Perspective Chapter: Functional Human Brain Connectome in Deep Brain Stimulation (DBS) for Parkinson’s Disease (PD)

Historically, the success of DBS depends on the accuracy of electrode localization in neuroanatomical structures. With time, diffusion-weighted magnetic resonance imaging (MRI) and functional MRI have been introduced to study the structural connectivity and functional connectivity in patients with neurodegenerative disorders such as PD. Unlike the traditional lesion-based stimulation theory, this new network stimulation theory suggested that stimulation of specific brain circuits can modulate the pathological network and restore it to its physiological state, hence causing normalization of human brain connectome in PD patients. In this review, we discuss the feasibility of network-based stimulation and the use of connectomic DBS in PD

Modulation neuromuskulärer Gangintegration durch Tiefe Hirnstimulation bei Morbus Parkinson

Unsere Studie untersuchte die elektrophysiologischen und gangkinematischen Parameter gesunder Kontrollpersonen im Vergleich zu Patienten mit M. Parkinson (IPS) und Tiefer Hirnstimulation (THS). Dabei sollten einmal die Unterschiede zwischen Patienten ohne Stimulation und gesunden Menschen herausgearbeitet werden, um auf diese Weise ein vertieftes Verständnis über die Pathophysiologie des Morbus Parkinson zu erlangen. Zum anderen sollte untersucht werden, inwiefern diese elektrophysiologischen Parameter durch Stimulation des Nucleus subthalamicus (STN), beziehungsweise der Substantia nigra pars reticularis (SNr) moduliert werden. Dadurch erhofften wir uns neue Erkenntnisse über die Funktionsweise der THS und die pathophysiologischen Korrelate des M. Parkinson. Da unsere Messelektronik komplett mobil einsetzbar war, konnten wir unsere Daten während normaler Fortbewegung im Raum erheben. Gesunde Menschen wiesen im Schrittfrequenzbereich von 1,5-2Hz während des Gehens deutlich höhere kortikale und muskuläre Aktivität und Kohärenz (CMC) als Patienten ohne Stimulation auf. Die CMC in diesem Frequenzbereich kann durch unsere Analysen als genuine CMC gewertet werden. Die Effekte in STN betrafen vor allem CMC und Muskelaktivität im Schrittfrequenzbereich, hier näherten sich die Werte den physiologischen Werten gesunder Kontrollprobanden an. Kortikale und muskuläre Aktivität dominierte während des Gehens bei Parkinson-Patienten in Alpha- (7-9Hz) und Betafrequenzen (18-22Hz) gegenüber gesunden Menschen. Kortikale Alpha-und Beta-Power wurde während des Gehens durch STN, nicht aber durch SNr abgeschwächt. Wir konnten des Weiteren signifikant positive Einflüsse sowohl in STN, als auch in SNr auf die motorischen UPDRS-Ergebnisse und die Gangkinetik von Patienten mit M. Parkinson nachweisen. Unsere Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass CMC im Bereich der Schrittfrequenz als Parameter einer funktionierenden gangmotorischen Schleife und effektiver kortikomuskulärer Gangintegration beim gesunden Menschen gesehen werden kann. Diese Schleife könnte physiologischerweise basalganglionär moduliert werden. Bei Patienten mit M. Parkinson könnten 96 diese modulierenden Einflüsse pathologisch verändert sein, was dann zur Entstehung unphysiologisch hoher kortikaler Alpha-und Betapower führt. Dies könnte in Zusammenhang mit verminderter kortikomuskulärer Gangintegration auf Schrittfrequenzebene und Entwicklung eines parkinsontypischen bradykinetischen Gangbildes stehen. Basalganglionäre und kortikale gangmotorisch relevante Netzwerke werden möglicherweise durch THS teilweise wieder hergestellt, woraus sich dann eine verbesserte Gangkinetik der Patienten ergibt. Unsere Arbeit beleuchtet möglicherweise neue Aspekte der Pathophysiologie von Gangstörungen und deren Therapie durch THS bei Parkinson-Patienten. Unsere Ergebnisse könnten damit zur Entwicklung neuer Stimulationsoptionen und verbesserter individualisierter Therapieansätze beitragen

