Karakterisering av komplekse pulsformer i dyp hjernestimulering for bevegelsesforstyrrelser ved bruk av EEG og lokale feltpotensialregistreringer (CHANNEL DBS)

Parkinsons sykdom og essensiell tremor er kroniske bevegelsesforstyrrelser som det ikke finnes noen kur for. Når medisiner ikke lenger er effektive, anbefales dyp hjernestimulering (DBS). Standard DBS er en nevromodulasjonsmetode som bruker en enkel monofasisk puls, levert fra en elektrode for å stimulere nevroner i et målhjerneområde. Denne monofasiske pulsen sprer seg ut fra elektroden og skaper et bredt elektrisk felt som stimulerer en stor nevrale populasjon. Dette kan ofte effektivt redusere motoriske symptomer. Imidlertid opplever mange DBS-pasienter bivirkninger - forårsaket av stimulering av ikke-målnevroner - og suboptimal symptomkontroll - forårsaket av utilstrekkelig stimulering av riktig nevrale mål. Evnen til å nøye manipulere det stimulerende elektriske feltet for å målrette mot spesifikke nevrale subpopulasjoner kan løse disse problemene og forbedre pasientresultatene.

Det har vist seg at modifisering av den elektriske bølgeformen (f.eks. pulsvarighet, pulspolaritet osv.) bestemmer den romlige selektiviteten ved funksjonell elektrisk stimulering. En nylig klinisk studie undersøkte også for første gang de akutte effektene av anodisk sammenlignet med katodisk nevrostimulering hos 10 PD-pasienter. De fant at terskler for anodisk stimulering var betydelig høyere enn terskler for katodisk stimulering, noe som er i samsvar med tidligere forskning i dyrestudier og modellberegninger. Imidlertid rapporterte de også en bedre klinisk effekt av anodisk sammenlignet med katodisk stimulering. Videre har en modelleringsstudie fra Anderson et al. (2018) fant at fiberorienteringer kan målrettes selektivt avhengig av stimulusbølgeformen (dvs. katodisk eller anodisk). En annen nylig studie undersøkte effekten av en aktiv symmetrisk bifasisk puls hos 8 PD- og 3 ET-pasienter. De fant at denne pulsformen ga betydelige kliniske forbedringer sammenlignet med standard klinisk pulsform.

Foruten den symmetriske bifasiske pulsformen, viser den asymmetriske forpulsen et stort potensiale for forfining av DBS-terapi. Hvis pre-pulsen er anodisk, har den en hyperpolariserende effekt og omtales derfor som en hyperpolariserende pre-puls. Hvis den er katodisk, har den en depolariserende effekt nær elektroden og omtales derfor som en depolariserende pre-puls. Kliniske studier fokuserte på bruk av asymmetriske pulsformer for å forbedre den romlige selektiviteten ved å selektivt spennende fibre i cochleaimplantatlyttere13-16. Modelleringsstudier indikerer at en hyperpolariserende pre-puls faktisk kan redusere terskelen for aksoner og at terskelen reduseres mer for aksoner nær elektroden enn aksoner lenger unna. Dette indikerer at en hyperpolariserende pre-puls kan bidra til å fokusere effekten av stimulering til aksoner nær elektroden, og dermed føre til en økning i det terapeutiske vinduet og potensielt mer effektiv symptomkontroll.

Bevis tyder på at tidsmessige manipulasjoner (dvs. bruk av komplekse pulsformer, spesielt bifasiske pulser og asymmetriske pre-pulser) av stimuleringsfeltet kan utnytte biofysiske forskjeller i nevroner for å målrette mot spesifikke underpopulasjoner. Til syvende og sist kan dette føre til en økning i det terapeutiske vinduet og/eller mer effektiv symptomkontroll. I denne studien tar vi sikte på å forstå den nevrale mekanismen som ligger til grunn for de kliniske effektene observert ved å manipulere pulsformene, ved å sammenligne nevrofysiologiske responser med de vanlige kliniske pulsformene med responsene på de komplekse pulsformene. Dette vil oppnås ved hjelp av to tilnærminger. Den første tilnærmingen vil studere nevrale responser på forskjellige pulsformer ved hjelp av elektroencefalografi (EEG) opptak. Den andre tilnærmingen vil studere nevrale responser på forskjellige pulsformer ved å bruke intraoperative lokale feltpotensial (LFP) opptak. Denne studien og forskningsprotokollen gjelder kun innsamling av EEG- og LFP-opptak hos DBS-pasienter. Protokollen dekker ingen kirurgiske inngrep, som allerede vil finne sted som en del av pasientens vanlige kliniske behandling.