السيطرة على مرض باركنسون مع التكيف تحفيز الدماغ العميق
概要
التكيف التحفيز العميق للمخ (aDBS) فعال لمرض باركنسون، وتحسين الأعراض وتقليل استهلاك الطاقة مقارنة مع التقليدية التحفيز العميق للمخ (cDBS). في aDBS نحن تتبع حقل العلامات البيولوجية المحتملة المحلية (السعة متذبذبة بيتا) في الوقت الحقيقي، واستخدام هذه للسيطرة على توقيت التحفيز.
Abstract
التكيف التحفيز العميق للمخ (aDBS) لديه القدرة على تحسين علاج مرض باركنسون عن طريق تحسين التحفيز في الوقت الحقيقي وفقا لتقلبات المرض والدواء الدولة. في إعمال الحالية على التكيف DBS نسجل وتحفيز من أقطاب DBS زرعها في نواة تحت المهاد من المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون في الفترة المبكرة بعد الجراحة. امكانات الحقل المحلية التماثلية تصفيتها بين 3 و 47 هرتز قبل أن يتم تمريرها إلى وحدة جمع البيانات حيث يتم تصفيتها أنها رقميا مرة أخرى حول المريض الذروة بيتا محددة، وتصحيح ممهدة لإعطاء القراءة على الانترنت من السعة بيتا. يتم تعيين عتبة بيتا السعة تجريبيا، والتي، إذا عبرت، بتمرير إشارة الزناد إلى مشجعا. مشجعا ثم تصعد إلى تحفيز محددة مسبقا الجهد فعالة سريريا أكثر من 250 ميللي ثانية ويستمر لتحفيز حتى يسقط السعة بيتا مرة أخرى إلى ما دون عتبة.تواصل التحفيز بهذه الطريقة مع نوبات قصيرة من رفعت DBS خلال فترات اشتداد قوة بيتا.
ويتم تقييم الفعالية السريرية بعد فترة لا تقل عن الاستقرار (5 دقائق) من خلال تقييم الفيديو معماة وأعمى وظيفة الحركة باستخدام مجموعة مختارة من عشرات من باركنسون الموحد تقييم مقياس (UPDRS). وقد أظهرت الأعمال الأخيرة انخفاضا في استهلاك الطاقة مع aDBS فضلا عن التحسن في علامات سريرية مقارنة DBS التقليدية. يمكن الآن محاكمتهم aDBS المزمنة في الاركنسونية.
Introduction
مرض باركنسون هو مشترك تعطيل بشدة اضطراب حركة التنكسية التي العلاج الطبي على المدى الطويل غير مرضية 1. DBS فعالة لصهر طبيا PD متقدمة ولكنها محدودة من حيث الفعالية، والآثار الجانبية والتكلفة 2. تم تعيين التحفيز التقليدية تجريبيا من قبل اختصاصي اضطرابات الحركة وغادر تشغيل بشكل مستمر دون تغيير حتى زيارة العيادة المقبل. المعلمات التحفيز النموذجية هي 60 عرض ميللي ثانية النبض، وكثافة 3 V، و 130 هرتز التكرار. ومع ذلك، وهذا التحفيز المستمر الجهد العالي قد تتداخل مع عمل المحرك العادي 3. بقدر سرعة القلب قد انتقلت بنجاح من نظم حلقة مفتوحة بسيطة لنظم حلقة مغلقة استجابة معقدة، مع تحسن المرتبطة في النتيجة، ومن المؤمل أن DBS يمكن بالمثل أن تتحسن من خلال جعلها تستجيب لايقاعات الدماغ الأساسية – التكيف DBS (aDBS) 4 ، 5.
أورد فيإيه لتحقيق aDBS، فمن الأهمية بمكان أولا لتحديد المؤشرات الحيوية موثوق بها من المرض. ويتميز مرض باركنسون بواسطة بيتا بارزة (13-33 هرتز) التذبذبات المسجلة في جميع أنحاء الدوائر العقد القاعدية 2. وقمعت هذه التذبذبات بيتا من قبل يفودوبا وDBS بما يتناسب مع تحسن في حالة سريرية 6،7. فهي مستقرة وقوية على المدى الطويل ويمكن تسجيل من نفس الأقطاب الكهربائية المستخدمة لDBS السريرية مما يجعلها أهدافا جذابة لالمؤشرات الحيوية 8. بالإضافة إلى التذبذبات بيتا، وقد تم تحديد مجموعة من أخرى أكثر تعقيدا، المؤشرات الحيوية، وإمكانات التي ثبت أن تتصل شدة الأعراض 2،9-12.
