Pathologische neuronale Oszillationen im Nucleus subthalamicus und deren Korrelation mit klinischen Symptomen bei Patienten mit Morbus Parkinson

Abstract

Einleitung: Die Tiefe Hirnstimulation (THS; Deep Brain Stimulation, DBS) ist eine seit Jahren etablierte Therapie des idiopathischen Parkinsonsyndroms (IPS), obwohl der Wirkmechanismus bisher nicht abschließend erklärt werden kann. Tiefenableitungen aus dem Nucleus subthalamicus (STN) bei IPS Patienten zeigen eine verstärkte oszillatorische Aktivität im Beta-Frequenzband (13-35 Hz), die durch dopaminerge Medikation und Tiefe Hirnstimulation (THS) unterdrückt wird, einhergehend mit einer Verbesserung der klinischen Symptome. Allerdings konnte bisher keine direkte Korrelation zwischen Beta-Ruheaktivität im OFF Zustand und den motorischen Symptomen gefunden werden. In vorherigen Studien konnte zwar indirekt ein Zusammenhang zwischen Beta-Aktivität und der Schwere des Krankheitsgrades durch relative Verbesserung der motorischen Symptome unter Medikation und parallele Abnahme der Beta-Aktivität nachgewiesen, jedoch kein direkter Zusammenhang zur OFF Symptomatik dargestellt werden. Methoden: In der hier vorliegenden Arbeit wurden bei 63 IPS-Patienten lokale Feldpotentiale (LFP) aus dem STN im medikamentösen OFF Zustand unter Ruhebedingungen bipolar von benachbarten Kontakten der THS-Elektroden abgeleitet. Powerspektren (Darstellung der Intensität der abgeleiteten Schwingungen der einzelnen Kanäle in Abhängigkeit von der Frequenz) wurden mittels Fast Fourier Transformation (FFT) für jedes Kontaktpaar als Prozent der Gesamt-Power zwischen 3–47 Hz und 53– 97 Hz errechnet. Die mittlere Power (3 Kontaktpaare pro Elektrode, beide Hemisphären) in einem breiten Beta-Band (8-35 Hz) wurde mit dem UPDRS III korreliert (bivariate zweiseitige Spearman Korrelation). Ergebnisse: Die Aktivität im Bereich von 8-35 Hz im medikamentösen OFF korreliert signifikant mit dem UPDRS III (Spearman’s ρ = 0.437, P <0.01). Bei den Untersuchungen von Subgruppen zeigte sich eine deutliche Korrelation zwischen der Aktivität von 8-35 Hz in Ruhe und dem UPDRS III der nicht- tremordominanten Gruppe (ρ = 0.417, P = 0.004, jedoch nicht für die Gruppe der tremordominanten Patienten (ρ = -0.21, P = 0.26). Diskussion: Hier zeigten wir erstmals eine direkte Korrelation der 8-35 Hz STN-Aktivität mit dem Ausmaß der motorischen Defizite bei IPS im OFF Zustand, was die potentielle Rolle der LFP-Aktivität als Biomarker für die closed-loop Stimulation, insbesondere für nicht- tremordominante Patienten, unterstützt.

Introduction: Deep brain stimulation (DBS) is a well-established therapy for patients with idiopathic Parkinson’s disease (PD) although its mechanisms of action are not entirely understood yet. In PD patients the commonly used target for DBS is the subthalamic nucleus (STN). DBS gives the unique opportunity to record neuronal activity from the target structures for stimulation. Over the last decade several studies have shown enhanced oscillatory activity in the beta band (13-35Hz) recorded from the STN in PD patients. This beta activity is suppressed by dopaminergic medication and DBS, accompanied by the improvement of the clinical symptoms. So far, no direct correlation of the beta activity at rest after withdrawal of dopaminergic medication and the motor symptoms of PD patients have been found. Earlier studies showed correlations between relative improvement in motor symptoms and modulation of STN beta activity with medication. Methods: This study explores the local field potential (LFP) activity recorded from the STN in 63 PD patients undergoing DBS. All recordings were obtained at least 12h after withdrawal of dopaminergic medication (OFF medication). The power spectra were analyzed as a percentage of the total power over a frequency range of 3-47 Hz and 53- 97 Hz by means of a Fast Fournier Transformation (FFT). The power-spectra of a broad beta frequency band (8-35 Hz) were correlated with the Unified Parkinson’s Disease Rating Scale Part III (UPDRS-III) in the OFF medication state. Further, subgroup analysis was performed for tremor-dominant patients and akinetic-rigid patients. Results: The activity in the range of 8-35 Hz and the total UPDRS-III at the OFFmedication state correlated significantly across all patients (Spearman’s ρ = 0.437, P< 0.01). Within the subgroups we showed a significant correlation between the 8-35Hz band power and the UPDRS III just within the group of bradykinetic-rigid patients (ρ = 0.417, P= 0.004), not for the tremor dominant group (ρ = -0.21, P = 0.26). Discussion: Our results showed a direct correlation between the local STN power between 8-35Hz and the motor impairment in bradykinetic-rigid PD patients. These results support the role of the subthalamic oscillatory activity as a potential biomarker for closed loop stimulation for Parkinson’s disease.