Controlling Parkinson-Krankheit mit Adaptive Tiefe Hirnstimulation
Summary
Adaptive Tiefenhirnstimulation (ADB) ist wirksam für die Parkinson-Krankheit, die Verbesserung der Symptome und reduziert den Stromverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Tiefenhirnstimulation (CDB). In ADBS wir in Echtzeit verfolgen eine lokale Feldpotential-Biomarker (beta Schwingungsamplitude) und nutzen diese, um den Zeitpunkt der Stimulation steuern.
Abstract
Adaptive Tiefenhirnstimulation (ADB) hat das Potenzial zur Verbesserung der Behandlung der Parkinson-Krankheit durch die Optimierung der Stimulation in Echtzeit nach schwankenden Krankheit und Medikamente Staat. In der vorliegenden Realisierung der adaptiven DBS erfassen wir von den DBS-Elektroden in den Nucleus subthalamicus bei Patienten mit Parkinson-Krankheit in der frühen postoperativen Phase implantiert stimulieren. Lokale Feldpotentiale analogen zwischen 3 und 47 Hz gefiltert, bevor sie zu einer Datenerfassungseinheit, wo sie digital wieder um den Patienten spezifischen beta Spitzen gefiltert, gleichgerichtet und geglättet, um eine Online-Messung der beta Amplitude geben geleitet. Ein Schwellenwert für Beta-Amplitude wird heuristisch festgelegt, die, wenn überquerte, geht ein Triggersignal an den Stimulator. Der Stimulator dann Rampen bis Stimulation zu einem vorher festgelegten klinisch effektive Spannung über 250 ms und weiter zu stimulieren, bis die Beta-Amplitude wieder unter den Schwellenwert fällt.Die Stimulation wird in dieser Weise mit kurzen Episoden von abgeschrägten DBS während Zeiten erhöhter Beta-Macht.
Klinische Wirksamkeit ist nach einem Zeitraum von mindestens Stabilisierung (5 min) durch die unblinded und blendete Video Beurteilung der motorischen Funktion über eine Auswahl von Noten vom Unified Parkinson-Rating Scale (UPDRS) bewertet. Neuere Arbeiten haben eine Reduzierung des Stromverbrauchs mit ADBS sowie eine Verbesserung der klinischen Scores im Vergleich zu herkömmlichen DBS demonstriert. Chronische ADBS konnte nun in Parkinson erprobt werden.
Introduction
Parkinson-Krankheit ist eine degenerative gemeinsame schweren, behindernden Bewegungsstörung, für die langfristige medizinische Behandlung unbefriedigend 1 ist. DBS ist für erweiterte medizinisch refraktären PD ist aber in Bezug auf Wirksamkeit, Nebenwirkungen und kosten 2 beschränkt. Konventionelle Stimulation heuristisch durch einen Bewegungsstörungen Spezialist und links kontinuierlich ohne Änderung läuft bis zur nächsten Klinik zu besuchen. Typische Stimulationsparameter sind 60 ms Pulsbreite, 3 V Intensität und 130 Hz Wiederholung. Allerdings kann diese kontinuierliche Hochspannungs Stimulation mit normalen Motor Funktionieren 3 stören. Ähnlich wie Herzschrittmacher hat erfolgreich von der einfachen Open-Loop-Systeme, komplexe reagiert geschlossene Systeme umgestellt, mit einem zugehörigen Verbesserung der Ergebnisse ist zu hoffen, dass DBS kann in ähnlicher Weise, indem sie die auf zugrunde liegende Gehirnrhythmen verbessert werden – adaptive DBS (ADB) 4 , 5.
In order zu ADBS realisieren, ist es zunächst wichtig, zuverlässige Biomarker der Krankheit zu identifizieren. Parkinson-Krankheit ist durch prominente beta (13-33 Hz) Schwingungen in der gesamten Basalganglien Schaltung 2 gespeichert ist. Diese Beta-Schwingungen werden von Levodopa und DBS im Verhältnis zur Verbesserung der klinischen Zustand 6,7 unterdrückt. Sie sind stabil und robust in der Langzeit-und aus den gleichen Elektroden für klinische DBS macht sie zu attraktiven Zielen für Biomarker 8 aufgezeichnet werden. Neben den Beta-Schwingungen, eine Reihe von anderen, komplexeren, potenzielle Biomarker identifiziert worden, die gezeigt haben, um die Schwere der Symptome 2,9-12 beziehen.
