Управление болезни Паркинсона с адаптивной Глубокая стимуляция мозга
Summary
Адаптивная глубокая стимуляция мозга (АДБ) является эффективным для лечения болезни Паркинсона, улучшение симптомов и снижения энергопотребления по сравнению с обычными стимуляции глубоко мозга (CDBS). В ADBS мы отслеживаем локальный потенциал поля биомаркеров (бета колебательная амплитуда) в режиме реального времени и использовать это, чтобы контролировать время стимуляции.
Abstract
Адаптивная стимуляция глубоко мозга (АДБ) имеет потенциал для улучшения лечения болезни Паркинсона за счет оптимизации стимуляции в режиме реального времени в соответствии с колебаниями болезни и лекарства государство. В настоящей реализации адаптивного DBS мы записываем и стимулировать от электродов DBS, имплантированных в субталамического ядра пациентов с болезнью Паркинсона в раннем послеоперационном периоде. Потенциалы Местные полевые аналог фильтруется от 3 до 47 Гц до передачи в блок сбора данных, где они имеют цифровую фильтрованной снова вокруг пациента определенного бета пика, ректификованного и сглаженной дать онлайн чтение амплитуды бета. Порог для бета амплитуды устанавливается эвристически, которые, если на ногу, проходит сигнал запуска на стимулятор. Стимулятор затем наращивает стимуляции заранее определенной клинически эффективным напряжением более 250 мс и продолжает стимулировать, пока амплитуда бета снова не падает ниже порогового значения.Стимуляция продолжает таким образом с краткими эпизодами наклонной DBS в периоды повышенной бета власти.
Клиническая эффективность оценивается после минимального периода стабилизации (5 мин) через раскрытием и ослепил видео двигательной функции с помощью выбор баллов из Единого Паркинсона шкале (UPDRS). Последние работы продемонстрировал снижение энергопотребления с ADBS а также улучшение клинических показателей по сравнению с обычной DBS. Хронические ADBS теперь можно опробована в паркинсонизма.
Introduction
Болезнь Паркинсона является общей серьезно отключение дегенеративным расстройством движения, для которых долгосрочное лечение является неудовлетворительным 1. DBS является эффективным для передовой медицинской огнеупорной PD но ограничен в плане эффективности, побочных эффектов и стоят 2. Обычные стимуляция установлен эвристически специалистом двигательные расстройства и оставил не работает непрерывно без изменений до следующего визита в клинику. Типичные параметры стимуляции являются 60 мс длительность импульса, интенсивность 3 В, и 130 Гц повторения. Однако это непрерывное стимулирование высокое напряжение может мешать нормальному функционированию двигателя 3. Подобно тому, как кардиостимуляции успешно перешли от простых систем с открытым контуром до сложных реагирующих систем с замкнутым контуром, с соответствующим улучшением результата, есть надежда, что DBS же можно улучшить, сделав его реагировать на основных ритмов мозга – адаптивная DBS (АДБ) 4 , 5.
В огэ реализовать ADBS, это во-первых решающее значение для выявления надежных биомаркеров заболевания. Болезнь Паркинсона характеризуется известного бета (13-33 Гц) колебаний записаны во всем базальных ганглиев контура 2. Эти бета колебания подавляются леводопы и DBS пропорционально улучшению клинического состояния 6,7. Они стабильны и надежная в долгосрочной перспективе и могут быть записаны из тех же электродов, используемых для клинического DBS делает их привлекательными объектами для биомаркеров 8. В дополнение к бета-колебаний, ряд других, более сложных, потенциальных биомаркеров были идентифицированы, которые, как было показано относятся к тяжести симптомов 2,9-12.
Доказательство принципа ADBS в настоящее время демонстрирует в не – модели приматов человеческого БП 13. Это используется один корковой мотонейрона контролировать стимуляцию с стрельбы нейрона запуска DBS стимуляции после фиксированного задержки. Исследование показало, что адаптироватьсяив стимуляции был более эффективен, чем обычные DBS. Недавняя работа с успешно продлен ADBS для человека, метод, для которого представлено в этой статье Юпитер 14. Это исследование пациентов с болезнью Паркинсона в непосредственной послеоперационном периоде до интернализации их проводов и подключения к их батарей / стимулятора. Бета колебания отслеживать в режиме реального времени в Интернете и использовать для контролировать сроки высокочастотной стимуляции. Это привело к сокращению> 50% энергопотребления и улучшения 25% в двигательной недостаточности по сравнению со стандартной стимуляции. Эти результаты должны быть воспроизведены в хронически имплантированных состоянии, когда пороги и эффективные параметры стимуляции может измениться, а также уровней наркотиков. Таким образом, биомаркеры и алгоритмы управления могут нуждаться в корректировке и подобраны соответствующим образом и действительно может потребовать дальнейшего сложности приспособиться к этой другой параметра ландшафта. Устройства, которые оснащены на более длительный срок улimulation и запись в настоящее время разрабатываются и опробована в исследовании настройки 15. Между тем существует необходимость для платформы, которая позволит возможные преимущества адаптивного DBS и алгоритмов, которые лежат в основе его работы, чтобы провести дальнейшую оценку и изысканной. Это важный шаг, так как ошибки и неоптимальные подходы являются более трудно повернуть вспять, как только системы интернализуются для хронического употребления. Кроме того, острые исследования необходимы, чтобы мотивировать усилия в преодолении проблем неявные в развитии хронической интернализованных адаптивная система DBS.
