Connectomic targets for Deep Brain Stimulation

Abstract

Deep brain stimulation (DBS), a highly effective and well-established treatment option for movement disorders, is now also used to treat psychiatric disorders, such as obsessive-compulsive disorder (OCD) or major depression. A variety of surgical targets for DBS have been proposed not only for different diseases but also for the same disease. However, different targets may potentially lie within the same brain network or even alongside the same fiber bundle which is responsible for clinical improvement. Within the scope of this study, we hence investigated whether different stimulation sites would modulate one common tract target mediating beneficial OCD outcome. Specifically, four cohorts of OCD patients that underwent DBS to either the anterior limb of the internal capsule (ALIC) or the subthalamic nucleus (STN) were analyzed using a connectomic approach. Fiber tracts that were associated with clinical improvement – based on the Yale-Brown Obsessive-Compulsive Scale (Y-BOCS) – were isolated, assigned with predictive values and visualized. The same fronto-subcortical fiber tract that was positively discriminative of good clinical outcome emerged for both target-specific cohorts. Moreover, the tract derived from data of the ALIC-cohort was predictive of clinical improvement in the STN-cohort and vice versa. The results suggest that modulating a specific fronto-subthalamic fiber bundle may represent an important unifying substrate for improving global obsessive-compulsive behavior in OCD across different stimulation sites. In synergy, the study advances the concept of connectomic deep brain stimulation above and beyond OCD, showing for the first time that a connectivity-derived model could potentially facilitate defining the connectomic target for DBS.

Die Tiefe Hirnstimulation (DBS), eine hochwirksame und etablierte Behandlungsoption bei Bewegungsstörungen, wird mittlerweile auch bei psychiatrischen Erkrankungen wie Zwangsstörungen (OCD) oder schweren Depressionen eingesetzt. Mehrere chirurgische Ziele für die DBS existieren nicht nur für verschiedene Krankheiten, sondern teilweise auch für dieselbe Krankheit. Möglicherweise liegen jedoch unterschiedliche Ziele innerhalb eines selben Gehirnnetzwerks oder sogar innerhalb desselben Faserbündels, welches für die klinische Verbesserung verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Studie untersuchten wir daher, ob verschiedene Stimulationsorte einen gemeinsamen Trakt modulieren, welcher ein vorteilhaftes klinisches OCD-Ergebnis vermittelt. Konkret wurden vier Kohorten von Patienten mit einer Zwangsstörung, bei welchen die Implantation einer DBS entweder an dem vorderen Teil der Capsula interna (ALIC) oder am Nucleus subthalamicus (STN) durchgeführt wurde, unter Benutzung eines strukturellen Konnektoms analysiert. Fasertrakte, die mit einer klinischen Verbesserung assoziiert waren – basierend auf der Yale-Brown Obsessive-Compulsive Scale (Y-BOCS) – wurden isoliert, mit prädiktiven Werten belegt und visualisiert. Für beide zielspezifische Kohorten trat der gleiche fronto-subkortikale Fasertrakt auf, der mit einem guten klinischen Ergebnis assoziiert war. Darüber hinaus war der aus den Daten der ALIC-Kohorte abgeleitete Trakt prädiktiv für eine klinische Verbesserung in der STN-Kohorte und umgekehrt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Modulation eines spezifischen fronto-subthalamischen Faserbündels ein wichtiges verbindendes Substrat zur Verbesserung des Zwangsverhaltens bei Zwangsstörungen über verschiedene Stimulationsorte hinweg darstellen kann. In Synergie entwickelt diese Studie das Konzept der konnektomischen Tiefenhirnstimulation über die Zwangsstörung hinaus und zeigt erstmalig, dass ein von der Konnektivität abgeleitetes Modell möglicherweise die Definition eines konnektomischen Ziels für die DBS erleichtern könnte.