Adaptive dyp hjernestimulering (aDBS) er effektiv for Parkinsons sykdom, forbedrer symptomer og redusere strømforbruket sammenlignet med konvensjonelle dyp hjernestimulering (cDBS). I aDBS spore vi en lokal felt potensiell biomarkør (beta oscillasjon amplitude) i sanntid og bruke dette til å kontrollere tidspunktet for stimulering.
Adaptive dyp hjernestimulering (aDBS) har potensial til å forbedre behandling av Parkinsons sykdom ved å optimalisere stimulering i sanntid i henhold til varierende sykdom og medisinering tilstand. I den foreliggende realiseringen av adaptive DBS vi ta opp og stimulere fra DBS elektroder implantert i subthalamic kjernen av pasientene med Parkinsons sykdom i den tidlige postoperative periode. Andre feltpotensialer er analog filtrert mellom 3 og 47 Hz før de blir sendt til en datainnsamlingsenhet, hvor de blir digitalt filtrert igjen rundt pasienten bestemte beta-topp, utbedret og glattes til å gi en elektronisk avlesning av beta amplitude. En terskel for beta amplitude er satt heuristisk, som, hvis den overskrides, passerer et triggersignal til stimulator. Stimulatoren deretter ramper opp stimulering til en forhåndsbestemt klinisk effektiv spenning over 250 msek og fortsetter å stimulere til beta amplitude igjen faller under terskelen.Stimulering fortsetter på denne måte med korte episoder av ramped DBS under perioder med økt beta strøm.
Klinisk effekt er vurdert etter en minimumsperiode på stabilisering (5 min) gjennom avblindet og blindet video vurdering av motorisk funksjon ved hjelp av et utvalg av score fra Unified Parkinsons Rating Scale (UPDRS). Nyere arbeider har vist en reduksjon i kraftforbruket med aDBS, så vel som en forbedring i kliniske resultatet sammenlignet med konvensjonelle DBS. Kroniske aDBS kan nå bli prøvd ut i parkinsonisme.
Parkinsons sykdom er en vanlig invalidiserende sterkt degenerative bevegelsesforstyrrelse som langtids medisinsk behandling er ikke tilfredsstillende 1. DBS er effektivt for avansert medisinsk ildfast PD, men er begrenset i forhold til effekt, bivirkninger og koster to. Konvensjonell stimulering er satt heuristisk av en bevegelsesforstyrrelser spesialist og igjen kjører kontinuerlig uten endring til neste klinikken besøk. Typiske stimuleringsparametere er 60 ms pulsbredde, 3 V intensitet, og 130 Hz repetisjon. Dette kan imidlertid kontinuerlig høy spenning stimulering forstyrre normal funksjonen til motoren 3.. Mye som hjertepacing har vellykket overført fra enkle åpen sløyfe systemer til komplekse responsive lukket sløyfesystemer, med en tilhørende bedring i resultatet, er det å håpe at DBS kan tilsvarende bli bedre ved å gjøre det lydhør overfor underliggende hjernerytmer – adaptive DBS (aDBS) 4 , 5.
I ordeh å realisere aDBS, er det for det første viktig å identifisere pålitelige biomarkører for sykdom. Parkinsons sykdom er preget av fremtredende beta (13-33 Hz) svingninger opp gjennom basalgangliene krets to. Disse beta svingninger blir undertrykt av levodopa og DBS i forhold til forbedring i klinisk tilstand 6,7. De er stabile og robuste på lang sikt, og kan tas opp fra de samme elektroder som brukes for klinisk DBS gjør dem attraktive mål for biomarkører åtte. I tillegg til beta-svingninger, er blitt identifisert en rekke andre og mer kompliserte, potensielle biomarkører som har vist seg å forholde seg til alvorlighetsgraden av symptomene 2,9-12.
