苏公网安备 32059002001378号

苏ICP备14052187号

行业动态

【景昱-神经科学专栏】| DBS诱发STN核团共振神经反应



脑深部电刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)最早的适应证是帕金森病(Parkinson disease,PD)或特发性震颤(Essential Tremor,ET)所导致的震颤,近年来适应症已经扩展到广泛的神经和精神疾病,包括肌张力障碍,癫痫,疼痛,抑郁,强迫症,成瘾等。DBS在提高生活质量方面卓有成效,然而很多因素能影响患者的预后,特别是植入时毫米大小的定位误差,而通过DBS电极从神经核团本身可准确记录到的电生理学标志物,可以提高电极植入的准确性。



既往研究多关注低于100Hz的自发场电位(Local Field Potential,LFP)活动,相反的,澳大利亚墨尔本大学Bionics研究院的Nicholas C. Sinclair和澳大利亚墨尔本大学Austin医院的San San Xu等研究者通过电生理方式研究是否由DBS脉冲引起的神经电活动可以产生另一种更鲁棒性的生物标志物,进而改善DBS电极的定位,该论文发表于2018年4月的《Annals of Neurology》杂志。

(REF: Sinclair NC, McDermott HJ, Bulluss KJ, Fallon JB, Perera T, Xu SS, Brown P, Thevathasan W. Subthalamic nucleus deep brain stimulation evokes resonant neural activity. Ann Neurol. 2018 May; 83(5):1027-1031. doi: 10.1002/ana.25234.)



本研究纳入14例PD患者人和5例ET患者,研究中DBS记录的靶点包括PD患者的丘脑底核(Subthalamic nucleus,STN),原发性震颤患者的后丘脑底区(Posterior Subthalamic Area,PSA)和丘脑核腹侧中间体(Ventral Intermediate Nucleus of the Thalamus,VIM),进行局麻微电极记录辅助下DBS植入,而本实验在植入IPG装置之前进行,使用刺激的电极同时进行单极记录。刺激参数:单极对称双相脉冲(3.38mA,130Hz,60微秒相位,首先负值),每秒发射10个连续脉冲刺激依次施加到指定的电极上,至少10秒,采样频率为38.4Hz。



由于在3T MRI上,STN一般根据红核系统定位。本研究中应用Houshmand等提出的PD患者的STN核团的理想坐标的背腹侧轴中心处于红核上界之下2mm,因此电极在理想坐标1mm之上和2mm之下的区域称为STN背侧,而在理想坐标之下2到5mm的区域称为STN腹侧。



图1.  STN-DBS诱发的共振神经活动。(A)典型的PD患者的STN电极位置。(B)典型的ET的PSA或VIM靶点位置。(C)由一个串刺激的施加到PD患者的STN电极上诱发的共振神经活动。串刺激由10个脉冲组成,以130Hz的频率传送(红色波形)。黑色箭头表示在脉冲之间可观察到的峰值。绿色箭头表示在爆发结束时可观察到共振峰;记录电极:E1; 刺激电极:E2。(D)来自27个STN的诱发反应(颜色代表不同的核团);记录电极:E1; 刺激电极:E2。(E)来自10个PSA(蓝色迹线; 记录电极:E0;刺激电极:E1)和8个VIM(红色迹线; 记录电极:E2; 刺激电极:E3)的诱发反应。


图2: 诱发共振神经电信号(ERNA)的位置变化,临床表现,和麻醉的关系。在1个受试者的右STN中每个电极中被刺激后爆发末端产生的ERNA。并对受试者其电极位置进行三维重建(绿色:STN;蓝色:黑质)说明了电极位置。交叉轴表示受刺激的电极,用虚线分隔每个刺激条件。


结果显示,发现了STN-DBS通常引起大振幅反应,在每个脉冲后4毫秒达到峰值,而在连续脉冲刺激下趋向于增加幅度和锐化。这个峰值成为连续减少的振幅系列中的第一个,类似于衰减的振荡,称之为诱发共振神经活动(Evoked Resonant Neural Activity,ERNA)。相似形态的ERNA在PD患者的每个STN中都能观察到,但在ET患者的PSA中没有观察到,而在5个VIM中观察到极低振幅的ERNA。然而,术后成像显示那5个VIM电极位于STN核团边界。同时ERNA相对于STN的电极位置的振幅和形态随而变化,而最大响应和最明显的衰减振荡形态通常发生在STN内。背侧STN内电极触点有比所有其他区域显著性更高的ERNA。


