Evoked Resonant Neural Activity Supports Physiology-Guided Asleep Deep Brain Stimulation

Seit Jahrzehnten behandeln Ärzte das schwere Parkinson-Syndrom, indem sie winzige Elektroden tief im Gehirn implantieren. Diese Geräte liefern elektrische Impulse an spezifische, mikroskopisch kleine Regionen, die die Bewegung steuern, und beruhigen effektiv die chaotischen Signale, die Zittern und Steifheit verursachen. Um diese Drähte korrekt zu platzieren, verlassen sich Chirurgen traditionell auf eine Kombination aus Gehirnscans und der eigenen Gehirnaktivität des Patienten. Bei einem Standardverfahren bleibt der Patient währenddessen wach, während der Chirurg verschiedene Stellen testet; wenn die Elektrode am richtigen Ort ist, hört das Zittern des Patienten auf und die elektrischen Signale des Gehirns zeigen ein deutliches, rhythmisches Muster. Es ist jedoch schwierig, einen Patienten stundenlang ruhig und kooperativ zu halten, und viele Menschen sind zu ängstlich oder zu gebrechlich, um dies zu ertragen. Dies hat zu einem Anstieg von „Schlaf-Operationen“ geführt, bei denen die Patienten unter Vollnarkose stehen. Das Problem dabei ist, dass die Anästhesie wie eine schwere Decke auf dem Gehirn wirkt und die sehr elektrischen Rhythmen verstummen lässt, die Chirurgen zur Orientierung nutzen. Ohne diese natürlichen Signale sind die Ärzte allein auf statische Bilder angewiesen, die das präzise, bewegliche Ziel innerhalb des motorischen Schaltkreises manchmal verfehlen können.

Ein Forscherteam der Mayo Clinic, des Baylor College of Medicine und der University of Houston setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem es eine andere Art von Signal testete. Anstatt darauf zu warten, dass das Gehirn von selbst spricht, fragten sie, ob sie das Gehirn dazu bringen könnten, zurückzusprechen. Sie konzentrierten sich auf ein Phänomen namens evozierte resonante neuronale Aktivität, oder ERNA. Dies ist kein spontaner Rhythmus, sondern eine Reaktion, die auftritt, wenn die Elektrode einen kleinen, kontrollierten elektrischen Impuls aussendet und die Gehirnschaltkreise mit einem spezifischen, messbaren Echo antworten. Die Forscher wollten wissen, ob dieses Echo auch dann klar und nützlich bleibt, wenn der Patient schläft und seine natürlichen Gehirnwellen durch die Anästhesie unterdrückt werden. Sie untersuchten 45 Patienten mit Parkinson-Syndrom, die sich einer Operation zur Platzierung von Elektroden in zwei verschiedenen tiefen Hirnzielen unterzogen: dem Nucleus subthalamicus und dem Globus pallidus internus. Diese Zielgebiete sind kleine, dicht gepackte Strukturen, und das exakte motorische Territorium innerhalb dieser Gebiete zu finden, ist wie die Suche nach einem bestimmten Raum in einem überfüllten Haus, ohne die Menschen darin hören zu können.

Das Team zeichnete die elektrische Aktivität von den Elektroden sowohl im wachen als auch im anästhetisierten Zustand auf. Wie erwartet stellten sie fest, dass unter Vollnarkose die natürlichen, spontanen Rhythmen, die normalerweise die Operation leiten, sehr schwach und schwer detektierbar wurden. Das eigene Geplapper des Gehirns wurde effektiv verstummt. Als die Forscher jedoch ihre elektrischen Impulse an das Gehirn sendeten, war die Reaktion anders. Obwohl die Stärke des Echos unter Anästhesie etwas schwächer war, verschwand sie nicht. Indem sie die Stärke des elektrischen Impulses nur ein wenig erhöhten, konnten sie das Signal wieder auf ein lautes, klares Niveau bringen. Entscheidend war, dass sich der Ort dieses stärksten Echos nicht änderte. Ob der Patient nun wach oder schlafend war, der Elektrodenkontakt, der die größte Reaktion aufnahm, war immer derselbe. Dies deutet darauf wir, dass die Schaltkreise des Gehirns immer noch auf eine vorhersehbare Weise reagieren, selbst wenn der Patient bewusstlos ist.