Bevis på prinsippet om aDBS har nå blitt vist i en ikke – menneskelige primater modell av PD 13. Dette brukes en enkelt kortikale motoriske nervecellen til å kontrollere stimulering med avfyring av nervecellen utløsende DBS stimulering etter en fast forsinkelse. Studien rapporterte at tilpasseive stimulering var mer effektive enn konvensjonelle DBS. Nyere arbeider har siden lykkes utvidet aDBS for mennesker, den metoden som er presentert i denne Jove artikkel 14. Denne studien undersøkte pasienter med PD i umiddelbar postoperativ periode før internalisering av sine ledninger og tilkobling til deres batteripakke / stimulator. Beta oscillasjoner ble overvåket i sann tid elektronisk og brukes til å kontrollere tidspunktet for høyfrekvent stimulering. Dette førte til en> 50% reduksjon i strømforbruk og en 25% forbedring i motorfunksjon sammenlignet med standard stimulering. Disse resultatene må bli replikert i kronisk implantert staten der terskler og effektive stimuleringsparametere kan endres samt narkotika nivåer. Som sådan, kan biomarkører og reguleringsalgoritmer må justeres og matchet tilsvarende og faktisk godt kan kreve ytterligere kompleksitet til å tilpasse seg dette annerledes parameter landskapet. Enheter som er utstyrt for lengre sikt stimulation og opptak er under utvikling og trialed i et forskningsprosjekt innstilling 15. Samtidig er det et behov for en plattform som vil tillate mulige fordeler av adaptive DBS og de algoritmer som understøtter dens ytelse for å bli ytterligere vurdert og raffinert. Dette er et viktig skritt, som feil og sub-optimale tilnærminger er vanskeligere å reversere når systemene er internalisert for kronisk bruk. Videre akutte studier er nødvendig for å motivere til innsats i å overvinne utfordringene implisitt i å utvikle kronisk internalisert adaptive DBS-systemet.
Målet med dette metoder rapporten er å muliggjøre forskere til å utforske en rekke ulike biomarkører og stimulerings paradigmer i DBS pasienter og for å optimalisere parametere, slik som å maksimere effektiviteten og minimere bivirkninger / strømforbruk. Dette er den første fremgangsmåte av denne typen for å være effektiv i pasienter med parkinsonisme og likevel er forholdsvis enkel og lett å påføre. Fremgangsmåten er utformet for to undersøke eventuelle DBS pasienten som det er en kjent LFP biomarkør og som har en periode med eksternalisepostoperativt (opp til en uke periode når elektrode ledninger er ekstra kranie og tilgjengelig for eksperimentering før batteri / stimulator innsetting).
Denne artikkelen skisserer en ny metode for studien og validering av adaptive dyp hjernestimulering i postoperative pasienter. DBS behandling er en del av standard behandling for PD, essensiell tremor og dystoni og blir innført og testet i en rekke andre tilstander, inkludert clusterhodepine, epilepsi, Gilles de la Tourette-syndrom, obsessiv-kompulsiv forstyrrelse og depresjon. I dag, alle kliniske stimulering paradigmer ansetter kontinuerlig, åpen-sløyfe stimulering og selv om disse enkle stimulerings paradigmer er ofte effektive, er det å håpe at de kan bli betydelig forbedret ved å gjøre dem mottakelig for sykdom egnede biomarkører og dermed optimalisere stimulering i en informert, pasient spesifikk måte. Fremgangsmåten, beskrevet her, tillater testing av aDBS hos pasienter ekstern etter deres første operasjon (elektroden implantasjon), før internalisering og implantering av batteriet og stimulator. Ved hjelp av denne metoden, er det å håpe detderfor at forskere kan undersøke effekten av aDBS ved hjelp av en rekke biomarkører over hele spekteret av lidelser som DBS brukes. Dette kan da føre til studier i kronisk implantert klinisk setting.