Цель этого метода отчета является предоставление исследователям изучить целый ряд различных биомаркеров и стимуляции парадигм в больных DBS и оптимизировать параметры так, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать побочные эффекты / энергопотребление. Это первый метод в своем роде, чтобы быть эффективным у пациентов с паркинсонизмом и еще является относительно простым и легко наносится. Способ предназначен то расследовать любой пациент DBS для которых существует известный ПРИ биомаркеров и кто имеет период экстернализации после операции (до 1 недельный период, когда электродные провода являются экстра-черепной и доступны для экспериментов до вставки батареи / стимулятор).
Protocol
Representative Results
Discussion
В данной статье рассматривается новый метод изучения и проверки адаптивного глубокой стимуляции мозга в послеоперационном периоде у пациентов. Лечение DBS является частью стандартного лечения для PD, тремора и дистонии и внедряется и используется в ряде других условий, включая головной боли, эпилепсии, синдрома Жиля де ла Туретта, обсессивно-компульсивного расстройства и депрессии. В настоящее время все клинические парадигмы стимуляции используют непрерывную разомкнутым контуром стимуляции и хотя эти простые стимуляции парадигмы часто эффективны, есть надежда, что они могут быть значительно улучшены, сделав их восприимчивость к болезням соответствующих биомаркеров и тем самым оптимизируя стимуляцию в информированной, пациента специфическим способом. Метод, описанный здесь позволяет тестирование ADBS у пациентов внешним управлением после их первой операции (электрод имплантации), до интернализации и имплантации батареи и стимулятора. Используя этот метод, можно надеяться, чтоПоэтому, чтобы исследователи могли изучить эффективность ADBS с использованием целого ряда биомаркеров по всему спектру заболеваний, для которых DBS используется. Это может затем привести к испытаний в хронически имплантированных клинических условиях.
Протокол, который мы использовали и обнаружили, чтобы быть успешным описана выше. Мы различить ряд важных шагов для тонкой настройки процесса для достижения успешных ADBS. Параметры, которыми можно управлять в этой простой установки ADBS включают напряжение, порог срабатывания, стимулирование контактов и продолжительность врезания. Они должны все быть сбалансированы с побочными эффектами перехода стимуляции и выключается (парестезии), технические проблемы (рецидивирующий «я» запуск) и клиническая эффективность. Переключение стимуляции включения и выключения вызывает зависимое от напряжения артефакт в LFP, что, несмотря фильтрации, может потенциально просочиться в частотном диапазоне, представляющем интерес. Если это тяжелая, это может вызвать систему к самостоятельной триггера даже в отсутствиевысота в сигнале биомаркеров,-здесь бета-активность в местной потенциала поля. Это не представляет собой проблему безопасности, поскольку это эффективно приводит к ADBS быть все время и, следовательно, имитируя CDBS которые, как известно, быть в безопасности. Однако, это приводит к отсутствию реактивности к бета амплитуды и потерей поэтому любого потенциального благо ADBS над CDBS. Мы обнаружили, что, если необходимо, самозапускающийся можно избежать за счет снижения напряжения стимуляции, повышение порога или изменение стимуляции контакт. 250 мсек линейное изменение стимуляции и выключать было обнаружено, что удовлетворительный компромисс в отношении предотвращения парестезии при сохранении реагирования ADBS. В настоящее время параметры должны быть скорректированы эвристически, чтобы достичь наилучшего профиль реакции в отдельных пациентов и мы еще не определены последовательные правила, которые применимы на уровне группы для достижения этой цели надежно. Тем не менее, у всех пациентов изученных до сих пор, мы нашличто регулировка эвристический напряжения, порог срабатывания и стимуляции контакт включен эффективное ADBS и оптимальные параметры были определены менее чем за 30 мин. Хотелось бы надеяться, что руководство побочных эффектов (парестезии от включение / выключение) и артефактов загрязнения (возможно, связаны с тканевой электрода емкости) могут быть дополнительно исследованы и лучше понять, чтобы получить более обобщенные правила, касающиеся их минимизации.