Die Forscher überprüften dann, ob dieses Echo auf den richtigen Ort hindeutete. Sie verglichen den Ort des stärksten ERNA-Signals mit den Orten, an denen die natürlichen Rhythmen bei wachen Patienten am stärksten waren, sowie mit den bekannten anatomischen Karten des Gehirns. Sie fanden heraus, dass das Echo konsistent in denselben motorischen Territorien auftrat, die als beste Ziele für die Behandlung bekannt sind. Tatsächlich blieb das Signal unter Anästhesie so präzise, dass es das korrekte Ziel besser identifizierte als die natürlichen Rhythmen es im Schlaf taten. Die Studie untersuchte auch den langfristigen Erfolg der Operation. Sie fanden heraus, dass die Elektrodenkontakte, die während der Operation das stärkste Echo erzeugten, dieselben Kontakte waren, die den Ärzten später die beste Linderung der Symptome und den weitesten Bereich sicherer Einstellungen ermöglichten. Diese Verbindung zwischen der Stärke des Echos und dem klinischen Nutzen erwies sich sowohl für die wache als auch für die schlafende Gruppe als gültig.

Ein bemerkenswertes Detail ergab sich bezüglich der Natur des Signals selbst. Während der Ort und die Stärke des Echos zuverlässig waren, verlangsamte sich die Geschwindigkeit der Reaktion unter Anästhesie leicht. Die Forscher interpretieren dies als ein Zeichen dafür, dass die Anästhesie die zeitliche Abstimmung der neuronalen Schleifen beeinflusst, wodurch der Schaltkreis etwas langsamer reagiert, aber die Verbindung nicht unterbricht. Dieser Befund ist wichtig, da er bestätigt, dass das Signal immer noch aus demselben Netzwerk stammt, nur eben mit einem anderen Tempo arbeitet. Die Studie behauptete nicht, dass diese Methode einen perfekten Ersatz für alle anderen Techniken darstellt, noch bewies sie, dass die Verwendung dieses Signals allein ein besseres Ergebnis für jeden Patienten garantiert. Stattdessen legen die Ergebnisse nahe, dass diese evozierte Reaktion ein robustes Werkzeug ist, das die Lücke füllen kann, die durch die Anästhesie entsteht. Sie bietet eine Möglichkeit, die Verifizierung der korrekten Platzierung der Elektrode mithilfe der eigenen funktionellen Antwort des Gehirns vorzunehmen, anstatt sich nur auf dessen Form in einem Scan zu verlassen.

Die Implikationen dieser Arbeit sind praktisch für die Zukunft der Neurochirurgie. Wenn Chirurgen sich auf dieses evozierte Signal verlassen können, können sie möglicherweise mehr Eingriffe durchführen, während die Patienten schlafen, was den Stress und das Risiko reduziert, die mit dem Wachbleiben während einer so heiklen Operation verbunden sind. Es bietet auch eine Möglichkeit, die Platzierung der Elektrode vor Abschluss der Operation doppelt zu überprüfen, um sicherzustellen, dass das Gerät positioniert ist, um die motorischen Schaltkreise effektiv zu aktivieren. Die Forscher betonen, dass dieser Ansatz dazu gedacht ist, neben der modernen Bildgebung zu arbeiten, und nicht dazu, diese zu ersetzen. Indem sie eine Ebene funktioneller Informationen zur anatomischen Karte hinzufügen, können Ärzte ein klareres Bild davon gewinnen, was das Gehirn im Moment der Implantation tatsächlich tut. Während weitere Studien erforderlich sind, um zu bestätigen, dass diese Methode die Patientenergebnisse langfristig verbessert, bieten die aktuellen Ergebnisse eine starke Grundlage für die Nutzung des eigenen Echos des Gehirns, um den Weg zu einer besseren Behandlung zu weisen.