DBS:n käyttö basaaliganglioiden toimintahäiriön tutkimiseen

Tämä tutkimus tutkii, kuinka tyvihermosolmukkeet vaikuttavat motorisiin oireisiin, kuten vapinaan, bradykinesiaan ja lihasspasmiin. Perustutkimuksen lähestymistapa on tallentaa tyviganglioiden kohdista, kun potilaat ovat oireettomia, jotta aivoaaltoja voidaan korreloida oireiden/merkkien kanssa. Kun aivoaalto liittyy johonkin epänormaalin liikkeen osaan, tutkijat voivat yrittää vahvistaa sen keskeisen roolin toiminnassa tai toimintahäiriössä käynnistämällä stimulaation aina, kun aivoaalto havaitaan. Stimulaatioon tutkijat käyttävät samaa korkeataajuista stimulaatiota (130 Hz) kuin kliinisesti, koska sen uskotaan tukahduttavan tehokkaasti hermoston toimintaa stimulaatiokohdassa. Näin ollen, jos tietty aivoaalto on tärkeä esimerkiksi liikkeen hidastamisessa, niin käynnistämällä stimulaatio aina kun tämä aivoaalto on suuri, voidaan odottaa liikenopeuden nousevan.

Tutkijat toivovat voivansa seurata tätä kaksivaiheista menettelyä dokumentoidakseen tyviganglioiden erilaisten aivotoimintojen roolin vapinassa, lihasspasmissa ja liikkeiden hitaudessa Parkinsonin tautia, dystoniaa ja essentiaalista vapinaa sairastavilla potilailla. Tämä tutkimus on tärkeä, sillä jos tutkijat voivat muuttaa aivojen toimintaa ja tiettyjä oireita stimulaatiolla, he voivat käyttää samaa palauteohjattua stimulaatiomuotoa mahdollisesti tehokkaana hoitomuotona. Perinteinen syväaivojen stimulaatio tuottaa kiinteää stimulaatiota koko ajan. Esimerkiksi tutkijat ovat alkaneet nähdä, että tyviganglioiden beeta-aktiivisuudesta saatuun palautteeseen perustuvalla stimulaation ohjauksella voi olla etuja tavanomaiseen jatkuvaan syväaivostimulaatioon verrattuna Parkinsonin taudin hoidossa.

Nykyinen tutkimus on erityisen kiinnostunut prosesseista, jotka edistävät hidasta (bradykinesia) ja jäykkyyttä (jäykkyyttä) Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla, vapinaa Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla ja essentiaalista vapinaa sekä lihaskouristuksia potilailla, joilla on dystonia.