同时术后临床评估发现高ERNA幅度的触点治疗效果更优。而在一例长期植入后进行全麻手术的PD病人的STN核团中同样发现了相似的现象。这些结果证实STN-DBS引起的共振神经活动,是一种鲁棒性强并且和临床相关的电生理学,特别是对STN背侧定位至关重要,并且所有测试的PD病人27个STN核团上都观察到ERNA,表明它是一个可以在患者身上测量的突出信号。同时在所有ET患者的10个PSA中都没有出现ERNA,这意味着它是一种生理反应,而不是噪音。此外,据文献报道,VIM之前没有诱发过电活动超过2毫秒,因此在一些ET患者VIM中观察到的极端低振幅ERNA可能是由于电极在STN附近激发,暗示ERNA不只在PD病人中出现。



研究者最后总结,与LFP比较,ERNA的振幅更高,数量级更大,同时刺激电极时改善临床结果时出现更大的ERNA振幅,表明它可能可以作为一个易于记录的反馈信号。然而,需要进一步的研究尽可能确定其特异性和敏感性。ERNA可能用于指导清醒和麻醉患者DBS电极植入到最有益的部位,以及选择最优刺激的电极配置。虽然幅度变化是ERNA最明显的特征,其他属性如峰值频率,等待时间或相位反转可以进一步在区分STN区域方面提供信息。在一串刺激中单脉冲后第一个ERNA峰值的锐化表明谐振状态受到DBS调制,因此ERNA也可以用于识别最佳刺激的可记录反馈信号参数,控制闭环疗法和提供更深入地了解DBS背后的机制。




编译



胡柯嘉 

(上海交通大学医学院附属瑞金医院)

San San Xu 

(澳大利亚墨尔本大学Austin医院)



参考文献



1 Montgomery EB Jr. Deep brain stimulation programming: mechanisms, principles, and practice. Oxford, UK: University Press, 2016.

2 Denys D, Feenstra M, Schuurman R. Deep brain stimulation: a new frontier in psychiatry. Berlin/Heidelberg, Germany: Springer Science + Business Media, 2012.

3 McDermott H. Neurobionics: treatments for disorders of the central nervous system. In: Neurobionics: the biomedical engineering of neural prostheses. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2016:213–230.

4 Pereira EA, Green AL, Nandi D, Aziz TZ. Deep brain stimulation: indications and evidence. Expert Rev Med Devices 2007;4:591–603.

5 Diamond A, Jankovic J. The effect of deep brain stimulation on quality of life in movement disorders. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2005;76:1188–1193.

6 Paek SH, Yun JY, Song SW, et al. The clinical impact of precise electrode positioning in STN DBS on three‐year outcomes. J Neurol Sci 2013;327:25–31.

7 Contarino MF, Bour LJ, Verhagen R, et al. Directional steering: a novel approach to deep brain stimulation. Neurology 2014;83:1163–1169.

8 Little S, Brown P. What brain signals are suitable for feedback control of deep brain stimulation in Parkinson's disease? Ann N Y Acad Sci 2012;1265:9–24.

9 Priori A, Foffani G, Rossi L, Marceglia S. Adaptive deep brain stimulation (aDBS) controlled by local field potential oscillations. Exp Neurol 2013;245:77–86.

10 Slater KD, Sinclair NC, Nelson TS, et al. neuroBi: a highly configurable neurostimulator for a retinal prosthesis and other applications. IEEE J Transl Eng Health Med 2015;3:1–11.

11 Kent AR, Swan BD, Brocker DT, et al. Measurement of evoked potentials during thalamic deep brain stimulation. Brain Stimul 2015;8:42–56.

12 Gmel GE, Hamilton TJ, Obradovic M, et al. A new biomarker for subthalamic deep brain stimulation for patients with advanced Parkinson's disease—a pilot study. J Neural Eng 2015;12:066013.