Differential modulation of STN-cortical and cortico-muscular coherence by movement and levodopa in Parkinson's disease

Previous research suggests that oscillatory coupling between cortex, basal ganglia and muscles plays an important role in motor behavior. Furthermore, there is evidence that oscillatory coupling is altered in patients with movement disorders such as Parkinson's disease (PD)

Ruhenetzwerke von Parkinsonpatienten – Effekte der Dopamintherapie

Die Motivation der hier vorliegenden Studie war es, Ruhenetzwerke von Parkinsonpatienten mit der Elektroenzephalographie (EEG) auf einer globalen Hirnnetzwerkebene zu analysieren. Als übergreifendes Ziel der Arbeit galt der vertiefte Einblick in pathophysiologische Mechanismen und Effekte der dopaminergen Therapie. Dabei wurden im Einzelnen folgende Hypothesen untersucht: 1) Die Extraktion von Ruhenetzwerken in einem globalen Analyseansatz ohne a priori Annahmen wurde bislang für magnetenzephalographische (MEG) Daten demonstriert. Es wurde angenommen, dass sich dieser Ansatz auch auf EEG Daten übertragen lässt und robuste Ergebnisse generieren würde. 2) Das Verständnis von Morbus Parkinson geht über eine reine Bewegungsstörung weit hinaus. Als Ausdruck einer solchen globalen Neurodegeneration waren daher pathologische Netzwerkveränderungen im Vergleich von Patienten und Gesunden zu erwarten, die sich nicht nur auf motorische Netzwerke beschränken würden. 3) Die dopaminerge Therapie stellt unverändert den zentralen Baustein der Behandlung der Parkinsonerkrankung dar. Als Ausdruck der resultierenden klinischen Besserung waren auch auf der Netzwerkebene spezifische Therapieeffekte zu erwarten. Inwiefern dies durch Restitution physiologischer Netzwerkmuster oder Etablierung einer alternativen Netzwerkstruktur erfolgen würde, sollte näher untersucht werden. ad 1) In der Literatur mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) gut untersuchte und als etabliert geltende Ruhenetzwerke konnten auch in den EEG Daten identifiziert werden. Dabei wurde die eigentliche Netzwerkextraktion mittels einer Independent Component Analysis (ICA) durch Lösung des inversen Problems im Quellenraum lokalisiert. So konnte neben der im EEG grundsätzlich guten zeitlichen Auflösung auch die räumliche Auflösung optimiert werden. ad 2) Bei den näher untersuchten Ruhenetzwerken ließen sich spezifische räumliche und frequenzbezogene Veränderungen feststellen, welche in die bestehende Forschungsliteratur eingegliedert werden konnten und gleichzeitig das Verständnis dieser Veränderungen erweiterten. Insbesondere für den Bereich von motorischen Arealen zeigte sich ein präzises pathologisches Korrelat im b-Frequenzband, was erneut die Schlüsselrolle von b-Oszillationen betonte. Desweiteren zeigten sich Veränderungen des Default Mode Network (DMN) und des visuellen Netzwerks mit aktuell unklarer klinischer Relevanz. ad 3) Im Bereich der motorischen Kortexareale zeigte das supplementär motorische Areal (SMA) im Sinne einer Restitution auf nahezu physiologische räumliche Netzwerkparameter unmittelbare Effekte der medikamentösen Therapie. Dies war im Einklang mit einer wachsenden Evidenz vor allem aus der fMRT Literatur. Als neuer Aspekt ergab sich nun der offenbar spezifische Effekt im g-Frequenzband

Modulation neuromuskulärer Synchronisation und kortikaler Aktivität durch transkranielle Gleichstromstimulation bei Patienten mit idiopathischem Parkinsonsyndrom