1. Bradykinesia ja jäykkyys Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla Tässä on jo näyttöä siitä, että nämä häiriöt liittyvät beetataajuuskaistan aktiivisuuteen (~20 Hz). Tällainen aktiivisuus on liioiteltua Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla, joille se tulee useita satoja millisekunteja tai jopa pidempään kestävinä purkausina. Tutkijat ovat jo osoittaneet, että laukaisemalla stimulaation, kun beeta-aktiivisuuden purkauksia tapahtuu, ne voivat nopeuttaa liikettä ja vähentää jäykkyyttä. Tässä tutkimuksessa heitä kiinnostaa (a) määrittää, onko tarpeen laukaista beetapurskeet vai riittääkö se laukaisemaan yleisen beeta-aktiivisuuden tason (eli pitkien ajanjaksojen keskiarvona), (b) onko se välttämätön kaikkien beetapurskeiden laukaisemiseksi, vai pitääkö laukaista vain pitkät purskeet, ja (c) riittääkö laukaistu stimulaatio myös vapinan hallintaan, jos tämä on samanaikainen oire. Näiden asioiden tutkiminen edellyttää, että tutkijat tallentavat basaaliganglioiden toiminnan (palautteen) ja toimittavat stimulaation samalla kun he vaihtelevat, miten palautetta käsitellään ennen stimulaation käynnistämistä. Teknisesti tutkijat vaihtelevat signaalinkäsittelyn ja ohjauspolitiikan yksityiskohtia, mutta lopputuloksena on palauteohjattu syvä aivostimulaatio. Huomaa, että tutkijat kontrolloivat stimulaation amplitudia vain kliinisesti määritetyllä alueella, joka ei ylitä sivuvaikutusten kynnystä. Kaikki muut stimulaatioparametrit, esim. taajuus ja pulssin leveys on asetettu normaaliin kliinisiin asetuksiin.
2. Vapina Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla tai Essential Tremor -vapina Tässä todisteet vapinasta erilliseen aivotoimintaan eivät ole yhtä vahvat, vaikka vapinataajuudella (ja kaksinkertaisella) esiintyvillä värähtelyillä epäillään olevan merkitystä. Olosuhteissa, joissa tutkijat eivät ole varmoja tilaan, tässä tapauksessa vapinaan, vaikuttavien tekijöiden tarkasta luonteesta, he käyttävät usein koneoppimista asiaankuuluvien tekijöiden löytämiseksi. Tässä tutkijat ehdottavat, että kirjataan sekä basaaliganglioiden aktiivisuus että vapina raajoissa ja käytetään niitä sitten koneoppimisalgoritmien kanssa osoittamaan vapinaan liittyvien signaalien yhdistelmä. Tutkijat voivat sitten käyttää koneoppimistulosteita kertoakseen heille, kuinka vapinaa voidaan hallita stimulaatiolla, ja samalla tiedustella koneoppimisalgoritmien syötteiden painoja tärkeiden suhteiden päättelemiseksi. Kuten edellä, he tutkivat optimaalisia signaalinkäsittely- ja ohjauspolitiikan yksityiskohtia, mutta lopputulos on palauteohjattu syvä aivojen stimulaatio. Huomaa, että ne säätelevät vain stimulaation amplitudia kliinisesti määritetyllä alueella, joka ei ylitä sivuvaikutusten aiheuttamista kynnystä. Kaikki muut stimulaatioparametrit, esim. taajuus ja pulssin leveys on asetettu normaaliin kliinisiin asetuksiin.
3. Tahattomat lihasspasmit dystoniapotilailla Tässä todisteet siitä, että lihaskouristukset liittyvät erilliseen aivotoimintaan, ovat myös suhteellisen heikkoja, vaikka värähtelyt theta-alfa-taajuuksilla (5-12 Hz) epäillään vaikuttavan asiaan. Tutkijat ehdottavat, että kirjataan sekä tyvihermosolmujen aktiivisuus että lihaskouristukset kehossa ja käytetään niitä sitten koneoppimisalgoritmien kanssa osoittaakseen asiaankuuluvan lihaskouristuksiin liittyvien signaalien yhdistelmän. He voivat sitten käyttää koneoppimistulosteita kertoakseen heille, kuinka lihaskouristuksia voidaan hallita stimulaatiolla. Kuten edellä, tutkijat tutkivat optimaalisia signaalinkäsittely- ja ohjauspolitiikan yksityiskohtia, mutta lopputulos on palauteohjattu syvä aivojen stimulaatio. Huomaa, että ne säätelevät vain stimulaation amplitudia kliinisesti määritetyllä alueella, joka ei ylitä sivuvaikutusten aiheuttamista kynnystä. Kaikki muut stimulaatioparametrit, esim. taajuus ja pulssin leveys on asetettu normaaliin kliinisiin asetuksiin.

Käytettävät tekniikat

Tutkimuksemme sisältää useita tekniikoita:

1. Oireiden arviointi standardinmukaisilla kliinisillä luokitusasteikoilla, esim. osan III motorinen UPDRS, Unified dyskinesia -luokitusasteikko ja puheen ymmärrettävyystesti Parkinsonin tautia sairastavilla potilailla; Essentiaalinen vapina arviointiasteikko (TETRAS) essentiaalista vapinaa sairastaville potilaille; Burke Fahn Marsdenin dystonia-luokitusasteikko (BFMDRS) dystoniapotilaille. Näiden luokitusasteikkojen suorituskyky myös videoillaan offline-tarkastelua varten.
2. Ääreisoireiden, kuten liikenopeuden, vapina tai kouristukset, tallentaminen standarditekniikoilla, esim. tallentaa joystickin liikkeen nopeutta, tallentaa vapinaa ja muita liikkeitä bradykinesia akinesia koordinaatiotestillä, ihoon kiinnitetyillä kiihtyvyysmittareilla ja ihoon kiinnitetyillä elektromyografisilla (EMG) elektrodeilla. Nämä ovat tavallisia, ei-invasiivisia tekniikoita, joihin ei liity epämukavuuden sivuvaikutuksia.
3. EEG:n tallennus päänahkaan kiinnitetyillä elektrodeilla. Tämä on standardi, ei-invasiivinen tekniikka, johon ei liity sivuvaikutuksia tai epämukavuutta. Tässä on kuitenkin tärkeä varoitus, että koska näillä potilailla on äskettäin leikkausarpia päänahassaan, nämä vältetään, jotta päänahkaan ei aseteta elektrodia 4 cm sisällä haavasta. EEG-elektrodit asetetaan päänahkaan johtavalla tahnalla, joka auttaa pitämään ne paikoillaan. Joskus, kun hiusten puute sen sallii, tutkijat vahvistavat kiinnitystä teipillä. Infektioriski ei lisääntynyt potilaiden, joilla on ulkoistetut syvästimulaatiojohdot, tallennukset.
4. Syvyys-EEG-tallenteet syväaivojen stimulaatioelektrodeista, jotka kirurgi on implantoinut aivoihin tavallista kliinistä hoitoa varten. Koska nämä ovat passiivisia tallennuksia, niillä ei ole sivuvaikutuksia tai riskejä. Kohtien 2-4 tallennukset suoritetaan vahvistimella, jossa on sertifiointimerkki, joka osoittaa Euroopan talousalueella myytävien tuotteiden terveys-, turvallisuus- ja ympäristönsuojelustandardien mukaisuuden.
5. Kirurgin aivoihin implantoimien syvästimulaatioelektrodien stimulaatio normaalia kliinistä hoitoa varten. Stimulaatio voi aiheuttaa sivuvaikutuksia, joten mikä tärkeintä, tutkijat antavat stimulaation vain kliinisesti käytetyssä muodossa ja vaihteluvälillä ja huolehtivat siitä, että sivuvaikutusten kynnys jää aina alle. Stimulaatio toimitetaan talon sisäisen, mittatilaustyönä tehdyn, akulla toimitetun, kahdenvälisen stimulaattorin kautta, jolla ei ole sertifiointimerkkiä, joka osoittaa, että Euroopan talousalueella myytävät tuotteet ovat terveys-, turvallisuus- ja ympäristönsuojelustandardien mukaisia. Siitä huolimatta se on täysin turvallisuustestattu. Stimulaattori on päivitetty versio siitä, jota on käytetty useissa aiemmissa tutkimuksissa, jotka Yhdistyneen kuningaskunnan National Research Ethics Service Committee South Central on tarkistanut ja hyväksynyt. Jotta stimulaatio palautuisi, vahvistin on kytketty johtavaan tyynyyn, joka on sijoitettu kaulan päälle. Säännölliset impedanssitarkistukset varmistavat tämän yhteyden kestävyyden kokeen ajan.

Osallistujille annetaan mahdollisuus osallistua tutkimukseen ilman tavanomaista lääkettä motorisiin oireisiinsa tai sellaisilla lääkkeillä. Entistä tilaa suositellaan helpottamaan hermotoiminnan ja oireiden välisen yhteyden osoittamista, mutta lopullisen päätöksen tekee osallistuja. Oireet voivat olla pahempia, jos lääkitys lopetetaan väliaikaisesti, mutta useimmat osallistujat tuntevat tämän, koska he ovat unohtaneet lääkityksensä aiemmin tai koska heidän lääkityksensä keskeytettiin tilapäisesti osana kliinistä testiä, kuten levodopa-haaste.