Потенциал пространство параметров для исследования также станет больше и сложнее, как сложность биомаркеров и алгоритмов стимуляции расти. Например, высокие коэффициенты мощности частота, фаза связи амплитуда и бета изменчивость все было показано относиться к Паркинсона государства 9,10,12,17. Метод, описанный в этой статье, должны позволить систематическое изучение таких параметров и их влияние на клиническую эффективность стимуляции в дополнение к их профилем побочных эффектов. Тем не менее, тhorough оптимизация всех параметров в будущем, вероятно, будет облегчено раз модели DBS и алгоритмические процедуры оптимизации, направленные на ответ биомаркера, а не клинических эффектов позволяют ограничение диапазонов параметров для поиска эмпирически.
Этот метод показал улучшенную энергопотребление и клиническую эффективность по сравнению с обычным DBS и имеет потенциал, чтобы быть дополнительно улучшены при БП с продвижением в нашем понимании в отношении биомаркеров и стимуляции кучность стрельбы. В других условиях, где DBS используется, гораздо меньше известно о патофизиологии и поэтому соответствующие биомаркеры еще не полностью определены. Значительное требуются дальнейшие исследования, чтобы полностью использовать потенциал ADBS в паркинсонизма, а чтобы изучить его целесообразность в ряде других потенциальных неврологических и психоневрологических условиях, в которых степень тяжести и обесценение колеблются в течение долгого времени.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот метод был разработан с использованием финансирования из Wellcome Trust, Советом по медицинским исследованиям, Национальный институт здравоохранения Исследования Oxford Biomedical Research Centre, и Rosetrees Trust. UCL Единица функциональной нейрохирургии при поддержке Апелляционный Великобритания Паркинсона и памятник Trust.
Materials
| 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 |
Referenzen
- Schrag, A. Dyskinesias and motor fluctuations in Parkinson’s disease: A community-based study. Brain. 123 (11), 2297-2305 (2000).
- Little, S., Brown, P. What brain signals are suitable for feedback control of deep brain stimulation in Parkinson’s disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1265 (1), 9-24 (2012).
- Chen, C. C., Brücke, C., et al. Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus: a two-edged sword. Current biology. 16 (22), 952-953 (2006).
- Modolo, J., Legros, A., Thomas, A. W., Beuter, A. Model-driven therapeutic treatment of neurological disorders: reshaping brain rhythms with neuromodulation. Interface Focus. (1), 61-74 (2011).
- Priori, A., Foffani, G., Rossi, L., Marceglia, S. Adaptive deep brain stimulation (aDBS) controlled by local field potential oscillations. Experimental neurology. 245, 77-86 (2012).
- Kühn, A. A., Kupsch, A., Schneider, G., Brown, P. Reduction in subthalamic 8-35 Hz oscillatory activity correlates with clinical improvement in Parkinson’s disease. The European journal of neuroscience. 23 (7), 1956-1960 (2006).
- Eusebio, A., Cagnan, H., Brown, P. Does suppression of oscillatory synchronisation mediate some of the therapeutic effects of DBS in patients with Parkinson’s disease. Frontiers in integrative neuroscience. 6, (2012).
- Giannicola, G., Rosa, M., et al. Subthalamic local field potentials after seven-year deep brain stimulation in Parkinson’s disease. Experimental neurology. 237 (2), 312-317 (2012).
- López-Azcárate, J., Tainta, M., et al. Coupling between beta and high-frequency activity in the human subthalamic nucleus may be a pathophysiological mechanism in Parkinson’s disease. The Journal of Neuroscience. 30 (19), 6667-6677 (2010).
- Ozkurt, T. E., Butz, M., et al. High frequency oscillations in the subthalamic nucleus: A neurophysiological marker of the motor state in Parkinson’s disease. Experimental neurology. 229 (2), 324-331 (2011).
- Pogosyan, A., Yoshida, F., et al. Parkinsonian impairment correlates with spatially extensive subthalamic oscillatory synchronization. Neurowissenschaften. 171 (1), 245-257 (2010).
- Chen, C. C., Hsu, Y. T., et al. Complexity of subthalamic 13-35 Hz oscillatory activity directly correlates with clinical impairment in patients with Parkinson’s disease. Experimental neurology. 224 (1), 234-240 (2010).
- Rosin, B., Slovik, M., et al. Closed-loop deep brain stimulation is superior in ameliorating parkinsonism. Neuron. 72 (2), 370-384 (2011).
- Little, S., Pogosyan, A., et al. Adaptive Deep Brain Stimulation in Advanced Parkinson Disease. Annals of neurology. 74 (3), 449-457 (2013).
- Afshar, P., Khambhati, A., et al. A translational platform for prototyping closed-loop neuromodulation systems. Frontiers in neural circuits. 6, (2012).
- Eusebio, A., Thevathasan, W., et al. Deep brain stimulation can suppress pathological synchronisation in parkinsonian patients. Journal of neurology, neurosurgery, and psychiatry. 82 (5), 569-573 (2011).
- Little, S., Pogosyan, A., Kuhn, A. A., Brown, P. Beta band stability over time correlates with Parkinsonian rigidity and bradykinesia. Experimental neurology. 236 (2), 383-388 (2012).
