Использование DBS для исследования дисфункции базальных ганглиев

В этом исследовании изучается, как базальные ганглии способствуют возникновению двигательных симптомов, таких как тремор, брадикинезия и мышечный спазм. Основной исследовательский подход заключается в записи участков базальных ганглиев, когда у пациентов есть симптомы, чтобы можно было коррелировать мозговые волны с симптомами / признаками. Как только мозговая волна вовлечена в аспект аномального движения, исследователи могут попытаться подтвердить ее центральную роль в функции или дисфункции, запуская стимуляцию всякий раз, когда мозговая волна улавливается. Для стимуляции исследователи будут использовать ту же высокочастотную стимуляцию (130 Гц), что и в клинических условиях, поскольку считается, что она эффективно подавляет нейронную активность в месте стимуляции. Таким образом, если данная мозговая волна важна, например, для замедления движения, то, вызывая стимуляцию всякий раз, когда эта мозговая волна велика, можно ожидать, что скорость движения будет увеличена.

Исследователи надеются следовать этой двухэтапной процедуре, чтобы задокументировать роль различных видов активности мозга, полученных из участков базальных ганглиев, в треморе, мышечном спазме и замедлении движений у пациентов с болезнью Паркинсона, дистонией и эссенциальным тремором. Это исследование важно, поскольку, если исследователи могут изменить функцию мозга и определенные симптомы с помощью стимуляции, они могут использовать ту же форму стимуляции с обратной связью в качестве потенциально эффективной формы лечения. Обычная глубокая стимуляция мозга постоянно обеспечивает фиксированную стимуляцию. Например, исследователи начинают понимать, что контроль стимуляции, основанный на обратной связи от бета-активности в базальных ганглиях, может иметь преимущества перед обычной непрерывной глубокой стимуляцией мозга при лечении болезни Паркинсона.

В настоящем исследовании особый интерес представляют процессы, способствующие заторможенности (брадикинезии) и ригидности (скованности) у больных болезнью Паркинсона, тремору у больных паркинсонизмом и эссенциальным тремором, мышечным спазмам у больных дистонией.

1. Брадикинезия и ригидность у пациентов с болезнью Паркинсона Здесь уже есть доказательства того, что эти нарушения связаны с активностью бета-диапазона частот (~20 Гц). Такая активность преувеличена у пациентов с болезнью Паркинсона, у которых она возникает в виде вспышек, длящихся несколько сотен миллисекунд или даже дольше. Исследователи уже показали, что, запуская стимуляцию во время всплесков бета-активности, они могут ускорить движение и уменьшить ригидность. В настоящем исследовании их интересует (а) определение того, необходимо ли запускать бета-всплески или достаточно, чтобы вызвать общий уровень бета-активности (т.е. усредненный за длительные периоды), (б) является ли это необходима для запуска всех бета-всплесков, или только длинные всплески, которые необходимо инициировать, и (c) достаточно ли триггерной стимуляции для контроля тремора, когда он является сопутствующим симптомом. Изучение этих проблем требует, чтобы исследователи записывали активность базальных ганглиев (обратную связь) и осуществляли стимуляцию, в то же время изменяя способ обработки обратной связи перед запуском стимуляции. Говоря инженерным языком, исследователи изменяют детали обработки сигналов и политики управления, но конечным результатом является управляемая обратной связью глубокая стимуляция мозга. Обратите внимание, что исследователи контролируют амплитуду стимуляции только в пределах клинически определенного диапазона, который не превышает порога возникновения побочных эффектов. Все остальные параметры стимуляции, т.е. частоты и ширины импульса установлены стандартные клинические настройки.
2. Тремор у пациентов с болезнью Паркинсона или эссенциальным тремором. Здесь доказательства того, что тремор связан с дискретной мозговой активностью, менее надежны, хотя предполагается, что колебания на частоте тремора (и в два раза выше) играют определенную роль. В условиях, когда исследователи не уверены в точной природе факторов, способствующих состоянию, в данном случае тремору, они часто используют машинное обучение для поиска соответствующих факторов. Здесь исследователи предлагают записывать как активность базальных ганглиев, так и тремор конечностей, а затем использовать их с алгоритмами машинного обучения, чтобы указать соответствующую комбинацию сигналов, связанных с тремором. Затем исследователи могут использовать выходные данные машинного обучения, чтобы рассказать им, как контролировать тремор с помощью стимуляции, в то же время запрашивая веса входных данных для алгоритмов машинного обучения, чтобы вывести важные взаимосвязи. Как и выше, они изучат детали оптимальной обработки сигналов и политики управления, но конечным результатом будет глубокая стимуляция мозга с обратной связью. Обратите внимание, что они контролируют амплитуду стимуляции только в пределах клинически определенного диапазона, который не превышает порога возникновения побочных эффектов. Все остальные параметры стимуляции, т.е. частоты и ширины импульса установлены стандартные клинические настройки.
3. Непроизвольные мышечные спазмы у пациентов с дистонией. Здесь доказательства того, что мышечные спазмы связаны с дискретной мозговой активностью, также относительно слабы, хотя предполагается, что колебания на тета-альфа-частотах (5-12 Гц) играют определенную роль. Исследователи предлагают записывать как активность базальных ганглиев, так и мышечные спазмы в организме, а затем использовать их с алгоритмами машинного обучения, чтобы указать соответствующую комбинацию сигналов, связанных с мышечными спазмами. Затем они могут использовать результаты машинного обучения, чтобы рассказать им, как контролировать мышечные спазмы с помощью стимуляции. Как и выше, исследователи изучат детали оптимальной обработки сигналов и политики управления, но конечным результатом будет глубокая стимуляция мозга с обратной связью. Обратите внимание, что они контролируют амплитуду стимуляции только в пределах клинически определенного диапазона, который не превышает порога возникновения побочных эффектов. Все остальные параметры стимуляции, т.е. частоты и ширины импульса установлены стандартные клинические настройки.

