Używanie DBS do sondowania dysfunkcji zwojów podstawy

W tym badaniu zbadano, w jaki sposób zwoje podstawy mózgu przyczyniają się do objawów motorycznych, takich jak drżenie, spowolnienie ruchowe i skurcze mięśni. Podstawowym podejściem badawczym jest rejestracja z miejsc w zwojach podstawy mózgu, podczas gdy pacjenci mają objawy, tak aby fale mózgowe można było skorelować z objawami/oznakami. Gdy fala mózgowa jest zaangażowana w aspekt nieprawidłowego ruchu, naukowcy mogą spróbować potwierdzić jej centralną rolę w funkcjonowaniu lub dysfunkcji, wyzwalając stymulację za każdym razem, gdy fala mózgowa zostanie odebrana. Do stymulacji naukowcy wykorzystają tę samą stymulację o wysokiej częstotliwości (130 Hz), jaka jest stosowana klinicznie, ponieważ uważa się, że skutecznie tłumi ona aktywność nerwową w miejscu stymulacji. Tak więc, jeśli dana fala mózgowa jest ważna np. w spowalnianiu ruchu, to wyzwalając stymulację, gdy ta fala mózgowa jest duża, można oczekiwać, że prędkość ruchu zostanie zwiększona.

Badacze mają nadzieję zastosować tę dwuetapową procedurę, aby udokumentować rolę różnych aktywności mózgu wykrytych z zwojów podstawy mózgu w wywoływaniu drżenia, skurczu mięśni i spowolnieniu ruchu u pacjentów z chorobą Parkinsona, dystonią i drżeniem samoistnym. To badanie jest ważne, ponieważ jeśli naukowcy mogą zmieniać funkcje mózgu i określone objawy za pomocą stymulacji, mogą stosować tę samą formę stymulacji kontrolowanej przez sprzężenie zwrotne, co potencjalnie skuteczną formę leczenia. Konwencjonalna głęboka stymulacja mózgu zapewnia stałą stymulację przez cały czas. Na przykład naukowcy zaczynają dostrzegać, że kontrola stymulacji oparta na sprzężeniu zwrotnym z aktywności beta w zwojach podstawy mózgu może mieć przewagę nad konwencjonalną ciągłą głęboką stymulacją mózgu w leczeniu choroby Parkinsona.

Obecne badania są szczególnie zainteresowane procesami przyczyniającymi się do spowolnienia (bradykinezy) i sztywności (sztywności) u pacjentów z chorobą Parkinsona, drżeniem u pacjentów z chorobą Parkinsona i drżeniem samoistnym oraz skurczami mięśni u pacjentów z dystonią.

