BrainMap-DBS-tutkimus: Aivoverkkoanalyysi käyttämällä 7-Tesla MRI: tä ja magnetoenkefalografiaa syvän aivojen stimulaatioon (BRAINMAP-DBS)

Parkinsonin taudin syvän aivojen stimulaatio ja välttämätön vapina syvän aivojen stimulaation (DBS) vaikutus riippuu toimintahäiriöiden motoristen aivoverkkojen modulaatiosta.1,2 Keskimäärin 50%: n moottorin parannus saavutetaan standardoitujen moottorin arviointeja käyttämällä. Noin 20 prosentilla potilaista on kuitenkin riittämätöntä hyötyä, ja parannus on alle 30 %.3,4 Näiden tulosten parantamiseksi tarvitaan parempi elektrodin sijoittaminen ja DBS -sähköparametrien ohjelmointi.5 Tämä edellyttää monimutkaisten moottoriverkkojen edistyneempää visualisointia; Sekä anatominen (7-Tesla MRI) että toiminnallinen (MEG) .11,12,13 Nykyiset DBS-implantoinnit perustuvat 1,5- tai 3-tesla MR-skannauksiin. Näiden skannausten resoluutio ei kuitenkaan ole riittävä visualisoimaan aivoverkkoja, estäen tarkan elektrodin sijoittamisen suoraan moottorin osiin pienen (kahvipapujen koon) aivo -ytimen sisällä. 7-TESLA MRI -ohjatun elektrodin sijoittamisen lisäksi ohjelmointi on suunnattu vaikuttamaan aivokuoren moottorialueisiin soveltamalla MEG: tä, mikä johtaa toimintahäiriöisen verkon aktiivisuuden yleiseen laskuun; Kaikille "yhden aivojen" mallin sijasta DBS: stä tulee siten kärsivällinen, keskittyen omaan aivoverkkoonsa.

Brain Network -analyysi, jossa käytetään 7-Tesla MRI: tä ja MEG: n 7-TESLA MRI- ja MEG-protokollia, joita ryhmämme on jo kehittänyt ja raportoidaan (viisi) tutkimuksessa. Näissä tutkimuksissa havaitsimme aivoverkkojen vääristämättä visualisointia käyttämällä 7-Tesla MRI: tä ja MRI: tä Parkinsonin taudin potilailla, joille tehtiin DBS, ja mahdollisuuden lisätä motorisen toiminnan paranemista vähintään 10%. 7-TESLA MRI -verkkoanalyysi, joka syntyy yhdistämällä T2 ja diffuusiopainotettu MRI, osoittaa aivojen ytimen (värilliset) alajaot ja niihin liittyvät aivokuoren projektiot. MEG-tallenteista syntynyt MEG-verkkoanalyysi osoittaa, mitkä aivokuoren alueet vaikuttavat (aktiivisuuden lisääminen tai väheneminen, mikä johtaa eri väreihin) jokaiselle neljälle yksittäiselle elektrodikontaktille. 7-TESLA MRI -verkon, MEG-verkon ja CT-skannauksen yhteisrekisteröinti suoritetaan tarkan elektrodin lokalisoinnin saavuttamiseksi. Tulos osoittaa, missä alajakoissa DBS-elektrodi-kosketus sijaitsee (sijoitus), jolle aivokuoren alue alajakoprojektit ja mitkä sen aktiivisuusmallit ja muutokset indusoidaan aivokuoren alueilla (aktivointi) .16. Sitten elektrodikontaktin kliiniset testitulokset korreloivat (regressioanalyysit) verkkoanalyysin kanssa. Koska koko verkkoanalyysi visualisoidaan integroituna MRI: hen, sekä yksittäiset analyysit että ryhmäanalyysit (useiden potilaiden verkkojen rinnakkaisrekisteröinti) ovat mahdollisia, samoin kuin muuttuvan autoencoderille. DBS: n sijainti ja ohjelmointi, joka perustuu 7-Tesla MRI- ja MEG-verkkoanalyysiin

Jokaiselle potilaalle MEG -tallennus kestää 55 minuuttia. Yhdeksän lyhyttä yksipuolista stimulaatiota suoritetaan yhdellä kahdeksasta yksittäisestä elektrodikontaktista ja yhdellä tallennuksella DBS: n aikana satunnaistetussa sekvenssissä. DBS: n vaikutus moottorin toimintaan (vapina, bradykinesia, jäykkyys, puhe) on yleensä välitön ja arviointiaika on lyhyt (minuutteja). DBS -asetuksia voidaan säätää väliaikaisesti MEG -tallenteiden aikana yhdessä kliinisen arvioinnin kanssa.