وقد تم الآن أظهرت دليلا على مبدأ aDBS في غير – نموذج الرئيسيات الإنسان من PD 13. استخدام هذا واحد القشرية الخلايا العصبية الحركية للسيطرة على التحفيز مع إطلاق الخلايا العصبية مما اثار التحفيز DBS بعد تأخير الثابتة. وذكرت الدراسة أن تتكيفوكان إيف التحفيز أكثر فعالية من DBS التقليدية. العمل الأخيرة ومنذ ذلك الحين تمديد بنجاح aDBS للبشر، وطريقة التي يتم عرضها في هذه المقالة إن الرب 14. التحقيق هذه الدراسة المرضى الذين يعانون من PD في فترة ما بعد الجراحة على الفور قبل تدخيل الأسلاك واتصال بهم حزمة بطارية / مشجعا. تم رصد التذبذبات بيتا في الوقت الحقيقي عبر الإنترنت وتستخدم للسيطرة على توقيت وارتفاع وتيرة التحفيز. أدى هذا إلى انخفاض> 50٪ في استهلاك الطاقة وتحسن 25٪ في إعاقة حركية بالمقارنة مع التحفيز القياسية. سوف تحتاج هذه النتائج إلى تكرارها في الدولة مزروع مزمنة حيث العتبات والمعلمات التحفيز الفعال يمكن أن تتغير وكذلك مستويات المخدرات. على هذا النحو، قد تحتاج المؤشرات الحيوية وخوارزميات التحكم لتعديلها وفقا لذلك ومطابقة الواقع قد يتطلب مزيدا من التعقيد على التكيف مع هذا المشهد المعلمة مختلفة. الأجهزة التي تكون مجهزة لفترة أطول شارعويجري حاليا تطوير imulation وتسجيل ومحاكمتهم في بحث وضع 15. وفي الوقت نفسه هناك حاجة للمنصة التي من شأنها أن تسمح للاستفادة ممكنة من التكيف DBS والخوارزميات التي تعزز أدائها إلى مزيد من تقييم وصقلها. هذا هو خطوة مهمة، وأخطاء والنهج دون المستوى الأمثل هي أكثر صعوبة لعكس بمجرد المنضوية أنظمة للاستخدام المزمن. علاوة على ذلك، هي ضرورية لتحفيز الجهود للتغلب على التحديات التي ينطوي عليها تطوير نظام المنضوية DBS التكيف المزمن الدراسات الحادة.
الهدف من هذا التقرير هو طرق لتمكين الباحثين من استكشاف مجموعة واسعة من المؤشرات الحيوية المختلفة ونماذج التحفيز في المرضى DBS والمعلمات لتحسين وذلك لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة وتقليل الآثار الجانبية / استهلاك الطاقة. هذا هو الأسلوب الأول من نوعه لتكون فعالة في المرضى الذين يعانون من الاركنسونية وبعد بسيطة نسبيا وسهلة التطبيق. تم تصميم طريقة رس تحقيق أي مريض DBS الذين هناك العلامات البيولوجية LFP المعروف والذي لديه فترة تخارج بعد العملية (فترة تصل إلى 1 في الاسبوع عند الأسلاك الكهربائي هي خارج الجمجمة ومتاحة للتجريب قبل بطارية / مشجعا الإدراج).
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه المقالة طريقة جديدة لدراسة والمصادقة على التكيف التحفيز العميق للمخ في المرضى بعد العمليات الجراحية. العلاج DBS هو جزء من العلاج القياسي لPD، ورعاش الأساسية وخلل التوتر ويجري إدخال واختبارها في مجموعة من الشروط الأخرى بما في ذلك الصداع العنقودي، والصرع، ومتلازمة جيل دو لا توريت، اضطراب الوسواس القهري والاكتئاب. في الوقت الحاضر، وجميع النماذج السريرية توظيف التحفيز المستمر، والتحفيز حلقة مفتوحة وعلى الرغم من أن هذه النماذج التحفيز بسيطة غالبا ما تكون فعالة، يؤمل أن يتمكنوا من أن تحسن بشكل كبير عن طريق جعلها تستجيب لمرض المؤشرات الحيوية المناسبة وبالتالي تحسين التحفيز في علم، والمريض بطريقة محددة. الأسلوب، المذكورة هنا، يسمح للاختبار aDBS في تخريجها المرضى بعد الجراحة لأول مرة (القطب الزرع)، قبل استيعاب وزرع البطارية ومشجعا. باستخدام هذا الأسلوب، ومن المؤمل هناكالصدارة التي يمكن للباحثين تحقيق فعالية aDBS باستخدام مجموعة من المؤشرات الحيوية في جميع أنحاء الطيف من الاضطرابات التي يستخدم DBS. هذا قد يؤدي إلى المحاكمات في الإعداد السريرية مزروع مزمنة.
