Kontrolowanie choroby Parkinsona za pomocą adaptacyjnej głębokiej stymulacji mózgu

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest obserwacja i ilościowe określenie efektu klinicznego adaptacyjnej głębokiej stymulacji mózgu oraz porównanie go ze stymulacją standardową. Osiąga się to poprzez wykonanie pasywnego zapisu z elektrod do głębokiej stymulacji mózgu (DBS) u pacjentów po operacjach choroby Parkinsona oraz przeprowadzenie analizy widmowej montaży bipolarnych w celu zidentyfikowania optymalnych kontaktów do jednoczesnej stymulacji i zapisu. W drugim kroku przeprowadzana jest standardowa, ciągła kliniczna stymulacja monopolarna na zidentyfikowanym kontakcie, aby określić parametry zapewniające poprawę stanu klinicznego, takie jak tłumienie drżenia.

Następnie przeprowadza się przerywaną stymulację w zależności od amplitudy fali beta, aby zidentyfikować progi wyzwalania odpowiednie dla stymulacji adaptacyjnej, którą można następnie porównać ze standardową stymulacją ciągłą. Wyniki wykazują poprawę efektów klinicznych przy stymulacji adaptacyjnej w porównaniu ze standardową stymulacją wysokoczęstotliwościową, mimo znacznego zmniejszenia dostarczanego ładunku elektrycznego oraz czasu trwania stymulacji. Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod, takich jak konwencjonalna stymulacja wysokoczęstotliwościowa, jest to, że w badaniach ostrych redukuje ona całkowitą stymulację, a tym samym oszczędza baterię, jednocześnie poprawiając sprawność ruchową.

Wnioski płynące z zastosowania tej techniki można rozszerzyć na terapię innych zaburzeń neurologicznych i neuropsychiatrycznych leczonych za pomocą DBS, ponieważ inne schorzenia, takie jak drżenie, również wykazują fluktuacje i w związku z tym mogą być podatne na adaptacyjne podejście do stymulacji. Pomysł dotyczący tej metody rozwijał się powoli w czasie, w miarę jak wiele grup badawczych dostrzegło znaczenie nadmiernej synchronizacji, w szczególności oscylacji beta, w patofizjologii choroby Parkinsona. Rozpocznij od uzyskania świadomej zgody na udział w eksperymencie od pacjenta z oporną na leczenie farmakologiczną chorobą Parkinsona.

Po implantacji elektrod DBS dostępnych jest 2D elektrod BS, z których każda posiada cztery kontakty. Impulsy stymulujące mogą być dostarczane do jednego kontaktu, a rejestracja może być prowadzona z dwóch sąsiednich kontaktów. Kontakt służący do dostarczania stymulacji można zmienić według uznania w noc poprzedzającą procedurę eksperymentalną; rano, po przybyciu pacjenta na badania, należy odstawić leki przeciwparkinsonowskie, a następnie rozpocząć od umycia rąk.

Następnie ostrożnie wyjmij przewody elektrod z ich ochronnej osłony. Dalej podłącz zewnętrzne elektrody DBS do kabla łączącego. Następnie podłącz elektrodę do wzmacniacza.

Na koniec podłącz elektrodę referencyjną nad lewą obojczykiem pacjenta. Następnie zarejestruj bipolarny potencjał lokalny lub LFP z kontaktów zero i dwa po stronie przeciwnej do strony najbardziej dotkniętej chorobą, podczas gdy pacjent znajduje się w spoczynku. Następnie powtórz rejestrację bipolarną z kontaktów jeden i trzy.

Przeprowadź analizę widmową mocy, aby zidentyfikować specyficzną dla pacjenta częstotliwość szczytową pasma beta oraz bipolarną parę kontaktów o najwyższej amplitudzie beta do testów stymulacji, którymi w tym przypadku są elektrody L zero i L dwa. W tym przykładzie, po wyznaczeniu bipolarnej pary kontaktów o najwyższej amplitudzie beta, którą tutaj są kontakty zero i dwa, wybierz kontakt znajdujący się pomiędzy nimi jako kontakt do stymulacji monopolarnej, aby podłączyć pacjenta do zestawu adaptacyjnego DBS.

Podłącz wzmacniacz analogowy do przetwornika A/C oraz do przenośnego komputera z zainstalowanym oprogramowaniem do analizy sygnałów. W drugim etapie przefiltruj cyfrowo sygnał w obrębie specyficznego szczytu beta pacjenta, stosując pasmo przepustowe o szerokości czterech herców. Oprogramowanie monitoruje amplitudę fali beta i wykorzystuje ją do sterowania stymulacją. Przy ustalonym progu amplituda beta jest wygładzana przy użyciu okna wygładzania o długości 400 milisekund.

Następnie podłącz wyzwalacz D do stymulatora. Kolejnym krokiem jest włączenie konwencjonalnej stymulacji wysoką częstotliwością przy początkowym napięciu wynoszącym zero. Następnie podłącz stymulator do pacjenta poprzez wzmacniacz optyczny, izolując wszystkie połączenia z pacjentem.

