与持续的开环刺激相比,通过患者特异性的神经生物标志物(该标志物指示高症状状态)来触发深部脑刺激,可能更有效地控制重度抑郁症的症状。本方案提供了一套工作流程,用于识别患者特异性的神经生物游戏副本,并基于所识别的生物标志物控制治疗性刺激的递送。
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与持续的开环刺激相比,通过患者特异性的神经生物标志物(该标志物指示高症状状态)来触发深部脑刺激,可能更有效地控制重度抑郁症的症状。本方案提供了一套工作流程,用于识别患者特异性的神经生物游戏副本,并基于所识别的生物标志物控制治疗性刺激的递送。
深部脑刺激通过向特定脑区输送电刺激以达到治疗效果。在重度抑郁障碍(MDD)的治疗背景下,迄今为止大多数研究采用的是持续性或开环刺激模式,结果虽具潜力但存在不一致现象。导致这种不一致结果的因素之一可能与刺激施加的时机有关。相较于持续刺激,针对个体化、响应性地在症状严重状态时进行特异性刺激,可能更有效地减轻症状,并避免因适应性导致的治疗效果下降。此外,每日总刺激时间更短,有利于降低设备能耗。本方案描述了一种利用长期植入式神经刺激装置,为难治性MDD患者实现闭环刺激的实验工作流程。该范式的关键在于确定与高症状状态相关的个体化神经生物标志物,并对装置检测器进行编程,使刺激能够由该症状状态的读出信号触发。所述操作步骤包括:如何获取与患者症状报告同步的神经记录数据,如何利用这些数据通过状态空间模型方法区分低症状与高症状状态及其相应的神经特征,以及如何进一步对装置进行编程和调优以实施闭环刺激治疗。
重度抑郁症(MDD)是一种神经精神疾病,其特征是脑网络水平上的异常活动和连接1。该疾病的临床表现多种多样,因人而异,随时间波动,并可能源于不同的神经环路2,3。约30%的MDD患者对标准治疗方案无效4,凸显了开发新治疗方法的迫切需求。
脑深部电刺激(DBS)是一种神经调节形式,通过向大脑特定靶区输送电流,以调节神经活动。在治疗重度抑郁症(MDD)方面,DBS 在某些应用中取得了显著成功5,6,但在更大规模的研究中却未能重复出相同效果7,8。上述所有研究均采用开环刺激模式9,即以固定参数持续施加假定具有治疗作用的刺激。相比之下,闭环刺激则根据与症状状态相关的预设生物标志物或神经活动模式来触发刺激10。闭环刺激主要有两种实现方式:反应性刺激和适应性刺激11。当达到预设条件时,反应性刺激会以恒定参数(如频率、幅度、脉宽)释放一连串刺激脉冲。而在适应性刺激中,刺激参数会根据算法,随所测量的生物标志物动态调整,这种调整可能包含多个固定点或自动连续调节。适应性刺激可以是连续的,也可以是间歇性的。在控制帕金森病症状方面,适应性刺激已显示出优于开环刺激的疗效12。用于癫痫的反应性神经刺激已获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准13,而针对MDD的反应性刺激14,以及针对抽动秽语综合征15和原发性震颤16的适应性刺激的早期研究也显示出治疗潜力。
为了实现闭环刺激,必须选择并追踪一种生理信号,以确定何时应给予刺激。这种反馈机制是开环刺激与闭环刺激之间的关键区别,通过选择生物标志物来实现。本方案提供了一种根据个体所经历的症状组合来确定个性化生物标志物的流程。未来跨患者的荟萃分析将揭示是否存在跨个体的共同生物标志物,或由于重度抑郁症(MDD)症状表现及潜在神经环路的异质性,是否必须采用个性化的策略17,18。使用能够同时感知神经活动并传递电刺激的脑深部刺激(DBS)设备,可实现此类生物标志物的发现以及后续闭环神经调控的实施。该方法的前提是神经活动与特定症状状态之间存在紧密的时间关联,因此可能并不适用于所有适应证或症状。
尽管帕金森病和原发性震颤等疾病的症状可以通过外周传感器进行测量(例如震颤、肌强直),但重度抑郁症(MDD)的症状通常由患者自行报告,或由临床医生通过标准化问题和观察进行评估。在需要积累足够数据以计算个性化生物标志物的背景下,临床医生的评估并不具备可行性,因此通常采用患者通过量表进行症状自评的方式。此类量表包括抑郁视觉模拟量表(VAS-D)、焦虑视觉模拟量表(VAS-A)和精力视觉模拟量表(VAS-E)19,以及汉密尔顿抑郁量表的六项问题版本(HAMD-6)20。同步记录神经活动并完成这些自报告症状评分,可获得配对数据集,用于分析神经信号的频谱特征与高症状状态之间的关联性或预测关系。
