkungen verursachen, daher ist es wichtig, dass die Prüfärzte die Stimulation nur in der klinisch verwendeten Form und Reichweite abgeben und dabei darauf achten, immer unter der Schwelle für Nebenwirkungen zu bleiben. Die Stimulation erfolgt über einen hausinternen, speziell angefertigten, batteriebetriebenen, bilateralen Stimulator, der kein Zertifizierungszeichen trägt, das die Konformität mit Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltschutzstandards für Produkte anzeigt, die innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraums verkauft werden. Trotzdem ist es vollständig sicherheitsgeprüft. Der Stimulator ist eine aktualisierte Version dessen, der für mehrere frühere Studien verwendet wurde, die vom United Kingdom National Research Ethics Service Committee South Central überprüft und genehmigt wurden. Um eine Stimulationsrückgabe zu ermöglichen, ist der Verstärker mit einem leitenden Pad verbunden, das über dem Hals platziert wird. Regelmäßige Impedanzprüfungen stellen sicher, dass diese Verbindung während des gesamten Experiments robust ist.

Die Teilnehmer haben die Wahl, sich der Studie ohne ihre üblichen Medikamente gegen ihre motorischen Symptome oder mit solchen Medikamenten zu unterziehen. Der erstere Zustand wird bevorzugt, um den Nachweis einer Verbindung zwischen neuronalen Aktivitäten und Symptomen zu erleichtern, aber die endgültige Entscheidung liegt beim Teilnehmer. Die Symptome können bei vorübergehendem Absetzen von Medikamenten schlimmer sein, aber die meisten Teilnehmer werden damit vertraut sein, weil sie ihre Medikamente in der Vergangenheit vergessen haben oder weil ihre Medikamente im Rahmen eines klinischen Tests wie der Levodopa-Challenge vorübergehend abgesetzt wurden.