Protokollen som vi har brukt og funnet å være vellykket er skissert ovenfor. Vi oppdaget en rekke viktige skritt for å finjustere prosessen for å oppnå vellykket aDBS. Parametere som kan kontrolleres i denne enkle aDBS oppsettet inkluderer spenning, utløsingstersklene, stimulering kontakt og ramping varighet. Disse må alle være balansert mot bivirkninger av å bytte stimulering av og på (parestesier), tekniske problemer (tilbakevendende 'selv' utløser) og klinisk effekt. Koblings stimulering på og fører ut en spenningsavhengig gjenstand i LFP at, til tross filtrering, potensielt kan lekke inn i frekvensområdet av interesse. Hvis dette er alvorlig, kan det føre til at systemet selv-trigger, selv i fravær av enheving i biomarkør signal, her-beta-aktivitet i den lokale feltpotensial. Dette representerer ikke et sikkerhetsproblem som det effektivt resulterer i aDBS å være på hele tiden, og derfor etterligne cDBS som er kjent for å være trygg. Men den gjør det resultere i en mangel på reaktivitet til beta amplitude og tapet derfor i alle potensielle nytten av aDBS løpet cDBS. Vi har funnet at, hvis det er nødvendig, kan selv-utløsende unngås ved å redusere stimulering spenningen, heve terskelen eller endre stimulering kontakt. Den 250 msek ramping av stimulering av og på ble funnet å være tilfredsstillende kompromiss med hensyn til å forebygge paresthesias samtidig som respons på aDBS. I dag parametre må justeres heuristisk for å oppnå best respons profilen hos enkelte pasienter, og vi har ennå ikke identifisert konsekvente regler som gjelder på gruppenivå for å oppnå dette på en pålitelig måte. Likevel, i alle pasienter studert så langt, har vi funnetat heuristisk justering av spenning, utløsingstersklene og kontakt stimulering aktivert effektiv aDBS, og optimale parametre ble identifisert i mindre enn 30 min. Det er å håpe at forvaltningen av bivirkninger (parestesier fra on / off switching) og artefakt forurensning (muligens relatert til vev-elektrode kapasitans) kan bli ytterligere etterforsket og bedre forstått å utlede mer generaliserte regler om deres minimalisering.
Potensialet parameter plass for leting vil også bli større og mer komplisert som kompleksiteten av biomarkører og stimulerings algoritmer vokse. For eksempel, høyfrekvente strømforhold, fase amplitude kopling og beta variabilitet har alle vist seg å forholde seg til Parkinson tilstand 9,10,12,17. Metoden som beskrives i denne artikkelen bør muliggjøre systematisk undersøkelse av slike parametre og deres effekt på den kliniske effekten av stimulering i tillegg til sin bivirkningsprofil. Imidlertid thorough optimalisering av alle parametere i fremtiden sannsynligvis vil bli lettere når DBS modeller og algoritmisk optimalisering rutiner som fokuserer på responsen av biomarkør snarere enn kliniske effekter tillater begrensninger i parameteren varierer skal søkes empirisk.
Denne metoden har vist økt strømforbruk og klinisk effekt sammenlignet med konvensjonell DBS og har potensial til å bli ytterligere forbedret i PD med avansement i vår forståelse om biomarkører og stimulering mønster. I andre forhold hvor DBS er brukt, mye mindre er kjent om patofysiologien og derfor tilsvarende biomarkører er ennå ikke helt klarlagt. Betydelige ytterligere forskning er nødvendig for å fullstendig utnytte potensialet i aDBS i parkinsonisme, og for å oppdage dens gjennomførbarhet i en rekke andre potensielle nevrologiske og nevropsykiatriske tilstander der alvorlighetsgrad og svekkelse fluktuerer over tid.
The authors have nothing to disclose.
Denne metoden ble utviklet ved hjelp av midler fra Wellcome Trust, Medical Research Council, National Institute for Health Research Oxford Biomedical Research Centre, og Rosetrees Trust. UCL Unit of Functional Nevrokirurgi er støttet av den britiske Parkinson lagmannsrett og Monument Trust.
StimRecord Amplifier (3-37 Hz) | In house | NA | Common mode rejection, 3-37Hz (bandpass), x9500 amplifier. See – Eusebio, A et al. Deep brain stimulation can suppress pathological synchronisation in parkinsonian patients. JNNP (5), 569–573 (2011) |
1401 Digital acquisition unit | CED | Micro 1401-3 | |
Spike 2 software | CED | NA | |
Stimulator | In house | NA | Biphase, variable, ramped stimulator. See – Little et al. Adaptive deep brain stimulation in advanced Parkinson's disease. Annals of Neurology 2013. |
Gel electrode reference pad | Axelgaard | 895220 | 5×5 cm PALS platinum gel electrode pad |