1. Spowolnienie ruchowe i sztywność u pacjentów z chorobą Parkinsona Istnieją już dowody na to, że te upośledzenia są związane z aktywnością pasma częstotliwości beta (~20 Hz). Taka aktywność jest przesadzona u pacjentów z chorobą Parkinsona, u których pojawia się w seriach trwających kilkaset milisekund lub nawet dłużej. Badacze wykazali już, że wyzwalając stymulację w przypadku wybuchów aktywności beta, mogą przyspieszyć ruch i zmniejszyć sztywność. W niniejszym badaniu są oni zainteresowani (a) ustaleniem, czy konieczne jest wyzwalanie wybuchów beta, czy też jest to wystarczające do wyzwalania ogólnego poziomu aktywności beta (tj. uśrednionego w długich okresach), (b) czy jest to konieczne do wywołania wszystkich impulsów beta, czy tylko długie impulsy, które należy wywołać, oraz (c) czy wyzwalana stymulacja jest również wystarczająca do kontrolowania drżenia, jeśli jest to objaw współistniejący. Zbadanie tych zagadnień wymaga od badaczy zarejestrowania aktywności jąder podstawnych (informacje zwrotne) i dostarczenia stymulacji, zmieniając jednocześnie sposób przetwarzania informacji zwrotnej przed uruchomieniem stymulacji. Z technicznego punktu widzenia badacze zmieniają szczegóły dotyczące przetwarzania sygnału i polityki kontroli, ale rezultatem netto jest głęboka stymulacja mózgu kontrolowana przez sprzężenie zwrotne. Należy zauważyć, że badacze kontrolują tylko amplitudę stymulacji w klinicznie określonym zakresie, który nie przekracza progu wywoływania skutków ubocznych. Wszystkie pozostałe parametry stymulacji, m.in. częstotliwość i szerokość impulsu są ustawione zgodnie ze standardowymi ustawieniami klinicznymi.
2. Drżenie u pacjentów z chorobą Parkinsona lub drżenie samoistne W tym przypadku dowody na to, że drżenie jest związane z dyskretną aktywnością mózgu, są mniej solidne, chociaż podejrzewa się, że oscylacje o częstotliwości drżenia (i dwukrotnie większej) odgrywają pewną rolę. W warunkach, w których badacze nie są pewni dokładnej natury czynników przyczyniających się do stanu, w tym przypadku drżenia, często wykorzystują uczenie maszynowe, aby znaleźć odpowiednie czynniki. W tym przypadku badacze proponują rejestrację zarówno aktywności zwojów podstawy mózgu, jak i drżenia kończyn, a następnie wykorzystują je z algorytmami uczenia maszynowego, aby wskazać odpowiednią kombinację sygnałów związanych z drżeniem. Badacze mogą następnie wykorzystać dane wyjściowe uczenia maszynowego, aby powiedzieć im, jak kontrolować drżenie za pomocą stymulacji, jednocześnie badając wagi danych wejściowych algorytmów uczenia maszynowego, aby wydedukować ważne zależności. Jak wyżej, zbadają szczegóły optymalnego przetwarzania sygnału i polityki kontroli, ale wynikiem netto jest głęboka stymulacja mózgu kontrolowana przez sprzężenie zwrotne. Należy zauważyć, że kontrolują one jedynie amplitudę stymulacji w klinicznie określonym zakresie, który nie przekracza progu wywoływania skutków ubocznych. Wszystkie pozostałe parametry stymulacji, m.in. częstotliwość i szerokość impulsu są ustawione zgodnie ze standardowymi ustawieniami klinicznymi.
3. Mimowolne skurcze mięśni u pacjentów z dystonią W tym przypadku dowody na to, że skurcze mięśni są związane z dyskretną aktywnością mózgu, są również stosunkowo słabe, chociaż podejrzewa się, że oscylacje przy częstotliwościach theta-alfa (5-12 Hz) odgrywają pewną rolę. Badacze proponują rejestrowanie zarówno aktywności zwojów podstawy mózgu, jak i skurczów mięśni w ciele, a następnie wykorzystanie ich z algorytmami uczenia maszynowego do wskazania odpowiedniej kombinacji sygnałów związanych ze skurczami mięśni. Następnie mogą wykorzystać dane wyjściowe uczenia maszynowego, aby powiedzieć im, jak kontrolować skurcze mięśni za pomocą stymulacji. Jak wyżej, badacze zbadają szczegóły optymalnego przetwarzania sygnału i polityki kontroli, ale wynikiem netto jest głęboka stymulacja mózgu kontrolowana przez sprzężenie zwrotne. Należy zauważyć, że kontrolują one jedynie amplitudę stymulacji w klinicznie określonym zakresie, który nie przekracza progu wywoływania skutków ubocznych. Wszystkie pozostałe parametry stymulacji, m.in. częstotliwość i szerokość impulsu są ustawione zgodnie ze standardowymi ustawieniami klinicznymi.

