Effekte der tiefen Hirnstimulation auf Kopplungsmuster zwischen Basalganglien, Kortex und Handmuskeln bei idiopathischem Parkinsonsyndrom und Essentiellem Tremor

Abstract

Die therapeutische tiefe Hirnstimulation hat sich in den letzten Jahren beim idiopathischen Parkinsonsyndrom und beim Essentiellen Tremor zu einer potenten therapeutischen Option mit zunehmender Bedeutung entwickelt. Obwohl die klinische Effektivität dieses operativen Verfahrens inzwischen belegt werden konnte, sind die neurophysiologischen Mechanismen der Therapie aktuell Gegenstand intensiver Forschung. In diesem Kontext bietet die neuronale Synchronisation ein attraktives Konzept zur Beschreibung der Konnektivität von zerebralen Schlüsselstrukturen innerhalb eines pathologischen tremorassoziierten motorischen Netzwerks. So wurden in der vorliegenden Arbeit neuronale und neuromuskuläre Synchronisation zwischen Nucleus subthalamicus / Nucleus ventralis intermedius thalami (STN / Vim), Kortex (M1) und den Effektoren Musculus abductor pollicis brevis / Musculus interosseus dorsalis primus (APB / FDI) beschrieben und deren gezielte Modulation durch therapeutische Stimulation und operative Mikroläsion in vier perioperativen Untersuchungsbedingungen untersucht: ein Tag vor Operation [D0], ein Tag nach Operation [D1], acht Tage nach Operation ohne Stimulation [D8StimOff] und mit Stimulation [D8StimOn]. Dabei wurden in allen Bedingungen EEG und EMG abgeleitet, an D1 konnten zusätzlich lokale Feldpotentiale des implantierten Kerns (STN/Vim) abgeleitet werden und bewegungsassoziierte Modulationen in der neuronalen Aktivität und Synchronisation dargestellt werden. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass therapeutische Hirnstimulation bei beiden Erkrankungen zur Verbesserung der motorischen Performance und zu einer Reduktion des Tremors führt. Diese klinischen Effekte waren eng mit neuronaler Synchronisation assoziiert. Insbesondere muskuläre Aktivität und kortikomuskuläre Synchronisation im Theta-Band korrelierten positiv mit schlechter Performance und Tremor. Kortikomuskuläre Synchronisation im Beta-Band, wie bei Gesunden nachweisbar, trat bei isometrischen Kontraktionen dabei vor allem infolge der operativen Mikroläsion auf. Zudem konnten durch die Ableitungen über die Stimulationselektroden die Rollen von STN und Vim bei Bewegung analysiert werden. Dabei fand sich bei Parkinsonpatienten hohe Synchronisation im Beta-Band innerhalb des STN und zwischen STN und Kortex (M1), die mit schlechter motorischer Performance korrelierte. Zudem konnte bei Bewegung eine deutliche Zunahme hochfrequenter neuronaler Synchronisation innerhalb des STN gesichert werden, die demzufolge eine funktionelle Rolle bei Bewegungen besitzen könnte. Die Arbeit trägt zum einen zu weiterem Verständnis der Pathophysiologie des idiopathischen Parkinsonsyndroms und des Essentiellen Tremors bei: insbesondere pathologische neuronale Netzwerkaktivität konnte beschrieben werden und deren therapeutische Modulation in Assoziation zur klinischen Besserung des Tremors belegt werden. Darüber hinaus tragen die Ergebnisse zur weiteren elektrophysiologischen Charakterisierung der Zielkerne bei und könnten dadurch zukünftig auch intraoperativ von Relevanz sein.

Therapeutic deep brain stimulation (DBS) constitutes an important therapy in Parkinson´s disease (PD) and essential tremor (ET). Although clinical efficiency could have been demonstrated, neurophysiological correlates of motor improvement are still under debate and part of the current research on DBS. Neuronal synchronization provides an attractive concept for description of functional network connectivity in the human cerebral tremor-related oscillatory network. Accordingly, neuronal and neuromuscular synchronization between subthalamic nucleus / nucleus ventrointermedius of the thalamus (STN / Vim), cortex (M1) and effectors in terms of abductor pollicis brevis muscle and first dorsalis interosseus muscle (APB/FDI) were described and modulation by therapeutic stimulation und surgical microlesion was systematically assessed in four perioperative conditions: one day before surgery [D0], one day after surgery [D1], eight days after surgery without stimulation [D8StimOff], and eight days after surgery with stimulation [D8StimOn]. EEG and EMG were recorded in all conditions. On D1, we additionally recorded local field potentials (LFP) from intracranial DBS macroelectrodes (STN/Vim). Here, we tested for movement-associated modulation of neuronal synchrony in the oscillatory motor network.

Stimulation led to significant improvement of motor performance und reduction of tremor. Moreover, clinical effects were tightly associated with neuronal synchronization. Especially muscular activity and corticomuscular synchronization in the theta band correlated with poor motor performance and tremor. Corticomuscular synchronization in the beta band occurred in first order due to surgical microlesion effect on [D1]. Recordings from DBS macroelectrodes offered new insights into functional activity of STN and Vim during movement. PD patients presented with high beta band synchronization intra STN and between STN and cortex (M1) that correlated with poor motor performance. Movement also revealed a strong increase of high-frequent oscillations in STN and may therefore be functionally linked to movement. The present paper contributes to our understanding of pathophysiology of PD and ET. Pathological neuronal network activity was described in detail and modulation of these pathological patterns was induced by stimulation in accordance to clinical amelioration of motor symptoms. At least, the findings further characterize the relevant target nuclei and might become relevant for intraoperative targeting.