Karakterisering av komplexa pulsformer i djup hjärnstimulering för rörelsestörningar med hjälp av EEG och lokal fältpotentialregistrering (CHANNEL DBS)

Parkinsons sjukdom och essentiell tremor är kroniska rörelsestörningar som det inte finns något botemedel mot. När medicinering inte längre är effektiv rekommenderas djup hjärnstimulering (DBS). Standard DBS är en neuromodulationsmetod som använder en enkel monofasisk puls, levererad från en elektrod för att stimulera neuroner i ett målhjärnområde. Denna monofasiska puls sprider sig från elektroden och skapar ett brett elektriskt fält som stimulerar en stor neurala population. Detta kan ofta effektivt minska motoriska symtom. Men många DBS-patienter upplever biverkningar - orsakade av stimulering av icke-målneuroner - och suboptimal symtomkontroll - orsakade av otillräcklig stimulering av det korrekta neurala målet. Förmågan att noggrant manipulera det stimulerande elektriska fältet för att rikta in sig på specifika neurala subpopulationer kan lösa dessa problem och förbättra patienternas resultat.

Det har visat sig att modifiering av den elektriska vågformen (t.ex. pulslängd, pulspolaritet etc.) bestämmer den rumsliga selektiviteten vid funktionell elektrisk stimulering. Dessutom undersökte en nyligen genomförd klinisk studie för första gången de akuta effekterna av anodisk jämfört med katodisk neurostimulering hos 10 PD-patienter. De fann att trösklarna för anodisk stimulering var betydligt högre än trösklarna för katodisk stimulering, vilket stämmer överens med tidigare forskning i djurstudier och modellberäkningar. Men de rapporterade också en bättre klinisk effekt av anodisk jämfört med katodisk stimulering. Vidare har en modelleringsstudie från Anderson et al. (2018) fann att fiberorientering kan riktas selektivt beroende på stimulansvågformen (dvs. katodiskt eller anodiskt). En annan nyligen genomförd studie undersökte effekten av en aktiv symmetrisk bifasisk puls hos 8 PD- och 3 ET-patienter. De fann att denna pulsform gav betydande kliniska förbättringar jämfört med den vanliga kliniska pulsformen.

Förutom den symmetriska bifasiska pulsformen visar den asymmetriska förpulsen stor potential för förfining av DBS-terapi. Om förpulsen är anodisk har den en hyperpolariserande effekt och kallas därför för en hyperpolariserande förpuls. Om den är katodisk har den en depolariserande effekt nära elektroden och kallas därför för en depolariserande förpuls. Kliniska studier fokuserade på användningen av asymmetriska pulsformer för att förbättra den rumsliga selektiviteten genom att selektivt excitera fibrer i cochleaimplantatlyssnare13-16. Modelleringsstudier indikerar att en hyperpolariserande förpuls faktiskt kan minska tröskeln för axoner och att tröskeln minskas mer för axoner nära elektroden än för axoner längre bort. Detta indikerar att en hyperpolariserande förpuls kan hjälpa till att fokusera effekterna av stimulering till axoner nära elektroden, vilket leder till en ökning av det terapeutiska fönstret och potentiellt mer effektiv symtomkontroll.

Bevis tyder på att tidsmässiga manipulationer (dvs användningen av komplexa pulsformer, specifikt bifasiska pulser och asymmetriska förpulser) av stimuleringsfältet kan utnyttja biofysiska skillnader i neuroner för att rikta in sig på specifika subpopulationer. I slutändan kan detta leda till en ökning av det terapeutiska fönstret och/eller effektivare symtomkontroll. I denna studie syftar vi till att förstå den neurala mekanismen som ligger till grund för de kliniska effekterna som observeras genom att manipulera pulsformerna, genom att jämföra neurofysiologiska svar med de vanliga kliniska pulsformerna med svaren på de komplexa pulsformerna. Detta kommer att uppnås med två metoder. Den första metoden kommer att studera neurala svar på olika pulsformer med hjälp av elektroencefalografi (EEG) inspelningar. Det andra tillvägagångssättet kommer att studera neurala svar på olika pulsformer med hjälp av inspelningar av intraoperativ lokal fältpotential (LFP). Denna studie och forskningsprotokoll avser endast insamling av EEG- och LFP-inspelningar hos DBS-patienter. Protokollet omfattar inte några kirurgiska ingrepp, som redan kommer att ske som en del av patientens normala kliniska vård.