Используемые методы

В нашем исследовании используется несколько методик:

1. Оценка симптомов с использованием стандартных шкал клинической оценки, например двигательной UPDRS части III, Единой шкалы оценки дискинезии и теста на разборчивость речи у пациентов с болезнью Паркинсона; шкала оценки эссенциального тремора (TETRAS) для пациентов с эссенциальным тремором; Шкала оценки дистонии Берка Фана Марсдена (BFMDRS) для пациентов с дистонией. Производительность этих рейтинговых шкал также будет снята на видео для просмотра в автономном режиме.
2. Запись периферических симптомов, таких как скорость движений, тремор или спазм, с помощью стандартных методов, например. запись скорости движения джойстика, запись тремора и других движений с помощью теста на некоординацию брадикинезии, акинезии, кожных акселерометров и кожных электромиографических (ЭМГ) электродов. Это стандартные, неинвазивные методики, не вызывающие дискомфорта.
3. Запись ЭЭГ с помощью электродов, закрепленных на голове. Это стандартная неинвазивная методика, не вызывающая побочных эффектов или дискомфорта. Тем не менее, здесь есть важное предостережение: поскольку у этих пациентов будут недавние хирургические шрамы на коже головы, их следует избегать, чтобы электрод не прикладывался к коже головы в пределах 4 см от любой раны. Электроды ЭЭГ накладываются на кожу головы с помощью проводящей пасты, которая помогает удерживать их на месте. Иногда, когда позволяет отсутствие волос, следователи закрепляют это крепление скотчем. Нет увеличения риска инфицирования из-за записи у пациентов с внешними отведениями для глубокой стимуляции мозга.
4. Записи глубинной ЭЭГ с электродов для глубокой стимуляции мозга, имплантированных в мозг хирургом для стандартной клинической терапии. Поскольку это пассивные записи, у них нет побочных эффектов или рисков. Запись в 2-4 будет производиться с использованием усилителя, имеющего сертификационную маркировку, указывающую на соответствие стандартам здоровья, безопасности и защиты окружающей среды для продуктов, продаваемых в Европейской экономической зоне.
5. Стимуляция электродов глубокой стимуляции мозга, имплантированных в мозг хирургом для стандартной клинической терапии. Стимуляция может вызывать побочные эффекты, поэтому важно, чтобы исследователи осуществляли стимуляцию только в той форме и диапазоне, которые используются клинически, стараясь всегда оставаться ниже порога побочных эффектов. Стимуляция будет проводиться с помощью изготовленного по индивидуальному заказу двустороннего стимулятора с батарейным питанием, который не имеет сертификационного знака, указывающего на соответствие стандартам здоровья, безопасности и защиты окружающей среды для продуктов, продаваемых в Европейской экономической зоне. Тем не менее, он был полностью протестирован на безопасность. Стимулятор представляет собой обновленную версию того, что использовался в нескольких прошлых исследованиях, которые были рассмотрены и одобрены Национальным комитетом службы этики исследований Соединенного Королевства South Central. Чтобы обеспечить возврат стимуляции, усилитель соединяется с проводящей подушкой, надетой на шею. Периодические проверки импеданса обеспечат надежность этого соединения в ходе эксперимента.

Участникам будет предоставлен выбор пройти исследование без их обычных лекарств от двигательных симптомов или с такими лекарствами. Первое состояние предпочтительно для облегчения демонстрации связи между нейронной активностью и симптомами, но окончательное решение остается за участником. Симптомы могут ухудшиться при временном прекращении приема лекарств, но большинству участников это знакомо из-за того, что они забыли свои лекарства в прошлом или потому, что их лекарства были временно отменены в рамках клинического теста, такого как провокация леводопой.