local对丘脑下核(STN)的场电位(LFPs)进行了分析,以深入了解基底节区的功能,并作为监测临床症状的生物标志物。在帕金森病(PD)中,神经元网络的同步性增加与平行过程分离减少有关,导致运动程序的特异性降低。1,2在人类STN lfp的β波段(13-35 Hz),以光谱峰的形式观察到增加的同步性。这些峰值的振幅已被证明与动力性/混合性患者的症状严重程度相关,3.,4并通过多巴胺能药物减少5以及深部脑刺激(DBS)。6,7当研究β带信号作为闭环刺激的潜在生物标志物时,必须考虑到运动本身会降低β峰。8这种减少已经在手和手指的交替运动中得到证实,9,10还有腿部运动。11,12在运动过程中,β活性的抑制并不总是完全和持久的。9自定节奏手指运动时的β抑制在记录开始时很明显,但在记录过程中逐渐减少。13据报道,在一项研究中,步态对β峰幅度的影响是不显著的,14但在另一项研究中,高β(20-30赫兹)在步态中显著减少。15一些作者将贝塔波段细分为低波段(13-20赫兹)和高波段(20-35赫兹)。这种区别是否反映了两种不同的生理过程尚未澄清,然而,一些观察结果支持这一假设。在步态冻结的受试者中,低β带的活动被认为与这种症状相关。11,16,17左旋多巴对低β峰的衰减大于对高β峰的衰减。18手和腿的运动导致β抑制的模式略有不同,即与手的运动相比,腿的运动在高β带引起更多的抑制。12在一项研究中,与高峰值振幅相比,低峰值振幅与运动迟缓得分的相关性更好。19后者的作者报告了β波段中峰的明显双峰分布,在17和25 Hz处有最大值。在研究左旋多巴对β峰的影响时,k
在这项研究中,我们研究了一个大队列的STN中β峰的丰度,并研究了运动和刺激对高、低β峰的影响。我们研究了不同的刺激幅度和两种不同的运动类型(手部运动和步态),同时使用严格的标准来定义“峰值”。本研究旨在阐明哪些峰适合作为生物标志物,以及这些峰在上述不同操作过程中如何反应。
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患者与手术
38例PD患者参与了(表1).获得了路德维希-马克西米利安大学伦理委员会的批准和每位患者的书面同意,并按照赫尔辛基宣言进行研究。在清醒的患者中,按照我们的标准程序将电极植入STN:根据t2加权MR图像上可见的STN背外侧,确定或修改目标点(14 mm外侧,3 mm后方,3 mm以下)。在手术过程中,微电极记录(1-3道,Inomed, Medizintechnik GmbH)确认了STN内的位置,在所有情况下,长度为4-6 mm的细胞外STN活动都是典型的。术中大刺激证实了僵硬和运动迟缓的减少,并在某些情况下引起运动障碍。植入的导线与外化的延伸导线相连。刺激器于术后第三天植入。我们使用美敦力引线(型号:3389)和植入式神经刺激器(ins: Activa PC, 18例;ACTIVA PC+S, 10例患者),Boston Scientific devices 7例患者(INS: Vercise PC和Gevia, Vercise笛卡尔定向引线),Abbot devices 3例患者(INS: Infinity 7; lead: directional lead STJ 6146–61499). The Medtronic ACTIVA PC+S INS, which was implanted in 10 patients, can record LFPs during and without stimulation. The position of the tip of each lead within the AC-PC coordinate system was determined on the postoperative CT scans, which had been aligned with the preoperative MR images. The distance between the tip and the actual two contacts from which LFPs were recorded from this individual lead was determined and the position of the recording site was computed (MATLAB; MathWorks), taking into account the lateral and anterior angle of the lead. All positions were projected on the right side.