ويرد البروتوكول التي استخدمناها وجدت لتكون ناجحة أعلاه. نحن تمييزها عددا من الخطوات الحاسمة لصقل عملية من أجل تحقيق aDBS ناجحة. المعلمات التي يمكن التحكم في هذا الإعداد aDBS بسيطة تشمل الجهد، عتبة الزناد، والتحفيز الاتصال ومدة التعلية. هذه يجب أن تكون متوازنة ضد كل الآثار الجانبية للتبديل التحفيز وإيقاف (مذل)، والمشاكل التقنية (المتكررة "الذات" مما اثار) والفعالية السريرية. التحول التحفيز وإيقاف يسبب قطعة أثرية تعتمد الجهد في LFP أنه على الرغم من الترشيح، ويحتمل أن تتسرب إلى مدى التردد من الفائدة. إذا كان هذا هو الشديد، ويمكن ان يتسبب في النظام الزناد الذاتي حتى في حال عدم وجودالارتفاع في إشارة العلامات البيولوجية، هنا بيتا النشاط في مجال المحتملة المحلي. هذا لا يمثل قضية السلامة حيث النتائج بفعالية في aDBS يجري على كل وقت، وبالتالي محاكاة cDBS الذي يعرف أن تكون آمنة. ومع ذلك، فإنه يؤدي إلى عدم وجود تفاعل لبيتا السعة، وبالتالي فإن فقدان أي فائدة محتملة من aDBS على cDBS. وجدنا أن، إذا لزم الأمر، ويمكن تجنب اثار الذاتي عن طريق الحد من التحفيز الكهربائي، ورفع العتبة أو تغيير الاتصال التحفيز. 250 التعلية ميللي ثانية من التحفيز وعثر على الخروج ليكون وسطا مرضية فيما يتعلق بمنع مذل مع الحفاظ على استجابة aDBS. نملك في الوقت الراهن إلى أن يتم ضبط المعلمات تجريبيا من أجل تحقيق أفضل استجابة الشخصي في المرضى الفردية ونحن لم تحدد بعد قواعد متسقة التي تنطبق على مستوى المجموعة لتحقيق هذا موثوق. ومع ذلك، في جميع المرضى الخاضعين للدراسة حتى الآن، وقد وجدناأن التكيف ارشادي من الجهد، عتبة الزناد والتحفيز الاتصال تمكين فعالة aDBS، وحددت المعلمات الأمثل في أقل من 30 دقيقة. ومن المؤمل أن إدارة الآثار الجانبية (مذل من على / قبالة التحول) والتلوث قطعة أثرية (ربما تتصل الأنسجة القطب السعة) يمكن مواصلة تقصي وفهم أفضل لاشتقاق قواعد أكثر عمومية فيما يتعلق خفضها إلى الحد الأدنى.
فإن الفضاء المعلمة المحتملة للتنقيب تصبح أيضا أكبر وأكثر تعقيدا كما تعقيد المؤشرات الحيوية والخوارزميات تحفيز النمو. على سبيل المثال، كانت جميعها أظهرت نسب عالية الطاقة والتردد، ومرحلة اقتران السعة والتنوع بيتا لتتصل الدولة الشلل الرعاش 9،10،12،17. الطريقة الموضحة في هذه الورقة يجب تمكين التحقيق المنهجي لهذه المعالم وتأثيرها على الفعالية السريرية من التحفيز بالإضافة إلى البيانات الشخصية الخاصة بهم الآثار الجانبية. ومع ذلك، فإن رhorough الأمثل لجميع المعلمات في المستقبل من المرجح أن يكون مرة واحدة سهلت نماذج DBS وإجراءات التحسين حسابي التي تركز على استجابة من العلامات البيولوجية بدلا من التأثيرات السريرية تسمح الحد من المعلمة يتراوح المراد البحث تجريبيا.
وقد أثبتت هذه الطريقة تحسين استهلاك الطاقة والفعالية السريرية بالمقارنة مع DBS التقليدية وديه القدرة على مزيد من التحسين في PD مع التقدم في فهمنا بشأن المؤشرات الحيوية والتحفيز الزخرفة. في ظروف أخرى حيث يتم استخدام DBS، ومن المعروف أقل بكثير بخصوص الفيزيولوجيا المرضية الكامنة، وبالتالي المؤشرات الحيوية هي المقابلة لم يتحدد بعد بشكل كامل. مطلوب مزيد من البحوث الهامة لتسخير كامل إمكانات aDBS في الاركنسونية، واستكشاف جدواه في عدد من الحالات العصبية والنفسية العصبية المحتملة الأخرى التي شدة وضعف تتقلب مع مرور الوقت.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تطوير هذه الطريقة باستخدام تمويل من ويلكوم ترست، مجلس البحوث الطبية، المعهد الوطني للبحوث الصحية أكسفورد مركز البحوث الطبية الحيوية، وRosetrees الاستئماني. ويدعم وحدة جراحة المخ والأعصاب وظيفية من دوري أبطال أوروبا من قبل الاستئناف في المملكة المتحدة باركنسون والثقة نصب.
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 |
参考文献
- 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. 神経科学. 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).