Tämän prosessin päätyttyä kaikilla elektrodin kahdeksalla kontaktilla verkkoanalyysi suoritetaan ja näyttää DBS-elektrodi-kontaktin (vasen ja oikea), joka (vain) moduloi moottorin aivoverkkoa. Kun potilaan elektrodi-kontakti (DBS-ohjelma) ennen ilmoittautumista eroaa uudesta 'aivoverkon ohjaamasta ohjelmasta' verkkoanalyysin määrittämä, tämä uusi ohjelma lisätään DBS-järjestelmään. Uudessa ohjelmassa stimulaation amplitudin säätämiseksi on asetettu myöhempiä säätöjä varten. Ohjelma, joka potilaalla oli ennen ilmoittautumista tutkimukseen, pidetään yhtenä laitteen ohjelmista, jota potilas voi käyttää "poistumisvaihtoehtona", jos vasta ohjelmoituilla kokoonpanoilla on huonompi kliininen vaikutus. Kolmen kuukauden verkon ohjaaman DBS: n standardisoidut arvioinnit motorista taitoja (UPDRS-III, Tetras) suoritetaan osana tavanomaista kliinistä hoitoa.

Tämä projekti perustettiin tiiviissä yhteistyössä viiden DBS-potilaiden (potilastutkijoiden) kanssa. He havaitsivat itsenäisyyden palauttamisen DBS: n tärkeimmäksi vaikutukseksi. He mainitsivat DBS: n mahdolliset haitalliset vaikutukset kognitioon ja mielialaan (muisti, puhe, apatia) tärkeimmäksi huolenaiheeksi. Keskusteltuja huolenaiheita sisällytettiin suoraan projektiin.

Vain harvoissa keskuksissa ympäri maailmaa on 7-Tesla MRI- ja MEG-skannaus, ja siksi annamme tämän tiedon saataville avoimen pääsyn tietokannan kautta. Käytämme verkkoanalyysejä muuttuvan autoencoderissa (koneoppimisalgoritmi, eräänlainen tekoäly) ennustemallien luomiseksi biolääketieteellisen tekniikan ja fysiikan laitoksen avulla (Amsterdam UMC) .14. Koneoppimisen soveltaminen suureen määrään korkearesoluutioisia skannauksia mahdollistaa verkkomallien (Connectomes) generointi osoittamaan DBS-elektrodin optimaalisen sijainnin ja ohjelmoinnin; Sovelletaan suoraan kaikille DBS -ryhmille.

Suoritettavuus jokaiselle Amsterdamin DBS: n potilaalle tehdään preoperatiivisen 7-Tesla MRI: n osana standardihoitoa. Tähän mennessä suorittamamme 450 7-Tesla-MR-skannauksessa kohtaamme harvoin yhteensopivia implantteja tai vaikeaa klaustrofobiaa. Jokainen potilas läpikäyvät seulonnan MRI -turvallisuuskyselyllä ja MRI -metallinpaljastimella (estämällä ferromagneettisten materiaalien ottamista MRI: hen). 7-Tesla MRI on ei-invasiivinen tekniikka, joka ei aiheuta kipua, ja mikä tärkeintä, sähkömagneettiset kentät eivät tuota minkäänlaista tunnettua kudosvaurioita. MR -järjestelmä voi tehdä kovaa napauttamista, koputtamista tai muita ääniä toisinaan toimenpiteen aikana. Korvaajat toimitetaan estämään ongelmat, jotka voivat liittyä skannerin aiheuttamaan meluun. Potilasta seurataan aina (visuaalisesti) ja pystyy kommunikoimaan 7-Tesla MRI -teknologin kanssa sisäpuhelinjärjestelmän avulla. Potilas voi (pyytää) pysäyttää hankinta milloin tahansa käyttämällä painiketta (pidä potilasta jatkuvasti).

MEG-tallenteet eivät ole tunkeutuvia, kivuttomia ja niissä on merkityksettömiä riskejä. Kirjallisuuden ja oman kokemuksemme perusteella 40 potilaalla, MEG -tallenteet DBS: n aikana ovat turvallinen toimenpide. Osallistujat tekevät yhden ylimääräisen matkan MEG -keskukseen, joka sijaitsee VUMC: n sijaintipaikassa. DBS-asetusten muuttaminen osallistujien yksittäisessä DBS-passissa mainituissa rajoissa on riskitön menettely. Koska osallistujat ovat makuulla mukavassa sängyssä MEG -tallenteiden aikana, emme odota heidän kokevan kohtuuttomia motorisia oireita.

Ensimmäistä kertaa 7-Tesla MRI- ja MEG-verkkoanalyysi yhdistetään laajamittaisella mahdollisella tavalla; Esittely potilaskohtainen verkkoohjattu DBS -elektrodin sijoittelu ja ohjelmointi.