2021年06月11日发布 | 1579阅读

个性化治疗帕金森?加州大学独创“植入式脑电波记录仪”!

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导 读

◆背景:

帕金森氏病是一种退化性神经系统疾病,会引起缓慢的运动(运动迟缓),行走困难和震颤,以及与运动无关的症状。根据帕金森氏症基金会的统计,每年约有60,000美国人被诊断出患有帕金森氏症。帕金森氏症的确切病因尚不清楚,但是所有患者的多巴胺水平都降低了,多巴胺是一种调节大脑动力的神经递质。长期以来人们一直怀疑,不稳定的脑电波模式也可以触发帕金森氏症。先前在监测帕金森氏病患者脑电波活动方面的研究仅限于临床环境中的短期。这极大地限制了可用于分析的数据量——有限地瞥见了患者的大脑活动,该活动在一天当中不断循环和变化。加州大学旧金山分校(UCSF)的科学家对帕金森氏病患者进行开创性的神经记录,为个性化脑部刺激治疗帕金森氏症和其他神经系统疾病提供了基础。UCSF神经外科的Dolores Cakebread教授说:“随着患者进行正常活动,我们可以无线记录数百小时的脑波活动。它使我们第一次真正了解了在现实世界中发生的特定神经系统问题背后的大脑活动。”


该研究由加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所的研究人员在5月3日发表于《自然生物技术》上,研究人员通过植入新型神经刺激设备,该设备在有或没有深部脑刺激(DBS)治疗的情况下,可以监视大脑多个月的活动。他们将大脑的记录与可穿戴的运动监测器配对,确定了与帕金森氏症相关的特定运动异常所对应的大脑活动模式。他们的研究为帕金森氏症状与不稳定的脑电波模式有关的长期假设提供了第一个证据,并证明了DBS如何恢复患者脑电波的秩序。


◆方法:

为了获得更完整的图像,他们在5名帕金森氏病患者的丘脑下和运动皮层大脑区域植入了测量电活动的小型传感器。这些传感器连接到能够感应大脑活动的脉冲发生器。这样可以在患者进行日常活动时连续记录其大脑活动。数月的录音产生了大量数据。为了对所有这些进行分类,研究人员开发了一种算法,可以将脑电波活动与患者戴在手腕上的运动感应设备记录的数据进行比较。他们发现运动障碍(药物引起的过度运动)和运动迟缓的时期与丘脑下层和运动皮层中特定频段内的夸张脑电波相对应。


因为刺激产生的电信号会引起记录干扰,为了解决植入式记录系统进行的研究无法记录主动刺激对脑电波活动的问题。在新的研究中,Gilron及其同事开发了一种解决方法,使用了降噪耳机所使用的相同原理。通过抵消刺激产生的电波,研究人员可以使信号相互抵消,从而使记录导线可以准确记录脑电波。


◆结果:

经过几个月的记录和分析,研究人员走得更远,并测量了DBS对患者的影响。DBS将电脉冲传递到大脑,长期以来一直被用来缓解帕金森氏病的症状,尽管以前尚不清楚它为什么起作用。这项研究表明,深部脑刺激似乎可以通过调节患者不稳定的脑波模式来改善帕金森氏症,部分是通过抑制抑制运动的低频波,并调节促进运动的高频波。Gilron说:“这是我们第一次能够测量连续刺激对脑电波的影响。我们之前已经对数十万名患者进行了深层大脑刺激,而没有任何方法可以监测其即时效果。这就像试图在不测量血压的情况下进行治疗。”


这些广泛的发现有助于弄清帕金森氏病的一些潜在因素,但是每个帕金森氏症患者都可能会有自己独特的脑电波波动。研究人员说,这就是为什么连续神经记录对成功治疗如此重要的原因。从患者记录中积累的庞大数据集有助于揭示与帕金森氏症相关的最细微的脑电波模式。研究人员的下一步是一项包括10名患者的随机临床试验。研究人员认为,这将大大加快帕金森氏病的个性化治疗,因为识别症状类型的新算法可以立即进行测试,而不是开发新药物的时间,甚至是数十年。