Primatenmodell von PD-13 – Nachweis der Grundsatz der ADB hat nun in einem nicht nachgewiesen worden. Dieser verwendet eine einzelne kortikalen motorischen Neurons auf die Stimulation mit dem Brennen des Neurons Auslösung DBS Stimulation nach einer festgelegten Verzögerung steuern. Die Studie berichtet, dass anpassenive Stimulation war wirksamer als herkömmliche DBS. Die jüngsten Arbeiten hat sich seitdem erfolgreich auf den Menschen ausgedehnt ADBS, die Methode, für die in diesem Artikel JoVE 14 vorgestellt. Diese Studie untersuchte Patienten mit PD in der unmittelbaren postoperativen Phase vor der Internalisierung ihrer Leitungen und Verbindung zu ihren Akku / Stimulator. Beta-Schwingungen in Echtzeit online überwacht und verwendet, um die Zeitsteuerung von Hochfrequenzstimulation zu steuern. Dies führte zu einer Reduktion> 50% des Stromverbrauchs und einer Verbesserung der motorischen Beeinträchtigung von 25% im Vergleich zu Standard-Stimulation. Diese Ergebnisse müssen in der chronisch implantierten Zustand, in dem Schwellenwerte und effektive Stimulationsparameter können sowie Wirkstoffspiegel verändern repliziert werden. Als solche müssen Biomarker und Regelalgorithmen angepasst und entsprechend angepasst werden und in der Tat kann auch erfordern weitere Komplexität auf diese verschiedenen Parameter Landschaft anzupassen. Geräte, die für längerfristige st ausgestattet sindimulation und Aufnahme werden derzeit entwickelt und in einem Forschungseinstellung 15 erprobt. Inzwischen gibt es einen Bedarf für eine Plattform, die es werden die möglichen Vorteile der adaptiven DBS und die Algorithmen, die ihre Leistung zu untermauern weiter evaluiert und verfeinert werden. Dies ist ein wichtiger Schritt, da Fehler und suboptimale Ansätze sind schwieriger umzukehren, sobald Systeme sind für die chronische Verwendung internalisiert. Darüber hinaus sind Kurzzeitstudien notwendig, die Anstrengungen bei der Überwindung der Herausforderungen implizit in die Entwicklung chronischer verinnerlichten adaptive DBS-System zu motivieren.
Das Ziel dieses Berichtes ist es, Methoden Forschern ermöglichen, eine Reihe von verschiedenen Biomarkern und Stimulation Paradigmen in der DBS-Patienten zu erforschen und um die Parameter zu optimieren, um die Wirksamkeit zu maximieren und Nebenwirkungen / Stromverbrauch zu minimieren. Es ist das erste Verfahren dieser Art, die bei Patienten mit Parkinsonismus und ist relativ einfach und leicht anzuwenden ist leer. Das Verfahren wurde entwickelt, to untersuchen jede DBS Patienten, für den gibt es eine bekannte und LFP-Biomarker, die einen Zeitraum von Externalisierung (bis zu 1 Woche Zeit, als Elektrodendrähte sind extra-Schädel-und für Experimente zur Verfügung vor, um die Batterie / Stimulator Insertion) hat nach der Operation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieser Artikel beschreibt eine neue Methode für die Untersuchung und Bestätigung der adaptive Tiefenhirnstimulation bei postoperativen Patienten. DBS-Behandlung ist Teil der Standard-Behandlung für PD, essentiellem Tremor und Dystonie und wird eingeführt und in einer Reihe von anderen Bedingungen, einschließlich Cluster-Kopfschmerzen, Epilepsie, Gilles de la Tourette-Syndrom, Zwangsstörungen und Depressionen getestet. Derzeit alle klinischen Stimulation Paradigmen beschäftigen kontinuierliche Open-Loop-Stimulation und obwohl diese einfache Stimulation Paradigmen sind oft wirksam, es ist zu hoffen, dass sie deutlich, indem sie die auf Krankheit geeignete Biomarker und damit Stimulation in einer informierten, Patienten-Optimierung verbessert werden spezifische Art und Weise. Verfahren hier beschrieben, erlaubt die Prüfung von ADBS bei Patienten nach der ersten Operation (Elektrodenimplantation) vor Internalisierung und Implantation der Batterie und Stimulator externalisierten. Unter Verwendung dieses Verfahrens wird es gehofftVordergrund, dass die Forscher die Wirksamkeit der ADB mit einer Reihe von Biomarkern für das gesamte Spektrum von Erkrankungen, für die DBS wird verwendet, zu untersuchen. Dies kann dann zu Studien in den chronisch implantierten klinischen Umfeld führen.
