Monimutkaisten pulssimuotojen karakterisointi syväaivojen stimulaatiossa liikehäiriöiden varalta EEG- ja paikallisten kenttäpotentiaalitallenteiden avulla (CHANNEL DBS)

Parkinsonin tauti ja essentiaalinen vapina ovat kroonisia liikehäiriöitä, joihin ei ole parannuskeinoa. Kun lääkitys ei enää tehoa, suositellaan syvää aivostimulaatiota (DBS). Vakio-DBS on neuromodulaatiomenetelmä, joka käyttää yksinkertaista yksivaiheista pulssia, joka toimitetaan elektrodista stimuloimaan hermosoluja kohdeaivoalueella. Tämä yksivaiheinen pulssi leviää elektrodista muodostaen laajan sähkökentän, joka stimuloi suurta hermopopulaatiota. Tämä voi usein vähentää tehokkaasti motorisia oireita. Kuitenkin monet DBS-potilaat kokevat sivuvaikutuksia - jotka johtuvat muiden kuin kohdehermosolujen stimulaatiosta - ja suboptimaalista oireiden hallintaa - jotka johtuvat oikean hermokohteen riittämättömästä stimulaatiosta. Kyky manipuloida huolellisesti stimuloivaa sähkökenttää tiettyjen hermoalapopulaatioiden kohdistamiseksi voisi ratkaista nämä ongelmat ja parantaa potilaiden tuloksia.

On osoitettu, että sähköisen aaltomuodon muuttaminen (esim. pulssin kesto, pulssin polariteetti jne.) määrittävät toiminnallisen sähköstimulaation spatiaalisen selektiivisyyden. Äskettäisessä kliinisessä tutkimuksessa tutkittiin myös ensimmäistä kertaa anodisen neurostimulaation akuutteja vaikutuksia verrattuna katodiseen neurostimulaatioon 10 PD-potilaalla. He havaitsivat, että anodisen stimulaation kynnykset olivat merkittävästi korkeammat kuin katodistimulaation kynnykset, mikä on sopusoinnussa aiemman eläinkokeiden ja mallilaskelmien kanssa. He ilmoittivat kuitenkin myös anodisen stimulaation paremman kliinisen vaikutuksen verrattuna katodiseen stimulaatioon. Lisäksi Andersonin et al. (2018) havaitsivat, että kuitujen suuntauksia voidaan kohdistaa valikoivasti ärsykeaaltomuodosta riippuen (esim. katodinen tai anodinen). Toisessa hiljattain tehdyssä tutkimuksessa tarkasteltiin aktiivisen symmetrisen kaksivaiheisen pulssin vaikutusta 8 PD- ja 3 ET-potilaalla. He havaitsivat, että nämä pulssimuodot tuottivat merkittäviä kliinisiä parannuksia verrattuna tavalliseen kliiniseen pulssimuotoon.

Symmetrisen kaksivaiheisen pulssin muodon lisäksi epäsymmetrisellä esipulssilla on suuri potentiaali DBS-hoidon jalostamiseksi. Jos esipulssi on anodinen, sillä on hyperpolarisoiva vaikutus ja siksi sitä kutsutaan hyperpolarisoivaksi esipulssiksi. Jos se on katodinen, sillä on depolarisoiva vaikutus lähellä elektrodia, ja siksi sitä kutsutaan depolarisoivaksi esipulssiksi. Kliinisissä tutkimuksissa keskityttiin epäsymmetristen pulssimuotojen käyttöön parantamaan spatiaalista selektiivisyyttä stimuloimalla selektiivisesti sisäkorvaistutteiden kuuntelijoita13-16. Mallinnustutkimukset osoittavat, että hyperpolarisoiva esipulssi voi itse asiassa alentaa aksonien kynnystä ja että kynnys pienenee enemmän elektrodia lähellä oleville aksoneille kuin kauempana oleville aksoneille. Tämä osoittaa, että hyperpolarisoiva esipulssi voi auttaa keskittymään stimulaation vaikutukset elektrodin lähellä oleviin aksoneihin, mikä johtaa terapeuttisen ikkunan kasvuun ja mahdollisesti tehokkaampaan oireiden hallintaan.

Todisteet viittaavat siihen, että stimulaatiokentän ajalliset manipulaatiot (eli monimutkaisten pulssimuotojen, erityisesti kaksivaiheisten pulssien ja epäsymmetristen esipulssien käyttö) voivat hyödyntää hermosolujen biofyysisiä eroja tiettyjen alapopulaatioiden kohdistamiseksi. Viime kädessä tämä voi johtaa terapeuttisen ikkunan kasvuun ja/tai tehokkaampaan oireiden hallintaan. Tässä tutkimuksessa pyrimme ymmärtämään hermomekanismia, joka tukee pulssimuotoja manipuloimalla havaittuja kliinisiä vaikutuksia, vertaamalla neurofysiologisia vasteita tavanomaisiin kliinisiin pulssimuotoihin vasteisiin monimutkaisiin pulssimuotoihin. Tämä saavutetaan käyttämällä kahta lähestymistapaa. Ensimmäinen lähestymistapa tutkii hermovasteita erilaisiin pulssimuotoihin käyttämällä elektroenkefalografia (EEG) -tallenteita. Toinen lähestymistapa tutkii hermovasteita erilaisiin pulssimuotoihin käyttämällä intraoperatiivisia paikalliskenttäpotentiaalin (LFP) tallenteita. Tämä tutkimus- ja tutkimusprotokolla koskee vain DBS-potilaiden EEG- ja LFP-tallenteiden keräämistä. Protokolla ei kata mitään kirurgisia toimenpiteitä, jotka tapahtuvat jo osana potilaan normaalia kliinistä hoitoa.