Konnektivitätsanalyse zur Tiefen Hirnstimulation im Nucleus subthalamicus und Globus pallidus internus beim idiopathischen Parkinson-Syndrom

Abstract

Die tiefe Hirnstimulation (THS) ist für Patient*innen mit fortgeschrittenem idiopathischen Parkinson-Syndroms (IPS) eine etablierte Therapieoption, um Kardinalsymptome des IPS sowie dopamin-induzierte Dyskinesien und Symptomfluktuationen zu verringern. Anatomische Zielstrukturen für eine Implantation der Elektroden sind der subthalamische Nucleus (STN) und der Globus Pallidus internus (GPi). Die Effektivität und der detaillierte Wirkmechanismus der THS in diesen beiden Kerngebieten ist nicht abschließend geklärt. Eine eindeutige Präferenz hinsichtlich des Zielgebiets konnte trotz mehrere randomisierter Doppelblind-Studien nicht ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, anhand von Konnektivitätsanalysen die Wirksamkeit der THS in zwei Kohorten von 94 Patient*innen mit einer STN- Stimulation einerseits und bei 28 Patient*innen mit einer GPi-Stimulation andererseits retrospektiv zu vergleichen. Pro Patient*in wurden je zwei Elektroden in entweder das bilaterale STN- oder das GPi- Zielgebiet implantiert. Die Hypothese ist der Nachweis eines gemeinsamen funktionel-len Netzwerks, welches durch die THS unterschiedlicher Kerngebiete moduliert wird. Durch den Vergleich der prä- und postoperativen Bildgebung wurde zunächst die Lokalisation jedes Elektrodenpaars rekonstruiert. Die protokollierten Stimulationsparameter wurden genutzt, um Stimulationsvolumina zu berechnen. Anhand eines funktionellen Konnektoms wurde schließlich in sämtlichen Patient*innen das funktionelle Verbindungsprofil dieser bilateralen Stimulationsvolumina berechnet. Dann wurde der klinische THS-Effekt mit Werten dieser Verbindungskarten korreliert und für beide Kohorten ein Netzwerk errechnet, welches den optimalen therapeutischem Nutzen abbildete. Im direkten Vergleich waren diese zwei Netzwerke in so hohem Maße kongruent, dass der tatsächliche THS-Effekt einer einzelnen Stimulation durch die Ähnlichkeit des Konnektivitätsmusters zu der jeweils anderen Kohorte zu beschreiben war (R= 0.37, p< 0.001; R= 0.34, p= 0.032). In einer zweiten Analyse wurden ausschließlich kongruent überlagerte Werte der GPi-Netzwerkkarte und STN-Netzwerkkarte zu einer zielstrukturunabhängigen Karte verbunden. Diese Karte, die somit ein gemeinsames neuronales Netzwerk der beiden unterschiedlichen Zielstrukturen abbildete, wurde erneut mit den einzelnen Verbindungskarten der jeweiligen Kohorte korreliert. Diese nun von einzelnen Zielorten losgelöste Netzwerkkarte beschrieb die Varianz der Daten robuster als beide zielortabhängigen Netzwerkkarten. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme eines gemeinsamen funktionellen Netzwerks bei optimaler THS im IPS, unabhängig vom genauen anatomischen Stimulationsort. Die vorliegende Arbeit stellt unseres Wissens die erste Beschreibung eines zielortunabhängigen funktionellen Netzwerks dar, dessen Kenntnis zum Verständnis und für weitere Untersuchungen von THS sowie für nichtinvasive Neuromodulation von Nutzen ist.

Deep brain stimulation (THS) is an established procedure for advanced idiopathic Parkinson's disease (IPS) patients to control dopamine induced dyskinesias and symptom fluctuations. Anatomical targets for surgical implantation of electrodes are the subthalamic nucleus (STN) and globus pallidus internus (GPi). However, equal effectiveness in these two nuclei has not been conclusively discussed, a categorically superior target lacks despite numerous studies. This study retrospectively compares effective THS in two cohorts of 94 patients with STN and 28 patients with GPi stimulation using connectivity analyses. The hypothesis was the existence of a common functional network modulated by THS of different areas. By merging pre- and postoperative imaging, the localization of each electrode was first reconstructed and corresponding areas were identified using a functional connectome to generate individual maps, thus containing the functional network fingerprints of each stimulation. In a next step, the therapeutic THS effect was correlated voxel-wise with values of the network maps, generating maps for both cohorts, each representing the network associated with an optimal therapeutic outcome of the patients upon stimulation. When contrasted, the two networks resembled each other to such an extent that the actual THS effect of a single stimulation could be described using the other cohort (R= 0.37, p< 0.001; R= 0.34, p= 0.032). In a second analysis, exclusively congruent overlaid values of the GPi network and STN network maps were fused into one map. This map, representing a common identified brain network of the two different target structures was now compared with the individual network maps of each cohort. Crucially, correlations of individual stimuli to the optimal connectivity from a common STN and GPi network were shown to be more robust than to their own cohort map alone. These results support the assumption of a shared functional network at optimal THS in the IPS, independent of stimulation location. Present work represents the first description of a target independent functional network in IPS. The description of this network could contribute to the fundamental understanding of the effects of THS and provide new impulses for noninvasive applications including transcranial magnetic stimulation or transcranial direct current stimulation.