Das Protokoll, das wir verwendet und festgestellt, um erfolgreich zu sein haben, ist oben beschrieben. Wir erkennen eine Reihe von kritischen Schritte zur Feinabstimmung des Prozesses, um eine erfolgreiche ADBS zu erreichen. Parameter, die in diesem einfachen Setup ADBS gesteuert werden können, gehören Spannung, Auslöseschwelle, Stimulationskontakt und Rampendauer. Diese müssen alle gegen die Nebenwirkungen von Schalt Stimulation ein und aus (Parästhesien) ausgeglichen werden, technische Probleme (wiederkehrende "Selbst" Triggerung) und der klinischen Wirksamkeit. Schalt Stimulation und Ausschalten bewirkt eine spannungsabhängige Artefakte im LFP dass trotz Filterung können möglicherweise in den Frequenzbereich von Interesse austritt. In schweren Fällen kann das System die Selbstauslöser auch in Abwesenheit eines verursachenErhebung in der Biomarker-Signal, hier-Beta-Aktivität in der lokalen Feldpotenzial. Dies stellt kein Sicherheitsproblem darstellen, da sie effektiv in die ADBS wobei die ganze Zeit und damit imitiert CDBs von dem bekannt ist, sicher zu sein führt. Es wird jedoch zu einem Mangel an Reaktivität beta Amplitude und damit den Verlust der potenziellen Nutzen ADBS über CDBS führen. Wir fanden, dass, falls notwendig, kann selbst Triggerung durch Reduzieren der Stimulationsspannung, Anhebung der Schwelle oder die Änderung der Stimulationskontakt vermieden werden. Die 250 ms Rampen der Stimulation ein-und ausschalten wurde zu zufriedenstellenden Kompromiss im Hinblick auf die Verhinderung von Parästhesien unter Beibehaltung der Reaktionsfähigkeit der ADBS sein. Zur Zeit haben Parameter, die heuristisch, um die beste Reaktion Profil des einzelnen Patienten zu erreichen, eingestellt werden, und wir haben noch nicht konsequente Regeln, die anwendbar sind auf Konzernebene, dies zu erreichen, zuverlässig identifiziert. Dennoch in allen bisher untersuchten Patienten fanden wir,dass heuristische Einstellung von Spannung, Triggerschwelle und Stimulationskontakt aktiviert ADBS wirksame und optimale Parameter wurden in weniger als 30 min ermittelt. Es ist zu hoffen, dass das Management von Nebenwirkungen (Parästhesien von Ein / Aus-Schalten) und Artefaktkontamination (möglicherweise, um Gewebe-Elektroden-Kapazität bezogen) weiter untersucht und besser verstanden zu allgemeineren Vorschriften über ihre Minimierung abzuleiten.
Das Potenzial für die Exploration Parameterraum wird auch größer und komplizierter als die Komplexität von Biomarkern und Stimulation Algorithmen wachsen werden. Zum Beispiel, Hochfrequenz-Leistungsverhältnisse, Phasenamplitudenkopplungs und Beta-Variabilität haben alle gezeigt, um Parkinson-Zustand 9,10,12,17 beziehen. Die in diesem Dokument beschriebenen Methode die systematische Untersuchung solcher Parameter und ihre Wirkung auf die klinische Wirksamkeit der Stimulation neben ihrer Nebenwirkungsprofil zu ermöglichen. Allerdings ist die thorough Optimierung aller Parameter in der Zukunft wahrscheinlich erleichtert werden einmal DBS Modelle und Algorithmen Optimierungsroutinen, die auf der Reaktion des Biomarkers anstatt klinischen Effekte konzentrieren können Begrenzung der Parameterbereiche empirisch gesucht werden.
Dieses Verfahren hat eine verbesserte Energieverbrauch und die klinische Wirksamkeit gezeigt, im Vergleich zu herkömmlichen DBS und das Potential hat, weiter in PD mit Fortschritt im Verständnis bezüglich Biomarker und Stimulationsmuster verbessert werden. In anderen Bedingungen, wo DBS verwendet wird, viel weniger bekannt ist, in Bezug auf zugrunde liegende Pathophysiologie und damit entsprechende Biomarker sind noch nicht vollständig ermittelt werden. Wesentliche weitere Forschung ist erforderlich, um vollständig zu nutzen das Potenzial der ADB in Parkinson und seine Machbarkeit in einer Reihe von anderen möglichen neurologischen und neuropsychiatrischen Erkrankungen, in der Schwere und Wertschwankungen über die Zeit zu erkunden.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Verfahren wurde mit Mitteln aus dem Wellcome Trust, Medical Research Council, National Institute for Health Research Oxford Biomedical Research Centre und Rosetrees Vertrauen entwickelt. Die UCL Unit of Funktionelle Neurochirurgie wird von der britischen Parkinson Kammern und der Monument Vertrauen unterstützt.
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 |
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