Adaptiv djup hjärnstimulering (ADBS) är effektiv för Parkinsons sjukdom, förbättrar symptom och minskar strömförbrukningen jämfört med konventionell djup hjärnstimulering (cdbs). I ADBS spår vi en lokal fält potentiell biomarkör (beta oscillerande amplitud) i realtid och använda detta för att styra tidpunkten för stimulering.
Adaptiv djup hjärnstimulering (ADBS) har potential att förbättra behandlingen av Parkinsons sjukdom genom att optimera stimulering i realtid beroende på fluktuerande sjukdom och medicinering tillstånd. I det aktuella förverkligandet av adaptiv DBS spelar vi och stimulera från DBS elektroder implanterade i nucleus subthalamicus av patienter med Parkinsons sjukdom i den tidiga postoperativa perioden. Lokala fält potentialer är analog filtreras mellan 3 och 47 Hz innan de skickas till en datainsamlingsenhet där de digitalt filtrerats igen runt patientens specifika beta topp, likriktas och glättas att ge en online-läsning av beta amplitud. Ett tröskelvärde för beta amplitud sätts heuristiskt, som, om den överskrids, skickar en triggsignal till stimulatorn. Stimulatorn ramper sedan upp stimulans till ett förutbestämt kliniskt effektiva spänningen över 250 ms och fortsätter att stimulera till beta amplituden åter faller ner under tröskeln.Stimulering fortsätter på detta sätt med korta episoder av lutande DBS under perioder av ökad beta makt.
Klinisk effekt bedöms efter en period av stabilisering (5 min) minimum genom oblindad och förblindade video bedömning av motorisk funktion med hjälp av ett urval av poäng från Unified Parkinson Rating Scale (UPDRS). Senaste arbete har visat en minskning av energiförbrukningen med ADBS samt en förbättring av kliniska poäng jämfört med konventionell DBS. Kroniska ADBS kunde nu trialed i parkinsonism.
Parkinsons sjukdom är en vanlig allvarligt handikappande degenerativ rörelsestörning som långtids medicinsk behandling är otillfredsställande 1. DBS är effektiv för avancerad medicinskt refraktär PD men är begränsad i fråga om effektivitet, biverkningar och kostar 2. Konventionell stimulering sätts heuristiskt med en rörelsestörningar specialist och vänster hela tiden köra utan förändring tills nästa klinikbesök. Typiska stimuleringsparametrar är 60 ms pulsbredd, 3 V intensitet, och 130 Hz repetition. Dock kan denna kontinuerliga högspännings stimulering störa normal motor funktion 3. Mycket som hjärtstimulering har framgångsrikt överförts från enkla öppna slingsystem till komplexa lyhörda slutna slingsystem, med en tillhörande förbättring i resultatet, är förhoppningen att DBS liknande sätt kan förbättras genom att göra den mottaglig för underliggande hjärnrytmer – adaptiv DBS (ADBS) 4 , 5.
I ORDer att inse ADBS, är det först och främst viktigt att identifiera tillförlitliga biomarkörer för sjukdomen. Parkinsons sjukdom kännetecknas av framträdande beta (13-33 Hz) svängningar registreras under hela basala ganglierna kretsen 2. Dessa beta svängningar undertrycks av levodopa och DBS i proportion till förbättrad klinisk tillstånd 6,7. De är stabila och robusta på lång sikt och kan spelas in från samma elektroder som används för klinisk DBS gör dem attraktiva mål för biomarkörer 8. Förutom beta svängningar, har en rad andra, mer komplexa, potentiella biomarkörer identifierats som har visat sig relatera till svårighetsgraden av symtomen 2,9-12.
Bevis på principen om ADBS har nu visats i en icke – mänskliga primater modell av PD 13. Detta använde en enda kortikal motorneuron att styra stimulering med eldning av neuron utlösande DBS stimulering efter en fast fördröjning. Studien rapporterade att anpassaive stimulering var effektivare än konventionell DBS. Senaste arbete har sedan dess med framgång utvidgats ADBS till människor, den metod som presenteras i detta JUPITER artikel 14. Denna studie undersökte patienter med PD i den omedelbara postoperativa perioden före internalisering av deras ledningar och anslutning till deras batteri / stimulator. Beta svängningar övervakades i realtid på nätet och används för att styra tidpunkten för högfrekvent stimulering. Detta ledde till en minskning> 50% i energiförbrukning och en förbättring med 25% motorfunktion jämfört med standard stimulering. Dessa resultat kommer att behöva upprepas i det kroniskt implanterade stat där trösklar och effektiva stimuleringsparametrarna kan förändras liksom läkemedelsnivåer. Som sådana kan biomarkörer och styralgoritmer behöva justeras och matchas i enlighet därmed och kan faktiskt mycket väl kräva ytterligare komplexitet för att anpassa sig till denna annan parameter landskapet. Enheter som är utrustade för längre sikt stimulation och inspelning är under utveckling och trialed i ett forskningsprojekt inställning 15. Samtidigt finns det ett behov av en plattform som gör att de eventuella fördelarna med adaptiv DBS och de algoritmer som ligger till grund för dess prestanda ska vidare utvärderas och förfinas. Detta är ett viktigt steg, eftersom fel och optimala strategier är svårare att vända en gång system intern för kronisk användning. Dessutom akuta studier behövs för att motivera insatser för att övervinna de utmaningar implicita att utveckla kronisk internaliserad adaptiva DBS-systemet.