计算方法(例如状态空间建模)可用于揭示症状状态与神经特征之间的关系。图论方法在表征状态空间21方面具有优势,因为它们通过显式建模测量值之间的时间邻近性,能够在不同时间尺度上发现状态22。症状状态空间模型可识别出患者症状具有共同表型特征的时间段,并可能精确定位症状的亚状态——在这些亚状态中,患者抑郁症状在特定维度上的评分会因环境或情境的不同而有所差异。闭环方法依赖于基于大脑底层活动来检测症状状态。机器学习分类是最终步骤,有助于识别出一组从脑活动信号中提取的统计特征,这些特征能够最优地区分两种或多种症状状态14。这种两阶段方法可解释患者症状随时间变化的变异性,并将症状变化的系统性模式与大脑活动联系起来。
本方案采用 NeuroPace 反应性神经刺激系统(RNS)13,23。确定最佳刺激位点和参数的方法不在本方案的范围之内。然而,在设计闭环神经刺激方案时,必须考虑所用设备的刺激能力。本方案所用设备的刺激为电流控制,通过阳极和阴极之间进行。可选择一个或多个电极触点或外壳(可植入式神经刺激器 [INS])作为阳极或阴极。刺激频率(1–333.3 Hz)、幅度(0–12 mA)、脉宽(每相 40–1000 µs)和持续时间(每次刺激 10–5000 ms)均为预设参数。上述参数可独立设置,最多支持五种刺激疗法;若检测标准持续满足,则这些疗法将按顺序依次递送。无法同时递送多种刺激波形(例如,不能同时施加两种不同频率的刺激)。刺激波形为对称双相矩形波,且不可更改。
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本方案已通过加州大学旧金山分校机构审查委员会的审查和批准。
1. 患者居家记录的设备设置
2. 患者居家记录期间的症状采集
3. 同时进行家庭症状报告与神经记录的操作步骤

图 1:家庭记录使用的患者设备。 远程监测器、连接至帽子的探棒、磁体以及安装有 REDCap 问卷调查程序的智能手机。嵌入图像显示右侧眶额皮层(蓝色)和右侧扣带皮层下部(橙色)电极植入位置,叠加于术前磁共振成像(MRI)的1 mm各向同性T1加权白质抑制序列上。所示冠状切面位于最深电极接触点的平面,因此其他电极接触点可能未完全居于该切面中心(因为电极轨迹并不完全位于冠状面内)。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 确定个性化生物标志物

图 2:测量症状状态的方法学示意图,展示一个代表性示例的结果。 获取患者自报的调查问卷,并将各项症状评分归一化至 0 到 1 的范围(颜色越深表示症状严重程度越低,颜色越亮表示症状严重程度越高)。(1) 每份完成的问卷代表患者症状在某一时间点的快照,并在高维空间中表示为一个点(黑色)。(2) 时间点通过症状调查图连接起来,反映问卷报告之间的余弦相似性(点之间的连线)。(3) 图的社区检测根据图连接模式将每个时间点分配到一个社区或症状状态(彩色的点和线)。(4) 根据状态分配对症状严重程度评分进行平均,从而为每种状态提供一个通用的症状表型。(5) 每种状态的发生情况可随时间以光栅图形式追踪(垂直线表示被分配到某一状态的症状报告)。请点击此处查看该图的放大版本。
5. 编程设备检测器设置
6. 滴定装置检测器设置
7. 编程设备刺激参数设置
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此处收集和展示的数据来自一名患者,该患者在右侧眶额皮层(OFC)和右侧扣带下区(SGC)植入了四通道电极图1)。为记录眶额皮层(OFC)的信号,使用中心间距为10 mm的电极,以覆盖内侧和外侧区域;而为记录扣带皮层上部(SGC)的信号,使用间距为3.5 mm的电极,以实现更集中空间范围的覆盖。通过相邻电极触点设置四个双极记录通道:OFC1-OFC2、OFC3-OFC4、SGC1-SGC2 和 SGC3-SGC4。选择这些触点有助于明确信号记录的解剖位置,且其脑皮层电图(ECoG)信号振幅足够高,可清晰分辨频谱功率。术后恢复后,患者在其长期植入的神经刺激装置上自主触发家庭ECoG记录,同时完成症状调查报告。 通过 REDCap(图1),该量表评估了症状学的多个方面。在数周的过程中,这产生了一个足以描绘出不同症状状态的数据集(图2)。状态空间分析揭示了四种症状状态。根据对基于热图的平均症状评分分布的手动检查(