研究人员说,这些发现还具有超越帕金森氏病的潜力。与脑波活动不稳定有关的许多神经系统疾病,例如癫痫、慢性抑郁和慢性疼痛,都可以通过实时监测脑活动和个性化神经调节的相同方法进行治疗。


斯塔尔说:“我们正在将帕金森氏病患者作为开发植入式双向神经接口的实验人群。” “希望这将用于我们目前尚无有效刺激疗法的疾病中。”

论文ID

原名:Long-term wireless streaming of neural recordings for circuit discovery and adaptive stimulation in individuals with Parkinson’s disease

译名:神经记录的长期无线流传输,用于帕金森氏病患者的电路发现和适应性刺激。

期刊:Nat. Biotechnol

IF: 36.558

发表时间:2021.05.03

发表单位:加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41587-021-00897-5

封面:


内容:




在这里,研究人员报告了植入式双向神经接口的使用,该接口设计用于在正常的日常活动中,并能长时间进行连续无线流传输。他们使用该平台展示了在五个PD患者中,他们分别向两侧植入了运动皮层和基底神经节,导致两个结构中的振荡活动模式都可以解码活动性和固定性状态,如通过将记录与可追踪的可穿戴监视器配对来证明这些电机波动行为。我们通过利用皮层下或皮层信号基于运动波动的神经检测来调整刺激水平,连续4天在家中实施嵌入式自适应DBS,并发现与标准开环DBS相比,其临床益处。据悉,以前没有研究证明在正常活动期间在家有PD的个体中具有适应性DBS。


PD的特定运动体征的振荡神经信号的大多数先前研究是使用外部脑电图在短时间内(几分钟)进行的。在家中大量侵入式记录的长期流式传输产生了一些简短记录无法轻易实现的发现。首先,他们确定了与参与者在其实际环境中的功能相关的生物标记。例如,先前的工作已指出,丘脑下β带振荡是僵硬/运动状态严重程度的指标,并且是对治疗反应的一种衡量指标12,但是这些研究是在没有自愿运动的情况下进行的,并且是在人为地进行的情况下进行的。研究人员诱发的极端用药状态。在这里,他们提供了以下方面的验证:丘脑下β活性和其他神经信号提供了运动波动的真实世界生物标志物,这是不受运动和行为以及惯常用药时间表约束的个人所经历的。其次,他们确定了运动状态神经特征的个体差异,这是可以预期的,因为PD患者的特定运动特征有所不同。以前的简短临床研究需要对一组个体进行统计比较,这可以识别常见的生物标志物,但可以掩盖个体差异。在这里,大量纵向数据的分析提供了神经活动内部比较的统计优势,而不是疾病状态的特定症状和体征的许多恶化和缓解,提供了参与者特定的神经活动指纹(下图)。

第三,长期在家记录表明睡眠对运动状态的神经生物标志物具有深远的影响(下图),从简短的临床记录中获取是不切实际的。所有这三个要素对于将这些假定的生物标志物用作自适应DBS的控制信号至关重要。


总结:




使用侵入性设备在人类中的进行的神经记录可以阐明脑部疾病的电路,但到目前为止,仅限于医院环境中外部化的脑部引线或仅提供时间序列数据的间歇性,简短流式传输的植入式传感设备的简短记录。在这里,研究人员报道了植入式双向神经接口在植入后长达15个月的时间里对五个帕金森氏病(PD)患者的场势进行无线,多通道场势流传输的情况。将在家中流过2600 h的双侧四通道运动皮质和基底神经节场电位与可穿戴式监护仪的行为数据配对,以对运动不足或过度运动的状态进行神经解码。他们在正常的日常活动中验证了特定于个体的神经生理生物标志物,并将这些模式用于适应性深部脑刺激(DBS)。这种技术方法可能广泛适用于可通过侵入性神经调节治疗的脑部疾病。



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