受试者特征
特征 | 价值 |
---|---|
女性/男性 | 11/27 |
平均着床年龄(范围),年 | 60.1 (47 - 71) |
平均Hoehn & Yahr量表等级(范围) | 3.3 (2 - 4.5) |
平均病程(范围),年 | 11.6 (7-20) |
平均UPDRS III ON评分(范围) | 15.7 (4-51) |
UPDRS III OFF平均评分(范围) | 30.1 (14 - 78) |
PD运动亚型(E/T/AR) | 21/7/10 |
DBS设备(M/B/S) | 28/7/3 |
运动亚型:E =等效型,T =震颤型,AR =动刚型。脑起搏器:M =美敦力,B =波士顿科学,S =圣犹达医疗。
录音
所有38例患者在术后第一天或第二天通过外接导联进行记录。患者停药至少24小时(左旋多巴),并在研究访问前至少4天服用了最后一次多巴胺激动剂。每位患者在休息(清醒,睁眼)2 - 5分钟时,以及在右侧和随后的左侧开合时(频率2/秒,2 - 5分钟),取3份记录。手的运动由观察者监测,但没有机械记录。使用BrainAmp放大器(Brain Products)对lfp进行放大和记录,并进行数字存储(分辨率0.1µV,采样率2000 Hz,滤波器0.1 - 500 Hz)。以左电极最上触点为参照。所有后续处理均使用MATLAB完成。数据以数字方式参考,以便从每条引线获得三个双极记录。在多段电极中,来自一个环的三个段的平均数据被视为来自该环的数据,从而从每个导联获得三个双极记录。
在38名患者中,有10名患者使用植入的美敦力ACTIVA PC+S INS获得了不同刺激强度和步行(两种步态速度)期间的额外记录。这些患者在之前的另一项研究中也有报道。15左触点0-2或1-3和右触点8-10或9-11之间采用双极设置获得LFP记录。这些触点之间的电极用于刺激(130 Hz, 60µsec)。增益因子为2000,采样率为422 Hz, lfp滤波(0.5 ~ 100 Hz)。每次记录后,数据被遥测地传输到主机。为了评估,我们拍摄了当天的录音。术后6-12周,左旋多巴洗脱期6-12小时,用ACTIVA PC+S INS进行记录,在记录前一天最后一次服用多巴胺激动剂。为了研究临床上有效的刺激对β峰的影响,在坐着的情况下进行三次记录(每次持续3-5分钟):关闭刺激,以及在患者通常电压的50%和100%下进行双侧刺激。在无刺激的情况下,通过站立3-5分钟、慢速和快速步行30分钟三个测试来评估步态的影响。研究人员指示患者以比自己喜欢的速度更快或更慢的速度行走。在200赫兹的频率下,用小腿、大腿、前臂和胸部的惯性传感器记录步态表现。 These recordings were fused by Kalman filtering and the trajectory of the feet, step length, and cadence were reconstructed using a 4-segment leg model with inverse kinematics.20.,21然后,半自动定义步态时期(根据步长/节奏商),从分析中排除站立,步态冻结或转身的阶段。仅在“正常行走”期间获得lfp(见结果)进行评估。
数据评估
从外部引线获得的原始数据经过高通滤波(三阶Butterworth, 1 Hz)并重新采样到422 Hz的采样频率(美敦力ACTIVA PC+S设备中的采样频率)。为了计算所有数据的频谱,我们应用MATLAB的快速傅立叶算法并对所得频谱进行平均。快速傅里叶变换(FFT)窗口为512个数据点,重叠256个点。没有使用窗(汉明窗或汉宁窗),因为几次测试表明ACTIVA PC+S设备的低频失真可以忽略不计,并且从外部引线获得的数据的低频成分已被去除。这导致频谱值代表µV/频率。光谱分辨率为0.8242 Hz。未对光谱进行归一化处理。我们寻找频率范围在10到35赫兹之间的峰值。软件将峰值定义为4或6个相邻数据点的平均幅值比围绕该“峰值”的8或12个数据点的平均幅值至少大20% (图1一个).随后对山峰进行了目视检查,以验证山峰的身份。此方法符合前面描述的过程。22所有峰幅均以百分比测量。从每个电极中,选择一个具有最高β峰的双极记录进行评估。采用非参数2样本Kolmogorov-Smirnov检验(MATLAB)进行统计学比较。采用正态分布Kolmogorov-Smirnov检验(MATLAB)对正态分布进行检验。