13 Fedorov A, Beichel R, Kalpathy‐Cramer J, et al. 3D Slicer as an image computing platform for the Quantitative Imaging Network. Magn Reson Imaging 2012;30:1323–1341.

14 Houshmand L, Cummings KS, Chou KL, Patil PG. Evaluating indirect subthalamic nucleus targeting with validated 3‐tesla magnetic resonance imaging. Stereot Funct Neurosurg 2014;92:337–345.

15 Herzog J, Fietzek U, Hamel W, et al. Most effective stimulation site in subthalamic deep brain stimulation for Parkinson's disease. Mov Disord 2004;19:1050–1054.

16 Temel Y, Blokland A, Steinbusch HW, Visser‐Vandewalle V. The functional role of the subthalamic nucleus in cognitive and limbic circuits. Prog Neurobiol 2005;76:393–413.

17 Montgomery EB Jr. Dynamically coupled, high‐frequency reentrant, non‐linear oscillators embedded in scale‐free basal ganglia‐thalamic‐cortical networks mediating function and deep brain stimulation effects. Nonlinear Stud 2004;11(3).

18 Hashimoto T, Elder CM, Okun MS, et al. Stimulation of the subthalamic nucleus changes the firing pattern of pallidal neurons. J Neurosci 2003;23:1916–1923.

19 Foffani G, Priori A. Deep brain stimulation in Parkinson's disease can mimic the 300 Hz subthalamic rhythm. Brain 2006;129:e59.

20 Baker KB, Montgomery EB, Rezai AR, et al. Subthalamic nucleus deep brain stimulus evoked potentials: physiological and therapeutic implications. Mov Disord 2002;17:969–983.

21 Eusebio A, Pogosyan A, Wang S, et al. Resonance in subthalamo‐cortical circuits in Parkinson's disease. Brain 2009;132:2139–2150.

22 Meissner W, Leblois A, Hansel D, et al. Subthalamic high frequency stimulation resets subthalamic firing and reduces abnormal oscillations. Brain 2005;128:2372–2382.


帕金森病患者脑起搏器手术开机前要注意的问题

对于接受“脑起搏器”手术治疗的帕金森病患者来说,手术中测试带来的幸福感无疑是令人振奋的——自己颤抖的双手突然恢复了正常,僵硬的肢体变得柔软,很多人都会因此而热泪盈眶。然而对于脑起搏器疗法,手术成功结束并不代表着治疗的结束,接受手术的患者和家属应该了解以下这些:


震颤_副本.jpg


微毁损效应

脑起搏器的刺激电极植入脑内之后,会对周围的细胞产生刺激,从而造成局部组织水肿,引起与“毁损术”类似的效果,这个效果会导致帕金森症状有所减轻,甚至完全消失。患者和家属应该知道,此时的症状并不是脑起搏器的治疗效果,因为此时的脑起搏器并没有开机,当然也不会释放电刺激产生治疗效果。“微毁损效应”会在术后几天到一周左右消失,患者会回到手术治疗之前的状态,这是非常正常的现象,无需为此担心。


开机程控

手术后2-4周左右,患者需要进行开机程控,从这时开始,脑起搏器的治疗效果才真正开始体现。需要注意的是,患者在开机程控的当天早上不要服用治疗帕金森病的药物,这样才能让程控医生正确了解电极刺激产生的治疗效果,从而设定正确的治疗参数。


药物调整

在开机程控中将脉冲发生器的参数调整好之后,患者应该按照之前自己服药的种类和药量服药,除非出现严重的异动症状,否则不要减少药量,如果异动严重,请尽快联系程控医生,按照医生建议进行药物调整。如果患者的治疗情况良好,三个月之后可以逐渐减少服药量,但切忌突然停药。


影响帕金森病患者生命的隐性杀手

天气渐渐转凉,昼夜温差较大,每年秋冬季节是帕金森病患者最难熬的时候,近期越来越多的患者反映,震颤与僵直等症状加重了,原本没有的症状也逐渐出现了,交大一附院王茂德教授介绍:帕金森病症状受患者心情、季节的影响,虽然帕金森病不会影响到寿命,但是如果处理不当,会导致严重的并发症,甚至危及生命。