Zastosuj stymulację jednobiegunową w punkcie kontaktu zidentyfikowanym wcześniej. Przez cały czas trwania eksperymentu stale monitoruj odczyty stymulatora, aby upewnić się, że przewidziana stymulacja jest dostarczana powoli. Zwiększaj napięcie stymulacji w przyrostach 0,5 V co kilka minut.

Poszukiwanie progu efektu klinicznego. Przykładem może być poprawa w zakresie drżenia, sztywności lub spowolnienia ruchów. Ustalenie klinicznie użytecznego napięcia stymulacji, które zazwyczaj mieści się w przedziale od 1,5 do 3 V i wywołuje minimalne lub żadne efekty uboczne, takie jak parestezje, przy stymulacji z napięciem klinicznie skutecznym.

Wyłącz stymulator, stosując rampę opadającą o czasie trwania 250 milisekund. Następnie, zachowując napięcie stymulacji na poziomie klinicznie skutecznym, włącz stymulator, stosując rampę wznoszącą o czasie trwania 250 milisekund. Jeśli wystąpią efekty uboczne, zapytaj pacjenta o parestezje lub jakiekolwiek inne objawy odczute podczas wyłączania i włączania stymulacji.

Kontynuuj obniżanie napięcia w krokach co 0,25 V i sprawdzaj występowanie parestezji, włączając i wyłączając stymulację w momencie, gdy pacjent przestanie zgłaszać odczuwanie parestezji. Ustaw napięcie o 0,1 V poniżej tego progu i włącz stymulację. Następnie zwiększ próg wyzwalania amplitudy beta i upewnij się, że efekt kliniczny utrzymuje się; kontynuuj stopniowe zwiększanie progu wyzwalania amplitudy beta do poziomu, który skutkuje minimalnym czasem trwania stymulacji.

Dążąc do zachowania efektu klinicznego, należy dążyć do tego, aby stymulacja trwała maksymalnie przez 50% czasu. Dostosowanie progu wyzwalania oraz parametrów stymulacji w celu zapewnienia odpowiedniej adaptacyjnej DBS bez samowyzwalania jest kluczowym krokiem. Osiągnięcie tego celu wymaga uważnego i powolnego miareczkowania progu oraz napięć stymulacji przy jednoczesnym ścisłym monitorowaniu pacjenta.

Po ustawieniu progu wyzwalania i parametrów stymulacji, należy wyłączyć stymulację na 10 minut, aby zniwelować efekt stymulacji. Należy upewnić się, że pacjenci nie znają warunków testowych. Rozpocząć podawanie adaptacyjnej DBS, konwencjonalnej DBS lub zaprzestać stymulacji.

Pozostaw warunki testowe przez pięciominutowy okres stabilizacji. Po upływie pięciu minut rozpocznij badanie kliniczne. Oceń stan pacjenta, korzystając z ujednoliconej skali oceny choroby Parkinsona (UPDRS).

Można również zastosować obiektywne miary oceny, takie jak akcelerometria lub aktygrafia. Po zakończeniu jednego warunku testowego wyłączyć stymulację na kolejny 10-minutowy okres odpoczynku. Następnie uruchomić kolejny rodzaj stymulacji, ponownie rozpoczynając od pięciominutowego okresu stabilizacji przed przeprowadzeniem oceny.

Ustaw szerokość impulsu napięcia oraz częstotliwość stymulacji identycznie dla wszystkich warunków testowych, aby jedyną różnicą był czas stymulacji. W odniesieniu do amplitudy fal beta w trakcie całego filmu z testów klinicznych, nagraj zadanie w taki sposób, aby niezależny ekspert mógł przeprowadzić oślepioną ocenę w późniejszym terminie. Procentowa poprawa funkcji motorycznych względem stanu niestymulowanego, oceniona przez obserwatora nieoślepionego podczas sesji eksperymentalnej, jest tutaj przedstawiona dla konwencjonalnej DBS, adaptacyjnej DBS oraz stymulacji losowej. Oceny oślepione przeprowadzono również poprzez analizę nagrań wideo sprawności ruchowej.

Wyniki motoryczne poprawiły się odpowiednio o 66% i 50% podczas adaptacyjnej DBS w warunkach jawnych i zaślepionych. Pomimo zmniejszonej całkowitej ilości stymulacji, wynik kliniczny w grupie adaptacyjnej DBS był o 29% lepszy w warunkach jawnych i o 27% lepszy w warunkach zaślepionych w porównaniu z grupą konwencjonalnej DBS. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest pamiętanie o ciągłym monitorowaniu pacjenta pod kątem potencjalnych działań niepożądanych lub zmian w stanie klinicznym po zakończeniu procedury.

W celu zbadania szerokiej gamy możliwych paradygmatów adaptacyjnej DBS można zastosować inne podejścia, takie jak wyzwalanie różnych potencjalnych biomarkerów lub stosowanie różnych poziomów bądź form wyzwalania.