Door: Martijn Beudel en Jonathan van Zijl

Ook is het instellen van de DBS nog een tijdrovende klus waarbij systematisch de contactpunten van het DBS-systeem geactiveerd worden en gekeken wordt wat het klinische effect is van stimulatie op dat specifieke punt. Elke DBS-elektrode heeft namelijk aan het uiteinde meerdere contactpunten (kleine metalen plaatjes) verspreidt over de draad, waarmee gezocht kan worden naar de beste plek van stimuleren in de hersenkern. De beste instellingen van het DBS-systeem zijn van te voren niet bekend. Naast het gegeven dat deze procedure tijdrovend is, is deze ook subjectief en vaak belastend (vermoeiend) voor patiënten. Bovendien zijn er momenteel ontwikkelingen waarbij er elektroden met een veelvoud van de reeds beschikbare contacten beschikbaar komen, welke redelijkerwijs niet meer ‘handmatig’ ingesteld kunnen worden.

Relatie

Om dit programmeren zo optimaal mogelijk te laten verlopen is het op dit moment al mogelijk om te beginnen met de contactpunten die op basis van de hersenscan het dichtst bij de STN liggen (meer specifiek: het motore gedeelte van de STN). Hoewel er een bekende relatie is tussen het effect van DBS en de afstand tot de STN, is deze relatie niet heel sterk en spelen er mogelijk ook andere factoren een rol die op basis van een hersenscan niet gezien kunnen worden. Eén van deze factoren is de (elektrische) activiteit van neuronen in de  hersenkern (STN), en de activiteit van neuronen in de STN die gekoppeld zijn aan spier-activiteit (meer specifiek: bèta-oscillaties en bèta-coherentie).  

Betere instelling

In ons onderzoek wilden we gaan kijken of het mogelijk is om tot een betere automatische instelling van het DBS-systeem te komen door deze activiteit van neuronen in de STN te meten tijdens de DBS-operatie. We hebben dit bij 22 patiënten kunnen doen. Vervolgens hebben we de neurale activiteit per contactpunt vergeleken met de contactpunten die na 6 maanden als beste contactpunt naar boven zijn gekomen en de klinische verbetering van de patiënten na 6 maanden. We hebben deze nieuwe methode vergeleken met de methode waarbij op basis van de hersenscan de beste contactpunten worden bepaald. Om deze te bepalen hebben 2 neurochirurgen en een neuroradioloog de STN op de hersenscan ingetekend.

Contactpunt

Onze belangrijkste resultaten waren dat het DBS-contactpunt dat 6 maanden na de operatie voor stimulatie werd gebruikt, in 41% overeenkwam met het beste contactpunt bepaald op basis van de hersenscan. Deze methode is daarmee significant voorspellend (Chi² 5.927, p = 0.01). Ook correleerde ‘de afstand tot de STN’ van het klinisch gebruikte contactpunt, met de klinische verbetering na DBS. Met andere woorden; hoe dichter het contactpunt bij de STN, hoe beter het effect (R = -0.43, p = 0.005, 2-tailed).

Overeenkomst

Als we kijken naar het DBS-contactpunt met de meeste (specifieke) neurale activiteit (bèta-oscillaties), dan voorspelde deze niet het contactpunt dat 6 maanden na de operatie werd gebruikt (24% correct, Chi² 0.008, p = 0.92). Echter, wel was er sprake van een duidelijke significante overeenkomst met het beste contactpunt op de hersenscan (49% correct, Chi² 12.366, p = 0.0004). In lijn met deze bevinding, correleerde de hoeveelheid neurale activiteit ook met de afstand tot de STN; hoe dichterbij, hoe hoger de activiteit (R = -0.45, p = 0.0003, 2-tailed). En als laatste correleerde de neurale activiteit ook met de klinische verbetering na DBS (R = 0.36, p = 0.03).

Nader onderzocht

De neuronale activiteit die gekoppeld was aan de spieractiviteit (bèta-coherentie) voorspelde niet het klinische contactpunt, en niet het anatomisch contactpunt. Ook was er geen correlatie. Wanneer we naar deze gegevens kijken in een grafiek dan lijkt er op ~2 mm afstand van de STN een toename in bèta-coherentie te bestaan. Een verklaring hiervoor zou kunnen zijn dat niet in de STN, maar net erbuiten (ter plaatse van output neuronen) de koppeling met de spier verhoogd is. Deze bevinding wordt nog verder onderzocht.

Driehoeksverhouding

Samengevat lijkt er een driehoeksverhouding te bestaan tussen klinische verbetering na DBS, het beste contactpunt gebaseerd op anatomische beelden (c.q. hersenscans), en de elektrische activiteit van neuronen in (of net buiten) de STN. Mogelijk dat een multimodaal analyse model deze gegevens kan integreren en daarmee een goede voorspelling zou kunnen doen van het beste DBS-contactpunt; een mooi onderwerp voor vervolgonderzoek.

Wanneer stimuleren

In dit onderzoeksproject is naast de vraag waar (automatisch) te stimuleren, ook onderzoek gedaan naar wanneer er het beste gestimuleerd kan worden. De huidige vorm van stimulatie vindt plaats met continue pulsen op relatief grote oppervlakten binnen de hersenkernen, waardoor stimulatie ook tot verstoring van gezonde hersenactiviteit kan leiden. Dit kan resulteren in bijwerkingen zoals dysarthrie (slordige, onduidelijke spraak). De hypothese was dat het gericht stimuleren van specifieke neurale activiteit (overmatige bèta-oscillaties) bijwerkingen verminderd, met behoudt van klinisch effect. Onze data ondersteund deze hypothese; naast minder batterij consumptie, werd spiertraagheid (bradykinesie) beter onderdrukt en was er minder dysarthrie ten opzichte van de standaard stimulatie. Wel lijkt tremor bij de nieuwe methode minder adequaat onderdrukt, waardoor (bij aanwezigheid van een beperkende tremor) een aanvullend stimulatie algoritme nodig lijkt. Voor meer details van dit onderdeel van het onderzoeksproject verwijzen wij naar onderstaande referenties.

Bronnen

• Piña-Fuentes D, van Dijk JMC, van Zijl JC, et al. Acute effects of adaptive Deep Brain Stimulation in Parkinson's disease. Brain Stimul. 2020 Jul.
• Piña-Fuentes D / van Zijl JC, van Dijk JMC, et al. The characteristics of pallidal low-frequency and beta bursts could help implementing adaptive brain stimulation in the parkinsonian and dystonic internal globus pallidus. Neurobiol Dis. 2019 Jan