Målet med detta metoder rapporten är att ge forskarna möjlighet att utforska en rad olika biomarkörer och stimulering paradigm i DBS-patienter och för att optimera parametrar för att maximera effektiviteten och minimera biverkningar / strömförbrukning. Det är den första metoden i sitt slag för att vara effektivt hos patienter med parkinsonism och ändå är relativt enkel och lätt att tillämpa. Metoden är utformad to utreda alla DBS patienten för vilka det finns en känd LFP biomarkör och som har en period av utläggning postoperativt (upp till 1 vecka period då elektrodkablar är extra-kraniella och tillgänglig för experiment innan batteri / stimulator insättning).
Den här artikeln beskriver en ny metod för att studera och bekräfta adaptiv djup hjärnstimulering i postoperativa patienter. DBS behandling är en del av standardbehandling för PD, essentiell tremor och dystoni och håller på att införas och testas i en rad andra tillstånd, inklusive klusterhuvudvärk, epilepsi, Gilles de la Tourettes syndrom, tvångssyndrom och depression. För närvarande har alla kliniska stimulans paradigm anställer kontinuerligt, open-loop stimulans och även om dessa enkla stimulans paradigm är ofta effektiva, är förhoppningen att de kan förbättras väsentligt genom att de reagerar på sjukdoms lämpliga biomarkörer och därigenom optimera stimulering i en informerad, tålmodig specifikt sätt. Metoden, som beskrivs här, tillåter mätning av ADBS patienter externalise efter deras första operationen (elektrod implantation), före interna och implantation av batteriet och stimulatorn. Med hjälp av denna metod, är förhoppningen att detdärför att forskare kan undersöka effekten av ADBS med hjälp av en rad olika biomarkörer i hela det spektrum av sjukdomar som DBS används. Detta kan sedan leda till försök i den kroniskt implanterade klinisk miljö.
Det protokoll som vi har använt och befunnits vara framgångsrik skisseras ovan. Vi urskilja ett antal kritiska steg för att finjustera processen för att uppnå framgångsrika ADBS. Parametrar som kan styras på detta enkla ADBS inställning omfattar spänning, triggertröskeln, kontakta stimulans och ramptiden. Dessa måste alla vägas mot biverkningar av att byta stimulans på och av (parestesi), tekniska problem (återkommande "själv" trigg) och klinisk effekt. Switchat stimulering av och på orsakar ett spänningsberoende artefakter i LFP att trots filtrering, kan eventuellt läcka in i frekvensområdet av intresse. Om detta är allvarlig, kan det leda till att systemet självtrigg även i frånvaro av enhöjden i biomarkörer signal,-här betaaktiviteten i den lokala fältpotentialen. Detta motsvarar inte en säkerhetsfråga eftersom den effektivt leder till ADBS vara på hela tiden och därför härma cdbs som är känd för att vara säker. Men det resulterar i en brist på reaktivitet mot beta amplitud och förlusten därmed för potentiella nyttan av ADBS över cdbs. Vi har funnit att, om nödvändigt, kan självtriggning undvikas genom att minska stimuleringsspänning, höja tröskeln eller ändra stimulering kontakt. Den 250 ms rampning av stimulering av och på befanns vara tillfredsställande kompromiss när det gäller att förebygga parestesier samtidigt som lyhördhet ADBS. För närvarande parametrar måste justeras heuristiskt för att uppnå det bästa svaret profilen hos enskilda patienter och vi har ännu inte identifierat konsekventa regler som gäller på gruppnivå för att uppnå detta på ett tillförlitligt sätt. Men i alla patienter som studerats hittills, har vi funnitden heuristiska justering av spänning, triggertröskel och stimulans kontakt aktiverat effektiv ADBS, och optimala parametrar identifierades i mindre än 30 minuter. Förhoppningen är att hanteringen av biverkningar (parestesier från på / frånslag) och artefakt kontaminering (möjligen relaterade till vävnadselektrod kapacitans) kan undersökas närmare och lättare att förstå för att få fram mer allmänna bestämmelser om deras minimering.
Den potentiella parameterutrymme för prospektering kommer också att bli större och mer komplicerad eftersom komplexiteten av biomarkörer och stimulans algoritmer växer. Exempelvis högfrekventa effektförhållanden, fas amplitud koppling och beta variabilitet har alla visat att relatera till Parkinsons tillstånd 9,10,12,17. Den metod som beskrivs i detta dokument bör möjliggöra systematisk undersökning av sådana parametrar och deras inverkan på den kliniska effekten av stimulering förutom deras biverkningsprofil. Men thorough optimera alla parametrar i framtiden sannolikt kommer att underlättas när DBS-modeller och algoritmiska optimeringsrutiner som fokuserar på svaret av biomarkörer i stället för kliniska effekter tillåter begränsning av parameterintervall som ska sökas empiriskt.
Denna metod har visat förbättrad strömförbrukning och klinisk effekt jämfört med konventionell DBS och har potential att förbättras ytterligare i PD med framsteg i vår förståelse om biomarkörer och stimulans mönstring. I andra tillstånd där DBS används, mycket mindre är känt om underliggande patofysiologi och därmed motsvarande biomarkörer är ännu inte helt fastställt. Betydande ytterligare forskning krävs för att till fullo utnyttja potentialen i ADBS i Parkinsonism, och att undersöka dess genomförbarhet i ett antal andra potentiella neurologiska och neuropsykiatriska tillstånd i vilken svårighetsgrad och nedskrivningar varierar över tiden.
The authors have nothing to disclose.
Denna metod har utvecklats med hjälp av finansiering från Wellcome Trust, Vetenskapsrådet, Institutet för hälsa Forskning Oxford Biomedical Research Centre, och Rosetrees Trust. UCL Enheten för funktionell neurokirurgi stöds av Storbritanniens Parkinson Appeal och 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 |