EEG-geregistreerde biomarkers bij diepe hersenstimulatie voor de ziekte van Parkinson

Diepe hersenstimulatie (DBS) is een zeer effectieve neurochirurgische therapie ter behandeling van de ziekte van Parkinson, waarbij elektroden worden geïmplanteerd in de subthalamische nucleus (STN). Om het therapeutisch effect te maximaliseren, moeten voor elke patiënt de optimale DBS-instellingen zorgvuldig worden geselecteerd.  Helaas wordt niet altijd een optimaal therapeutisch effect bereikt. Nieuwe technologieën op het gebied van DBS, zoals de directionele elektrode en de DBS-systemen waarbij elk DBS-contact een onafhankelijke stroombron heeft, hebben de programmeermogelijkheden exponentieel uitgebreid. Deze nieuwe technologieën kunnen de klinische resultaten verbeteren, maar ze maken het programmeren ook een veel complexere taak. De uitdaging om elke patiënt optimaal te programmeren wordt verder bemoeilijkt door tijdsdruk, gebrek aan expertise en het feit dat sommige symptomen niet onmiddellijk reageren op de stimulatie instellingen het programmeren ook een uitdaging. Het gebruik van biomarkers om de meest optimale stimulatie-instellingen te voorspellen, zouden dit proces kunnen vereenvoudigen en de therapeutische DBS-effecten nog verder kunnen optimaliseren. Recente studies hebben reeds oplossingen voorgesteld om het programmeren te ondersteunen, waaronder het gebruik van beeldvorming en op algoritmes gebaseerde benaderingen. Wij daarentegen hebben onderzocht of evoked potentials (EPs) geregistreerd via EEG gebruikt kunnen worden als biomarkers ter ondersteuning van het DBS programmeren.

Eerst hebben we corticale EPs geregistreerd via EEG tijdens laagfrequente DBS op elk DBS-contact afzonderlijk, evenals de gesegmenteerde contacten in ringmodus. We ontdekten dat een EP rond de 3 milliseconden het sterkst leek in amplitude bij stimulatie van de dorsale contacten die zich het dichtst bij de dorsolaterale (motor) STN bevinden. Vervolgens ontdekten we dat een EP rond de 10 milliseconden het sterkst leek in amplitude bij stimulatie van de meer ventrale contacten die zich het dichtst bij de substantia nigra pars reticulata (SNr) bevinden. Bovendien verschilden deze EPs significant in amplitude, afhankelijk van de richting en de diepte van het gestimuleerde DBS-contact. Daarnaast ontdekten we dat de meervoudige stroombrontechnologie de precisie bij het programmeren nog verder kan verfijnen.

Naast de EEG experimenten, voerden we dubbelblind een monopolar review uit, waarbij elk DBS-contact systematisch werd gestimuleerd om het therapeutisch venster te meten en onderzochten we de relatie tussen de EPs en deze klinische metingen. Standaard beeldvormingsgegevens werden ook verzameld. Via lineaire modellen, ontdekten we dat het combineren van zowel EPs en beeldvormingsdata in één model de hoogste voorspellende waarde opleverde voor het vinden van het contact met het breedste therapeutische venster. Dit gecombineerde model deed het beter dan de modellen waarbij enkel de EPs of de beeldvormingsdata werden gebruikt.

Tenslotte onderzochten we of P3 en P10 zouden resulteren in een elektrofysiologische hotspot en coldspot, respectievelijk, om de target van deze EPs te onderzoeken. Mogelijks zou deze electrophysiologische sweet spot het programmeren van patiënten met de ziekte van Parkinson kunnen ondersteunen. We vonden een duidelijke P3-hotspot die paste bij de stimulatie van de hyperdirecte witte stofbanen. Deze witte stofbanen vormen een connectie tussen de cortex en STN  en verklaren hoogstwaarschijnlijk mee de therapeutische effecten van STN DBS. We vonden ook een P10-coldspot gerelateerd aan SNr-stimulatie.

In conclusie, het gebruik van EPs geregistreerd via EEG kunnen dienen als biomarkers om het programmeren van individuele patiënten met de ziekte van Parkinson te ondersteunen, wat het programmeren verder kan objectiveren en verfijnen.