有关统计资料表明,80岁以上的老年人中,老年肺炎为第一死因,由误吸所诱发的肺炎占所有老年人肺炎死亡病例的1/3。可见,吸入性肺炎已然成为老年人不可忽视的隐性杀手。

 

所谓吸入性肺炎是指口腔、咽腔中的液体、分泌物或胃内容物返流误吸入喉和下呼吸道而引起的肺部炎症。

 

帕金森病患者因为有吞咽障碍,在中晚期很容易因为吞咽困难呛咳、误吸等引发吸入性肺炎。

 

除了感冒引起肺炎以及吞咽障碍引发的吸入性肺炎外,帕金森病患者在中晚期,运动障碍加剧,长时间卧床使得呼吸道分泌物难于咳出,淤积于中小气管,成为细菌的良好培养基,极易诱发坠积性肺炎。

 

坠积性肺炎对老年人来说是极其危险的,控制不好除了可引起败血症、毒血症、呼吸窘迫外,还可能增加心脏负担,引起肺源性心脏病,这是相当危险的。

 

著名的数学家和拳王阿里不幸罹患帕金森病后,与之抗争多年,最后两人均因为患上肺炎,引发感染和呼吸循环衰竭而不幸离世。而越来越多的病例也表明,肺炎已经成为了夺取帕金森病患者生命的“第一杀手”。

 

那么帕金森病患者在日常生活中应该如何预防肺炎,不小心患上肺炎之后又该如何处理?


焦虑_副本.jpg


 

积极预防,将肺炎拒之门外

 



1

感冒勿拖,预防感染

帕金森病患者在患上感冒之后,应及时问诊积极治疗,切勿抱着“感冒事小”的心情拖延病情导致肺部感染引发肺炎。

 

照护者在照护帕金森病患者时也应多加注意患者的状态,特别是上了年纪的患者如果出现感冒症状并且精神倦怠、食欲不振时,应及时送医。


2

调整饮食,优化进食方式

帕金森病患者由于有吞咽障碍,在日常饮食中应该增加食物的浓稠度,多吃软食与半流质食物,防止误吸。患者要养成细嚼慢咽的习惯,进餐时注意将口腔多余的唾液咽下,咀嚼时用舌头四处移动食物,一次进食要少,并缓慢进食,进餐后喝水,将残存食物咽下,防止吸入性肺炎。


家属在护理有吞咽困难的帕金森病患者时,一旦发现患者进食固体或液体食物时出现不适感,即便是偶发不适,也应该给予足够的关注,以降低误吸与吸入性肺炎的风险。


3

保持口腔清洁,提高吞咽反射功能

加强口腔护理,不仅能够清除口腔中的细菌,保护牙齿,更重要的是能够刺激口咽部的感觉神经,促进口腔黏膜物质的释放,从而提高吞咽反射功能。


4

采用合适体位,保持呼吸通畅

帕金森病患者在睡觉休息时,一般可采用侧卧位,在平卧时也尽量让头偏向一侧,这样就能有效地防止舌后坠和分泌物阻塞呼吸道。而有胃食管反流性疾病的患者更是要注意保持侧卧位。

 

对于一些卧床不起的患者来说,多帮助患者翻身,扣击后背有助于防止坠积性肺炎的发生。扣击的手法是轻握拳(注意手掌中空),有节奏地自下而上,由外向内轻轻扣打,边扣边鼓励病人咳嗽。


 

帕金森病及时治疗

赶走隐形杀手

 


 

轻症肺炎是很好治疗的,但是如果延误病情,发展为重症肺炎,其致死率高达50%。所以,如果确诊肺炎,一定要认真配合医生,积极治疗。

 

专家表示,肺炎的治疗与帕金森病本身没有冲突,但是帕金森病患者大部分患有其他的并发症,患者在治疗时一定不能隐瞒病情,以免医生误判。


总而言之,应对肺炎一定要秉持早预防、早治疗的原则,希望帕友和家属们都要提高警惕,加强认识。祝愿每一位帕友都能远离肺炎,健康生活。