从外部引线获得的原始数据经过高通滤波(三阶Butterworth, 1 Hz)并重新采样到422 Hz的采样频率(美敦力ACTIVA PC+S设备中的采样频率)。为了计算所有数据的频谱,我们应用MATLAB的快速傅立叶算法并对所得频谱进行平均。快速傅里叶变换(FFT)窗口为512个数据点,重叠256个点。没有使用窗(汉明窗或汉宁窗),因为几次测试表明ACTIVA PC+S设备的低频失真可以忽略不计,并且从外部引线获得的数据的低频成分已被去除。这导致频谱值代表µV/频率。光谱分辨率为0.8242 Hz。未对光谱进行归一化处理。我们寻找频率范围在10到35赫兹之间的峰值。软件将峰值定义为4或6个相邻数据点的平均幅值比围绕该“峰值”的8或12个数据点的平均幅值至少大20% (图1一个).随后对山峰进行了目视检查,以验证山峰的身份。此方法符合前面描述的过程。22所有峰幅均以百分比测量。从每个电极中,选择一个具有最高β峰的双极记录进行评估。采用非参数2样本Kolmogorov-Smirnov检验(MATLAB)进行统计学比较。采用正态分布Kolmogorov-Smirnov检验(MATLAB)对正态分布进行检验。
结果
外化引线录音
在分析所有术后记录(38例患者× 2侧× 3试验= 228个光谱)时,我们确定了176个符合上述标准的峰。峰值集中在15和27赫兹(图1C和D).由于这种聚类暗示了双峰分布,我们进行了正态分布的统计检验(Kolmogorov-Smirnov检验),证明不存在正态分布(p < 0.0001)。10-35 Hz频段内所有评估峰的中位数频率为20.2 Hz,因此该值用于分离“低”和“高”β峰,以进行进一步评估。其中96个峰低于20.2 Hz(平均15.5 Hz,平均幅值69%),80个峰高于20.2 Hz(平均27 Hz,平均幅值47.3%)。低、高β峰幅值差异有统计学意义(Kolmogorov-Smirnov检验,p = 0.0001)。在我们的队列中,β波段出现峰的总体频率仅通过分析休息时获得的痕迹来确定:78个STNs中有68个(87%)至少出现一个峰,38个受试者中有35个(92%)在两侧至少出现一个峰(表2), 76个核中有16个(22%)出现两个峰。
所有stn和所有受试者的峰值数
集团 | 不。 |
---|---|
所有STNs (n = 76) | |
没有峰值 | 17 |
一个峰 | 51 |
两座山峰 | 8 |
所有受试者(n = 38) | |
没有峰值 | 3. |
峰顶在一侧 | 11 |
两边都有高峰 | 24 |
为了评估手部运动的影响,我们绘制了每个STN(休息、右移和左移)的三条轨迹,并评估了根据定义(图2).只评估可重现的峰。峰的频率是手动确定的,并记录该频率下所有三个光谱的幅度(以百分比表示,如上所述)。在手部运动过程中,没有观察到β范围内的峰值受到明显抑制(图1 e).在休息、右手运动和左手运动的条件下,β带的平均水平相似(重复测量的方差分析)。
为了确定显示低和高频率的触点是否有不同的位置,引线被分为四类:只有低β,只有高β,低和高β,以及没有β(在这些情况下,“记录地点”被设置在引线的两个中间触点之间)。计算并显示分组电极记录位点的位置(图1).z值似乎表明低β记录位点比高β记录位点更深(表3).然而,比较低、高、低和高β接触的z值的单因素方差分析显示没有显著差异(p = 0.14)。
根据lfp的主要频率内容分组的记录站点位置
集团 | 不。 | 意思是x | 意味着y | 意思是z |
---|---|---|---|---|
低触点 | 34 | 13.55 | −1.7 | −2.5 |
高接点 | 24 | 13.72 | −1.57 | −1.66 |
高和低贝塔触点 | 10 | 13.86 | −1.97 | −1.97 |
没有贝塔联系人 | 8 | 13.59 | −2.17 | −2.22 |
所有平均值都以毫米为单位。
有无刺激的录音(ACTIVA PC+S INS)
在10例植入刺激器(ACTIVA PC+S)的患者中,记录LFP痕迹,并同时记录DBS。在将刺激设置为“关闭”,或设置为临床设置的50%或100%时,比较β带的平均振幅。平均β水平分别为1.16µV、1.06µV和1.04µV。统计比较(重复测量的方差分析)显示无显著差异。
在非刺激时,我们在20个STNs的β波段发现了26个符合上述定义的峰;20例STNs中有7例出现2个峰。20个STNs中有19个至少出现1个峰。峰高与统一帕金森病评定量表(UPDRS)评分无显著相关(图1 b).3名受试者在非刺激、50%刺激和100%刺激时的代表性曲线见图3。刺激引起大多数峰的减少或消失,但不是所有的峰,抑制取决于刺激的幅度。对低于20.2 Hz和高于20.2 Hz的峰值(低β范围和高β范围;图4A、B).我们发现,仅在完全刺激时,低β峰被显著抑制(p = 0.0116;图4),而半刺激(p = 0.007)和完全刺激(p = 0.007)显著抑制了高β峰。图4 b).