Techniki, które należy zastosować

Nasze badanie obejmuje kilka technik:

1. Ocena objawów za pomocą standardowych skal oceny klinicznej np. UPDRS części III motorycznej, ujednoliconej skali oceny dyskinez oraz testu rozumienia mowy u pacjentów z chorobą Parkinsona; skala oceny drżenia samoistnego (TETRAS) dla pacjentów z drżeniem samoistnym; Skala oceny dystonii Burke'a Fahna Marsdena (BFMDRS) dla pacjentów z dystonią. Wydajność tych skal ocen zostanie również nagrana na wideo do przeglądu offline.
2. Rejestracja objawów obwodowych, takich jak szybkość ruchu, drżenie lub skurcz za pomocą standardowych technik, np. rejestrowanie prędkości ruchu joysticka, rejestrowanie drżenia i innych ruchów za pomocą testu braku koordynacji bradykinezja akinezja, akcelerometrów montowanych na skórze oraz elektrod elektromiograficznych (EMG) montowanych na skórze. Są to standardowe, nieinwazyjne techniki, które nie wiążą się z żadnymi skutkami ubocznymi dyskomfortu.
3. Rejestracja EEG za pomocą elektrod montowanych na skórze głowy. Jest to standardowa, nieinwazyjna technika, która nie wiąże się z żadnymi skutkami ubocznymi ani dyskomfortem. Istnieje jednak ważne zastrzeżenie, że ponieważ ci pacjenci będą mieli świeże blizny pooperacyjne na skórze głowy, należy ich unikać, tak aby żadna elektroda nie była przykładana do skóry głowy w odległości 4 cm od jakiejkolwiek rany. Elektrody EEG są nakładane na skórę głowy za pomocą pasty przewodzącej, która pomaga utrzymać je na miejscu. Czasami, gdy pozwala na to brak włosów, badacze wzmacniają to mocowanie taśmą. Nie ma wzrostu ryzyka infekcji z powodu nagrań u pacjentów z zewnętrznymi elektrodami głębokiej stymulacji mózgu.
4. Zapisy głębokiego EEG z elektrod głębokiej stymulacji mózgu wszczepionych do mózgu przez chirurga w ramach standardowej terapii klinicznej. Ponieważ są to nagrania pasywne, nie ma żadnych skutków ubocznych ani ryzyka. Nagrania w punktach 2-4 zostaną wykonane przy użyciu wzmacniacza posiadającego znak certyfikacji świadczący o zgodności z normami zdrowotnymi, bezpieczeństwa i ochrony środowiska dla produktów sprzedawanych na terenie Europejskiego Obszaru Gospodarczego.
5. Stymulacja elektrodami głębokiej stymulacji mózgu wszczepionymi do mózgu przez chirurga w ramach standardowej terapii klinicznej. Stymulacja może powodować działania niepożądane, dlatego badacze będą dostarczać stymulację wyłącznie w formie i zakresie stosowanym klinicznie, starając się zawsze pozostawać poniżej progu działań niepożądanych. Stymulacja będzie dostarczana za pomocą własnego, wykonanego na zamówienie, zasilanego bateryjnie, obustronnego stymulatora, który nie posiada znaku certyfikacji wskazującego na zgodność z normami dotyczącymi zdrowia, bezpieczeństwa i ochrony środowiska dla produktów sprzedawanych na terenie Europejskiego Obszaru Gospodarczego. Niemniej jednak został w pełni przetestowany pod kątem bezpieczeństwa. Stymulator jest zaktualizowaną wersją stymulatora używanego w kilku poprzednich badaniach, które zostały sprawdzone i zatwierdzone przez brytyjską Narodową Komisję ds. Etyki Badań Naukowych South Central. Aby umożliwić powrót stymulacji, wzmacniacz jest podłączony do podkładki przewodzącej umieszczonej na szyi. Okresowe kontrole impedancji zapewnią, że to połączenie będzie niezawodne przez cały czas trwania eksperymentu.

Uczestnicy będą mieli możliwość poddania się badaniu bez ich zwykłych leków na objawy motoryczne lub z takimi lekami. Preferowany jest pierwszy stan, aby ułatwić wykazanie związku między czynnościami neuronów a objawami, ale ostateczna decyzja należy do uczestnika. Objawy mogą być gorsze po tymczasowym odstawieniu leków, ale większość uczestników będzie o tym zaznajomiona, ponieważ zapomniała o swoich lekach w przeszłości lub ponieważ ich leki zostały tymczasowo odstawione w ramach testu klinicznego, takiego jak prowokacja z lewodopą.