The effect of GPi-DBS on automatic and controlled movement in dystonia

Abstract

Dystonia is a disabling movement disorder characterized by involuntary sustained or intermittent muscle contractions and abnormal posture. The classification system for dystonia is based on clinical characteristics (axis I) including the anatomical distribution of the affected body part, the etiology, and the age of onset (axis II). The pathophysiology of dystonia is not fully understood yet. However, a growing body of empirical evidence suggests that it is not attributed to one brain region, but rather that it could arise from abnormal sensorimotor network activity. Although its mechanism of action is not fully understood, deep brain stimulation (DBS) of the Globus pallidus interna (GPi) is a successful treatment for dystonia. The aim of our behavioral study is to explore the effect of GPi-DBS on the cognitive and kinematic aspects of automatic and controlled movements in dystonia. Furthermore, we intended to explore the role of the GPi as the main output of the basal ganglia (BG) in the different movement phases (initiation and execution) and to gain more insight on the pathophysiology of dystonia. Sixteen patients with dystonia undergoing pallidal deep brain stimulation and 16 age-matched healthy controls participated in a visuomotor tracking task requiring normal (automatic) and inverted (controlled) reaching movements. We found that GPi-DBS does not affect proactive inhibition and does not exert an instantaneous effect on the reaction time in the automatic and controlled conditions. GPi-DBS may decrease the average error and improve the movement efficiency in the controlled condition. However, it negatively influences the efficiency of automatic movement performance. Our results suggest that GPi-DBS may exert its effect by interfering with the output signal of the GPi. Furthermore, this study showed that GPi-DBS induces bradykinesia in the automatic condition, quantified by decreasing the peak velocity, which is a common clinical side-effect of GPi-DBS in dystonia.

Dystonie ist eine behindernde Bewegungsstörung, die durch unwillkürlich anhaltende oder intermittierende Muskelkontraktionen und abnormale Körperhaltung gekennzeichnet ist. Das Klassifizierungssystem für Dystonie basiert für die klinische Achse I auf der anatomischen Verteilung des betroffenen Körperteils, dem zeitlichen Auftreten und dem Erkrankungsalter (Achse II). Die Pathophysiologie der Dystonie ist nicht vollständig verstanden. Studien der letzten Jahre haben gezeigt, dass abnorme Netzwerkaktivität mit pathologischen Oszillationen, abnormer sensomotorischer Integration und erhöhter Plastizität beteiligt sind. Obwohl der Wirkungsmechanismus nicht vollständig verstanden ist, ist die Tiefe Hirnstimulation (THS) des Globus pallidus internus (GPi) eine erfolgreiche Behandlungsmethode für die Dystonie. Ziel unserer Verhaltensstudie ist es, die Wirkung von pallidaler THS auf die kognitiven und kinematischen Aspekte automatischer und kontrollierter Bewegungen bei Dystonie zu untersuchen. Darüber hinaus wollen wir die Rolle des GPi als Hauptausgangsstation der Basalganglien (BG) in den verschiedenen Bewegungsphasen (Initiierung und Ausführung) untersuchen und mehr Einblick in die Pathophysiologie der Dystonie gewinnen. 16 Patienten mit Dystonie, die sich einer pallidalen Tiefen Hirnstimulation unterzogen, und 16 altersentsprechende gesunde Kontrollpersonen nahmen an einer visuomotorischen Aufgabe teil, die normale (automatische) und invertierte (kontrollierte) Reichweitenbewegungen erforderte. Wir fanden heraus, dass GPi-THS die proaktive Hemmung nicht beeinflusst und keinen sofortigen Einfluss auf die Reaktionszeit in automatischen und kontrollierten Zuständen hat. Im kontrollierten Zustand kann GPi-THS den durchschnittlichen Fehler verringern und die Bewegungseffizienz verbessern. Jedoch beeinflusst GPi-THS die Effizienz der automatischen Bewegungsleistung negativ. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass GPi-THS seine Wirkung durch Störung des Ausgangssignals des GPi ausüben kann. Darüber hinaus zeigte diese Studie, dass GPi-THS im automatischen Zustand eine Bradykinesie induziert, die durch Verringern der Spitzengeschwindigkeit quantifiziert wird, was eine häufige klinische Nebenwirkung von GPi-THS bei Dystonie ist.