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脑深部电刺激已成为治疗帕金森病、原发性震颤、肌张力障碍和癫痫的成熟疗法,并正在多种其他神经精神疾病中进行积极研究26,27,28,29。目前绝大多数脑深部电刺激以开环模式进行,即持续给予刺激。对于阵发性症状而言,持续刺激可能导致不良反应或降低治疗效果30。尽管治疗性刺激通常会随着抑郁症状缓解而改善情绪,但已有报道称持续刺激可能引发轻躁狂发作31。此外,持续刺激期间还可能出现失眠31。因此,若采用闭环刺激模式,使治疗刺激与症状出现同步,可能带来更大的临床获益。本文所述方案详细介绍了用于治疗重度抑郁症(MDD)的闭环神经刺激的编程与调节方法。
实现闭环神经刺激的一个关键步骤是确定合适的症状生...
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ADK 担任 Eisai、Evecxia Therapeutics、Ferring Pharmaceuticals、Galderma、Harmony Biosciences、Idorsia、Jazz Pharmaceuticals、Janssen Pharmaceuticals、Merck、Neurocrine Biosciences、Pernix Pharma、Sage Therapeutics、Takeda Pharmaceutical Company、Big Health、Millennium Pharmaceuticals、Otsuka Pharmaceutical 和 Neurawell Therapeutics 的顾问。ADK 收到来自 Janssen Pharmaceuticals、Jazz Pharmaceuticals、Axsome Therapeutics(编号 AXS-05-301)和 Reveal Biosensors 的资助。KWS 担任 Nesos 公司顾问委员会成员。UCSF 和 EFC 拥有与脑刺激治疗神经精神障碍相关的专利。其他作者声明不存在竞争利益。
本工作由加州大学旧金山分校精神病学系的雷与达格玛·多尔比家族基金资助(KKS、ANK、NS、JF、VRR、KWS、EFC、ADK),美国国立卫生研究院资助项目编号K23NS110962(KWS),以及脑与行为研究基金会NARSAD青年研究者奖 & 行为研究基金会(KWS)以及1907年开拓者奖(KWS)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 深度电极 | Neuropace | DL-330-3.5 | 30 cm 长度,3.5 mm 触点间距 |
| 深度电极 | Neuropace | DL-330-10 | 30 cm 长度,10 mm 触点间距 |
| 深度电极 | Neuropace | DL-344-3.5 | 44 cm 长度,3.5 mm 触点间距 |
| 深度电极 | Neuropace | DL-344-10 | 44 cm 长度,10 mm 触点间距 |
| 带魔术贴的帽子 | 自行组装 | NA | 可选 |
| Jupyter Notebook | Project Jupyter | NA | |
| 磁铁 | Neuropace | M-01 | |
| 编程器 | Neuropace | PGM-300 | 临床医生平板电脑 |
| Python 3.10 | Python | NA | |
| 远程监护仪 | Neuropace | 5000 | 患者笔记本电脑 |
| 反应性神经刺激系统 (RNS) | Neuropace | RNS-320 | |
| 感应棒 | Neuropace | W-02 |
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