Hintergrund: Das idiopathische Parkinsonsyndrom (IPS) wird zunehmend als Netzwerkerkrankung mit gestörter oszillatorischer Aktivität in der Kortex-Basalganglien- Schleife verstanden. Untersuchungen an Patienten mit IPS, die mittels Tiefer Hirnstimulation behandelt werden, zeigten in den lokalen Feldpotentialen (LFPs) im kortiko-basalganglionären Netzwerk gesteigerte Aktivität im Beta-Frequenzbereich, sog. Beta-Oszillationen. Neuere Studien legen einen Zusammenhang von Beta-Oszillationen und Akinese nahe, der jedoch durch tierexperimentelle Studien mit akuter Dopamindepletion ohne gesteigerte Beta-Oszillationen in Frage gestellt wird. Zu den wichtigsten therapeutischen Pharmaka, Levodopa und Dopaminagonisten, besteht die Hypothese, dass diese neben ihrem klinisch unterschiedlichen Wirkprofil auch verschiedene Effekte auf die oszillatorische Netzwerkaktivität in primärem Motorkortex und Basalganglien haben. Methodik: Es erfolgte die Etablierung einer Methode zur simultanen extrazellulären elektrophysiologischen Ableitung aus primärem Motorkortex, Nucleus subthalamicus und Substantia nigra pars reticulata in IPS-Tiermodellen der Ratte. Dabei wurden LFPs und Multi-Unit-Aktivität (MUA) in Urethan-Narkose registriert. Neben motorischen Verhaltensuntersuchungen wurde die oszillatorische Netzwerkaktivität im akuten Reserpin-Modell und chronischen 6-Hydroxydopamin-Modell (6-OHDA) vergleichend analysiert, ebenso wurde die Modulation dieser Oszillationen durch aufsteigende Dosen Apomorphin als Dopaminagonisten und Levodopa im 6-OHDA-Modell betrachtet. Ergebnisse: Die Reserpin- und 6-OHDA-Behandlung führten zu erheblicher Akinese. Mit einem neu entwickelten experimentellen Ansatz war es möglich, LFPs und MUA simultan aus mehreren Strukturen eines neuronalen Netzwerks in vivo abzuleiten. Erhöhte Beta- Oszillationen konnten in den Basalganglien beider Parkinson-Modelle nachgewiesen werden, aber nur das 6-OHDA-Modell zeigte eine Beteiligung des primären Motorkortex. Levodopa unterdrückte gesteigerte Beta-Oszillationen im 6-OHDA-Modell effektiver als Apomorphin, auch steigerte es bewegungsfördernde Gamma-Oszillationen stärker. Schlussfolgerung: Gesteigerte Beta-Synchronität kam in zwei Parkinson-Modellen mit akutem oder langsam-progredientem Dopaminmangel vor. Dies unterstützt die Hypothese, dass erhöhte Beta-Oszillationen und Akinese unabhängig von der zeitlichen Entwicklung eines Dopamindefizits pathophysiologisch zusammenhängen und hebt deren Bedeutung als Biomarker für die adaptive Tiefe Hirnstimulation hervor. Die unterschiedliche Wirkung auf Beta- und Gamma-Oszillationen von Levodopa und Apomorphin könnte für ihr unterschiedliches Wirk- und Nebenwirkungsprofil verantwortlich sein.
Background: Recent studies refer to Parkinson’s Disease (PD) as a network disorder with disturbed oscillatory activity in the cortico-basal ganglia loop. Clinical trials in patients with PD treated with Deep Brain Stimulation have shown exaggerated beta synchrony in the local field potentials (LFPs) of the cortico-basal ganglia network, so called beta oscillations. New correlative evidence suggests beta oscillations may be pathophysiologically linked to akinesia, which is questioned by animal studies with acute dopamine depletion not showing such elevated beta oscillations. The hypothesis has been formulated that the most important anti-parkinsonian drugs, Levodopa and dopamine antagonists, differ not only in their clinical potency and side effects, but also have differential effects on network oscillations. Methods: A new approach to simultaneously record extracellular potentials from primary motor cortex, subthalamic nucleus and substantia nigra pars reticulata was used to investigate animal models of PD in the rat. Local field potentials (LFPs) and multi-unit activity (MUA) were registered in urethane anesthesia. Motor outcome was assessed and oscillatory network activity was compared in the acute reserpine and the chronic 6- hydroxydopamine (6-OHDA) model, and the modulation of these oscillations with increasing doses of apomorphine as dopamine antagonist and levodopa was analyzed. Results: Both the reserpine and 6-OHDA model showed substantial akinesia. Simultaneous electrophysiological recordings of LFPs and MUA from different network structures in vivo were feasible with the newly developed approach. Exaggerated beta oscillations could be observed in both models, but only the 6-OHDA model showed involvement of the primary motor cortex. Levodopa suppressed beta oscillations and enhanced gamma-oscillations in the 6-OHDA model more effectively than apomorphine. Conclusion: Increased beta synchrony was found in models of PD with either acute or long-term dopaminergic deficit. This finding supports the hypothesis of enhanced beta oscillations being pathophysiologically linked to akinesia irrespective of the time course of dopamine depletion, thus underlining their significance as a potential biomarker for adaptive deep brain stimulation. The different impact of levodopa and apomorphine on beta- and gamma oscillations could be causative to their differing profile of clinical effects and side effects.
