STEREO-DBS-studien: 7-Tesla MRI Brain Network Analysis for Deep Brain Stimulation (STEREO-DBS)

INTRODUKTION OCH MOTIVERING

Djup hjärnstimulering för Parkinsons sjukdom Djup hjärnstimulering (DBS) är en effektiv behandling vid Parkinsons sjukdom (PD), en försvagande neurologisk sjukdom. Effekten av DBS förlitar sig på moduleringen av felaktigt fungerande hjärnnätverk genom att leverera elektriska pulser i den subtalamiska kärnan, djupt placerad i hjärnstammen och storleken på några millimeter (STN; jämförbar med storleken på en kaffeböna). Individuell förbättring efter DBS förblir dock varierande och 50 % av patienterna visar otillräcklig nytta. Genom att använda strukturell 7-Tesla magnetisk resonanstomografi (7T MRI)-anslutning för att visualisera felaktigt fungerande nätverk, kan DBS-elektrodplacering och aktivering individualiseras.

Aktuell DBS-elektrodplacering och inställningar i det högkopplade STN är baserade på 1,5-Tesla eller 3-Tesla MR-bilder. Dessa lågupplösta modaliteter kan inte visualisera de multipla hjärnnätverken till denna lilla kärna och förhindra elektrodaktivering riktad mot dess kortikala projektioner. Integrerade strukturella (7T MRI) nätverkskartor kommer att möjliggöra hjärnnätverksbaserad och patientspecifik DBS, vilket förbättrar motoriska symtom och livskvalitet.

7T MRT-hjärnnätverksanalys Sedan 1980-talet var DBS för PD inriktat på STN, en djupt rotad hjärnkärna av grå substans. Nuvarande tonvikt inom området DBS ligger på neurala nätverk snarare än separata kärnor i hjärnan. Flera studier visade att PD uppstod från patologisk nätverksaktivitet i subtalamus-kortikala projektioner. Under de senaste åren har flera DBS-grupper rapporterat om användning av MRT-anslutning för att visualisera de subtalamiska-kortikala projektionerna, i DBS för PD.

Den lilla STN är en del av flera stora hjärnnätverk. DBS är effektivt för att förbättra UDPRS och livskvalitet för PD-patienter endast genom att modulera dess motoriska nätverk. För att förbättra DBS-placering och aktivering är det viktigt att förstå nätverken och den modulerande effekten av stimulering. Hittills var visualiseringen av dessa nätverk begränsad på grund av låg upplösning och bristen på strukturell anslutning (visualisering av subtalamus-kortikala projektioner med diffusionsvägd MRI och probabilistisk anslutning).

Utredarna lade därför till 7T T2 och diffusionsvägda sekvenser vid Spinoza Center och visade att probabilistiska subtalamiska nätverksanalyser (STN-segmentering) framgångsrikt identifierar det område inom STN som har den högsta tätheten av kopplingar med det motoriska nätverket hos PD-patienter. I en nyligen genomförd pilotstudie visade utredarna att implementeringen av 7T MRI för STN-segmentering är väl lämpad inom det befintliga kirurgiska arbetsflödet. Genom att generera en 7-Tesla MRI som visar STN (färgad) motorindelning, visualiserade denna teknik tydligt detta nya DBS-mål. Den retrospektiva analysen visade för konventionella MRI-inriktningsstrategier endast en minoritet av DBS-elektroderna placerades i motorns STN. Dessutom resulterade DBS-elektroderna som placerades i motorns STN i en signifikant högre medelförbättring (80 % mot 50 %, mätt med UPDRS-III-poängen).

Generering av 7T MRI-nätverkskartorna för DBS STN och dess kortikala anslutningar kommer att visualiseras med hjälp av 7T T2-viktad och diffusionsvägd avbildning. Tre stora projektioner av STN kommer att visualiseras: projektioner som ansluter till primär och kompletterande motorisk cortex (motorisk), projektioner till prefrontal cortex (associativ) och projektioner till basofrontal cortex (limbisk). Placeringen av elektroden (med hjälp av datortomografi) kommer att visualiseras i förhållande till de tre segmenterade underavdelningarna av STN.

7T MRI-nätverkskartan, genererad genom att kombinera T2 och diffusionsvägd MRT, visar STN (färgade) underavdelningarna och deras kortikala projektioner. Resultatet kommer då att visa i vilken eller vilka STN-underavdelningar som DBS-elektrodkontakten är belägen och till vilket kortikalt område STN-underavdelningen projicerar. Kliniska testresultat för elektrodkontakten kommer sedan att korreleras till nätverkskartorna. Stimuleringsparametrar baserade på 7T MRI-nätverkskartor används för att optimera och förutsäga resultat i termer av gynnsamma kliniska effekter (dämpande tremor, bradykinesi, stelhet) och biverkningar (tal, gång, apati). Eftersom alla nätverkskartor visualiseras på MRT kommer detta enkelt att möjliggöra både individuella och gruppanalyser (samregistrering av kartor över flera patienter).

Biverkningar I de 350 7T MR-skanningar som utredarna har gjort hittills stötte vi sällan på icke-kompatibla implantat eller svår klaustrofobi. Varje patient genomgår screening med ett MRT-säkerhetsformulär och MRT-metalldetektor (förhindrar att ferromagnetiskt material tas in i MRT). 7T MRI är en icke-invasiv teknik som inte orsakar smärta och, viktigare, de elektromagnetiska fälten ger inga kända vävnadsskador av något slag. MR-systemet kan avge höga knackningar, knackningar eller andra ljud ibland under proceduren. Öronproppar tillhandahålls för att förhindra problem som kan vara förknippade med brus som genereras av skannern. Patienten kommer hela tiden att övervakas (visuellt) och kommer att kunna kommunicera med 7T MRI-teknikern med hjälp av ett intercomsystem. Patienten kan (begära att) stoppa inhämtningen när som helst genom att använda tryckknappen (håll patienten konstant).

Sammanfattningsvis, på grund av implementeringen av 7T MRI-hjärnnätverksanalys, är det nu möjligt att direkt visualisera den motoriska delen av STN. I nuvarande observationsstudie kommer denna teknik att utvärderas på ett prospektivt sätt, vilket introducerar patientspecifik hjärnnätverksstyrd DBS för PD med att leverera en unik och hittills otillgänglig datauppsättning: 7T MRI visualiserar de anatomiska anslutningarna av STN för varje enskild DBS-elektrodkontakt. Istället för en one-DBS-fits all-modell möjliggör de skräddarsydda nätverksanalyserna personlig precisionsmodellering i DBS.