Neuronale Synchronisation stellt eine Voraussetzung für die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnregionen dar und ermöglicht die funktionelle Verschaltung kortikaler und subkortikaler Areale zur Integration komplexer zerebraler Vorgänge wie der Bewegungsausführung und -planung. Eine exzessive Synchronisation im beta-Band innerhalb des motorischen Netzwerkes und eine verminderte kortikospinale Synchronisation korrelieren mit motorischen Symp-tomen bei Parkinson-Patienten, welche eine verminderte kortikale Aktivierung aufweisen. AtDCS über dem sensomotorischen Areal kann die kortikale Exzita-bilität steigern und motorische Symptome bei Parkinson-Patienten verbessern. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der atDCS über dem sensomotorischen Areal auf das klinische motorische Outcome, die feinmotorische Peformance der rechten Hand, die kortikale Aktivität und die kortikospinale Synchronisation zu untersuchen. In dieser doppelblinden randomisierten sham-kontrollierten EEG-tDCS-Studie untersuchten wir zehn pharmakologisch behandelte Patienten mit idiopathischem Parkinsonsyndrom (PD) nach Pausierung der dopaminergen Medikation über Nacht und elf gesunde Kontrollen (HC) während einer isometrischen Prä-zisionsgriffaufgabe mit Kraftmessgerät vor (‚pre’), direkt nach (‚post1’) und 30min (‚post2’) nach Stimulation, begleitet von simultaner Aufzeichung eines 25-Kanal-EEGs sowie einer EMG-Ableitung des M. abductor pollicis brevis (APB) und des M. interosseus dorsalis (FDI) des Index der rechten Hand. Die Probanden wurden randomisiert in zwei Sitzungen an zwei verschiedenen Tagen mit mindestens 48h Abstand nach ‚verum’ oder ‚sham’ Stimulation mittels atDCS [20min (verum), 40s (sham); 1mA; tDCS-Elektroden über linker ‚C3’- (Anode) und rechter ‚Fp2’- (Kathode) Position, Fade-in/Fade-out 5s] untersucht. Die kortikale neuronale Aktivität wurde als Frequenzspektrum (Power) darge-stellt und die kortikospinale Synchronisation anhand der kortikomuskulären Zeit-Frequenz-Kreuzspektrumskohärenz (CMC) analysiert. Die topographische Distribution wurde aus dem EEG mit Elektrodenpositionen nach dem ten-twenty-System abgeleitet. Die feinmotorische Performance wurde mithilfe des Accuracy Errors, der Quadratwurzel aus der Summe der Differenz zwischen KraftIst und KraftSoll des Kraftmessgeräts, bestimmt. Die motorische Symptomatik der Parkinson-Patienten wurde mithilfe des UPDRS Teil III vor, direkt nach und 30min nach Stimulation beurteilt. Parkinson-Patienten zeigten über dem linken primär motorischen Areal (‚C3’) nach ‚verum’ Stimulation mit atDCS eine signifikante Reduktion der kortikalen beta-Power bei 22-27Hz für mindestens 30min nach Stimulation und eine kurz-fristige signifikante Zunahme der kortikomuskulären Kohärenz im niedrigen be-ta-Band bei 13-20Hz direkt nach Stimulation sowie eine signifikante klinische Besserung für mindestens 30min bewertet durch den UPDRS III, jedoch keine signifikante Änderung der feinmotorischen Performance im Accuracy Error. Diese Effekte waren spezifisch für die PD ‚verum’ Kondition und weder in der PD ‚sham’ noch in der HC ‚verum’ und HC ‚sham’ Kondition vorhanden. AtDCS über dem linken sensomotorischen Areal führt zu einer Senkung der beta-Power und Steigerung der beta-CMC über dem linken primär motorischen Areal einhergehend mit klinischer motorischer Verbesserung. Diese Ergebnisse ge-ben Hinweise auf eine Modulation der motorischen Netzwerkaktivität einschließ-lich der kortikalen Aktivität und der kortikospinalen Synchronisation durch atDCS bei Parkinson-Patienten. Die Erweiterung des bisherigen Wissens über die dynamische pathologische kortikale Aktivität und Synchronisation in der Parkinsonkrankheit birgt großes Potenzial als Biomarker für die klinische Prog-nose- und Diagnosestellung. Dies erlaubt langfristig möglicherweise eine indivi-dualisierte und bedarfsadaptierte Therapie durch Anpassung der Impulse der Tiefe Hirnstimulation an die oszillatorische Aktivität und trägt zur Entwicklung risikoarmer, nicht-invasiver Hirnstimulationsverfahren bei, welche gezielt sowie zeitlich und funktionell dynamisch die klinische Symptomatik durch Modulation der kortikalen Aktivität therapieren könnten