Charakterisierung komplexer Pulsformen in der tiefen Hirnstimulation bei Bewegungsstörungen mittels EEG und Lokalfeldpotential-Ableitungen (CHANNEL DBS)

Die Parkinson-Krankheit und der essentielle Tremor sind chronische Bewegungsstörungen, für die es keine Heilung gibt. Wenn Medikamente nicht mehr wirken, wird eine Tiefenhirnstimulation (THS) empfohlen. Standard DBS ist eine Neuromodulationsmethode, die einen einfachen monophasischen Impuls verwendet, der von einer Elektrode geliefert wird, um Neuronen in einem Zielhirnbereich zu stimulieren. Dieser einphasige Impuls breitet sich von der Elektrode aus und erzeugt ein breites elektrisches Feld, das eine große neurale Population stimuliert. Dies kann oft die motorischen Symptome effektiv reduzieren. Viele DBS-Patienten erleben jedoch Nebenwirkungen - verursacht durch die Stimulation von Nicht-Zielneuronen - und eine suboptimale Symptomkontrolle - verursacht durch unzureichende Stimulation des richtigen neuralen Ziels. Die Fähigkeit, das stimulierende elektrische Feld sorgfältig zu manipulieren, um auf bestimmte neurale Subpopulationen abzuzielen, könnte diese Probleme lösen und die Ergebnisse für die Patienten verbessern.

Es hat sich gezeigt, dass das Modifizieren der elektrischen Wellenform (z. Impulsdauer, Impulspolarität etc.) bestimmen die räumliche Selektivität bei der funktionellen Elektrostimulation. Außerdem untersuchte eine kürzlich durchgeführte klinische Studie zum ersten Mal die akuten Wirkungen der anodischen im Vergleich zur kathodischen Neurostimulation bei 10 Parkinson-Patienten. Sie fanden heraus, dass die Schwellenwerte für die anodische Stimulation signifikant höher waren als die Schwellenwerte für die kathodische Stimulation, was mit früheren Untersuchungen in Tierversuchen und Modellrechnungen übereinstimmt. Sie berichteten jedoch auch von einer besseren klinischen Wirkung der anodischen im Vergleich zur kathodischen Stimulation. Darüber hinaus zeigt eine Modellierungsstudie von Anderson et al. (2018) fanden heraus, dass Faserorientierungen selektiv in Abhängigkeit von der Stimuluswellenform (d. h. kathodisch oder anodisch). Eine weitere kürzlich durchgeführte Studie untersuchte die Wirkung eines aktiven symmetrischen biphasischen Pulses bei 8 PD- und 3 ET-Patienten. Sie fanden heraus, dass diese Pulsformen im Vergleich zur klinischen Standardpulsform signifikante klinische Verbesserungen hervorriefen.

Neben der symmetrischen biphasischen Pulsform zeigt der asymmetrische Vorpuls ein großes Potenzial zur Verfeinerung der THS-Therapie. Ist der Vorpuls anodisch, wirkt er hyperpolarisierend und wird daher als hyperpolarisierender Vorpuls bezeichnet. Ist er kathodisch, wirkt er in Elektrodennähe depolarisierend und wird daher als depolarisierender Vorpuls bezeichnet. Klinische Studien konzentrierten sich auf die Verwendung asymmetrischer Impulsformen zur Verbesserung der räumlichen Selektivität durch selektive Anregung von Fasern bei Cochlea-Implantat-Hörern13-16. Modellierungsstudien weisen darauf hin, dass ein hyperpolarisierender Vorimpuls die Schwelle für Axone tatsächlich senken kann und dass die Schwelle für Axone in der Nähe der Elektrode stärker gesenkt wird als für weiter entfernte Axone. Dies weist darauf hin, dass ein hyperpolarisierender Vorimpuls dazu beitragen kann, die Wirkung der Stimulation auf Axone in der Nähe der Elektrode zu fokussieren, was zu einer Vergrößerung des therapeutischen Fensters und einer potenziell effizienteren Symptomkontrolle führt.

Es gibt Hinweise darauf, dass zeitliche Manipulationen (d. h. die Verwendung komplexer Impulsformen, insbesondere zweiphasiger Impulse und asymmetrischer Vorimpulse) des Stimulationsfelds biophysikalische Unterschiede in Neuronen ausnutzen können, um auf bestimmte Subpopulationen abzuzielen. Letztendlich kann dies zu einer Vergrößerung des therapeutischen Fensters und/oder einer effizienteren Symptomkontrolle führen. In dieser Studie zielen wir darauf ab, den neuralen Mechanismus zu verstehen, der die beobachteten klinischen Wirkungen durch die Manipulation der Pulsformen untermauert, indem wir die neurophysiologischen Reaktionen auf die klinischen Standardpulsformen mit den Reaktionen auf die komplexen Pulsformen vergleichen. Dies wird durch zwei Ansätze erreicht. Der erste Ansatz untersucht neuronale Reaktionen auf verschiedene Impulsformen mithilfe von Elektroenzephalographie (EEG)-Aufzeichnungen. Der zweite Ansatz wird neuronale Reaktionen auf verschiedene Impulsformen unter Verwendung von intraoperativen Aufzeichnungen des lokalen Feldpotentials (LFP) untersuchen. Dieses Studien- und Forschungsprotokoll bezieht sich nur auf die Sammlung von EEG- und LFP-Aufzeichnungen bei DBS-Patienten. Das Protokoll deckt keine chirurgischen Eingriffe ab, die bereits im Rahmen der normalen klinischen Versorgung des Patienten stattfinden.