讨论
在这项研究中,我们发现刺激和运动对帕金森病患者STN的低β和高β活性有不同的影响。而连续的手部运动对β峰没有显著影响,步态降低了高β峰,但对低β峰没有影响。相反,DBS降低了两个β峰。我们的研究结果将支持将STN的lfp作为闭环DBS的生物反馈信号。
研究的局限性
由于本研究的门诊环境,不可能长时间停用多巴胺激动剂和/或左旋多巴,因此在步态记录期间,患者并未完全停用多巴胺激动剂,因为一些患者最后一次服用多巴胺激动剂不超过12小时(多巴胺激动剂的效果可能持续超过6小时)。然而,在同一组患者中比较不同的实验变量(运动,刺激)允许有效的内部控制,使我们能够中和多巴胺能药物的混淆效应。在本研究中,数据来自不同制造商的leads。因为每个病人都是作为他/她自己的对照,我们不认为这一事实对结果有相关的影响。
一个峰值还是两个峰值?
本组38例患者中,87%(76例)的核至少有一个峰符合标准,仅有3例未出现β峰,11例仅在一侧出现β峰;因此,大多数受试者(n = 24)在两侧都有这样的峰。在某些患者/细胞核中没有这种峰的原因可能与电极的位置有关,尽管我们不能排除患者没有β活动(可能在一侧)的可能性。在一项荟萃分析中,报告了20项研究,报告了4到52个核,显示β峰活动的患者比例大于95%,因此可能有资格进行闭环刺激。23大多数研究报告说,100%的记录显示了这样一个峰值,但这个概念必须受到批判性的质疑,因为用于定义峰值的方法没有报道。开云体育世界杯赔率我们的研究结果表明,22%的原子核在β波段有两个峰,因此在β波段有两个独立的“信息通道”。因此,我们在beta波段检测到明显的双峰频率分布,即15 Hz左右的一个集群和27 Hz左右的另一个集群。正态分布的不存在得到了高概率的证实。这些发现证实了先前一项研究的结果19并与另一项研究形成对比。5双峰分布与低β峰和高β峰对左旋多巴和持续运动的不同反应一致。此外,STN与皮质核和其他基底神经节核的连接似乎使用单独的频率通道进行通信:皮层中线EEG电极的高β皮质-STN一致性最大,而低β带与运动皮层上方的更多侧电极的相关性最好。17我们发现在接触部位显示高β和低β,或两者兼而有之的解剖位置没有显著差异。这一问题将在另一篇论文中进一步阐述,通过分析术中LFP记录以及同一导联不同接触点的β峰值水平。
手的动作
在本研究中,持续的手部运动仅在部分患者中抑制了高β峰(图2C和D),但在组水平上,无论在低β范围还是高β范围,均未观察到显著的β峰抑制。上肢和下肢的运动表现在STN的不同部位:响应猴初级运动皮层后肢、前肢和口面区的STN神经元位于后外侧STN的中外侧轴上,而响应辅助运动区口面区的神经元位于前内侧STN的更内侧。24这也许可以解释我们组中抑制峰值的个体差异。Steiner等人。25发现在15 Hz和25 Hz下旋前/旋后时β抑制约10%和15%,但未报道显著性,并选择患者在运动过程中抑制β活性。在最近的研究中,10作者发现,在旋前/旋后过程中,高β和低β活性明显受到抑制,低β抑制率(18.3%)低于高β抑制率(36%)。Blumenfeld等人报道了手部运动时低β频段(11-22 Hz) LFP功率的衰减。26另外两项研究调查了手部运动时的lfp,发现整个β带的活性都受到抑制9在最显著的峰值中,13但没有报道低和高β峰之间的区别。综合现有的证据和我们的结果,似乎手部运动可以抑制个体受试者在低频段和高频段的β活动,但高频段似乎受到更大的影响。
刺激
我们发现,与手部运动的影响相比,刺激的影响是显著的,刺激减少了低(仅完全刺激)和高峰值(一半和完全刺激)。高频刺激导致LFP抑制的病理生理学最有可能解释为突触抑制导致神经元活动的刺激强度依赖性沉默。27即使在刺激停止后,LFPs也可以被抑制长达60秒。6这与临床环境中停止刺激后逐渐出现的僵硬相吻合。28报道刺激对高和低β峰的不同影响的研究很少,因为同时刺激和记录lfp只能通过实验设备来实现。
在一项同时刺激和LFP记录的研究中,当电压显著增加到超过1.5 V的刺激阈值时,在11到30 Hz之间的LFP活动峰值会逐渐被抑制。29后两位作者研究了19个具有44个β带峰的原子核(86个在低β带峰,58个在高β带峰),发现两个频谱都有所下降。另一项研究报告了13个原子核的数据。在低频段(8-20 Hz)有7个显著的抑制峰值,但明显没有发现更高频率的峰值。30.作者认为,低β节律可能被认为是一种病理标志,而高β节律可能本质上是一种生理节律。
在术中刺激和LFP记录中,Whitmer等人发现β活性在15至35 Hz之间受到抑制(STN内18 Hz最大,STN背侧13 Hz)。7但该报告没有具体说明在13个核中是否看到了低波段或高波段的个别峰值。总结现有文献和我们的结果,尽管必须考虑到个体差异,但临床有效的刺激可将低范围和高范围的β峰降低约50%。
走
低β峰和高β峰对步行的反应明显不同:只有高频峰值(高于20.2 Hz)因步态而显著降低,而低于该频率的峰值保持在基线幅度。这一惊人的差异在我们之前对5名受试者的研究中也看到了,16其中3人步态冻结,低β振幅升高。另外两组也报道了步态冻结患者的低β升高。11,17在我们之前的报告中,我们分析了与本文报道的相同的10例患者步态期间的总体β水平(未分析单独的峰值),并发现频谱的高频部分受到抑制。15Tinkhauser等人发现足部运动优先抑制高频波段的β,尽管这些研究很难与我们自己的结果进行比较,因为我们的患者在行走,而他们的患者在术中进行足部运动。12另一组使用与本研究相同的记录设备研究步态相关的β活动,当分析13 - 30 Hz之间的绝对功率时,发现步态对12例患者(24个核)的β频率没有显著影响。14同样,当同一组分析单个患者特定频段的步态β活动时,报告了不同形状的频率模式,但没有评估步态和休息之间β峰值的统计差异,因为重点是分析β爆发持续时间。31作者没有区分低β和高β,而是评估了个体患者的显著频带。然而,从他们的工作中可以得出结论,步态冻结患者的夸张的β爆发可能在低β范围内突出,而不是在高β范围内。
第三组使用美敦力ACTIVA PC+S INSs,发现丘脑下功率谱密度没有具体变化,但步态和站立时的β相位调制有所不同。32后两组在没有明确提及患者β带是否有峰状活动的情况下,没有发现步态中明显的β抑制。如本报告所示,我们的数据中存在β峰,这可能是检测步行时β活性明显抑制的先决条件。此外,我们可以在本报告中表明,这种抑制仅限于20 Hz以上的β活性,当分析整个β波段时,这可能会排除显著影响。
结论
当使用β带振幅作为闭环刺激的生物标志物时,可以选择单个峰(如果存在)或整个β带。考虑用于闭环刺激的生物信号至少应满足两个标准。首先,这些信号必须与临床症状相关。低β带和高β带的峰值以及运动迟缓和僵硬的症状符合此条件。3 - 5作为第二个标准,信号不应受到患者持续活动的影响。根据目前的研究,这一标准仅适用于低β峰,与高β峰相比,低β峰平均不会因手部运动而显著降低,并且在步态过程中保持稳定。基于我们目前的结果,我们因此建议使用低β波段的峰值活动作为反馈信号。选择它们的另一个原因是,正如上述一些研究表明的那样,它们明显增强了步态冻结。我们的研究发现,在刺激和运动过程中,某些β峰表现出明显的变化,但β水平本身并没有变化,这支持了不使用整个β带作为闭环刺激的反馈信号的结论。
突出了
持续的手部运动并没有降低beta峰的振幅。
步行导致高峰值减少,但低峰值没有。
低β范围内的峰值不会因持续运动而降低,因此应被选为闭环DBS的生物标志物。
致谢
我们感谢我们的病人参与这项研究。我们感谢Katie Göttlinger对原稿的编辑。本研究由我校
披露的信息
在这项研究中,10台ACTIVA PC+S DBS系统由美敦力免费提供。这项研究是由美敦力DBS外部研究委员会审查和批准的,但完全是在没有公司影响的情况下构思和实施的。本研究没有支付任何经济支持或酬金。为了全面评估植入神经刺激器的性能,美敦力获得了9名患者的描述和成像数据,并向研究人员支付了这些数据。K.B.获得了美敦力公司颁发的演讲荣誉。J.H.M.获得了美敦力、雅培、波士顿科学和Brainlab的演讲者荣誉。A.B.和S.S.是拿薪水的美敦力员工;在审查稿件时,他们对技术准确性做出了贡献,但不影响稿件的结果或内容。
作者的贡献
构思与设计:Plate, Mehrkens, Bötzel。数据获取:所有作者。数据分析和解释:Plate, Koeglsperger, Bötzel。起草文章:Plate, Koeglsperger, Bovet, Stanslaski, Bötzel。批判修改文章:板块,Bötzel。审稿提交版本:板块,Bötzel。代表所有作者批准稿件的最终版本:板块。统计分析:板块,Bötzel。
补充信息
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