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

Decennialang hebben artsen de ernstige vorm van de ziekte van Parkinson behandeld door minuscule elektroden diep in de hersenen te implanteren. Deze apparaten leveren elektrische pulsen af aan specifieke, microscopische regio's die beweging aansturen, wat effectief de chaotische signalen die trillingen en stijfheid veroorzaken, tot bedaren brengt. Om deze draden correct te plaatsen, vertrouwen chirurgen traditioneel op een combinatie van hersenscans en de eigen hersenactiviteit van de patiënt. In een standaardprocedure blijft de patiënt wakker terwijl de chirurg verschillende punten test; als de elektrode op de juiste plek zit, stopt de tremor van de patiënt en vertonen de elektrische signalen van de hersenen een duidelijk, ritmisch patroon. Het is echter moeilijk om een patiënt urenlang stil en coöperatief te houden, en veel mensen zijn te angstig of te kwetsbaar om dit te kunnen verdragen. Dit heeft geleid tot een toename van "slaapoperaties", waarbij patiënten onder algehele anesthesie zijn. Het probleem is dat anesthesie werkt als een zware deken op de hersenen, waardoor de zeer elektrische ritmes die chirurgen gebruiken om hun weg te vinden, worden verstomd. Zonder deze natuurlijke signalen moeten artsen uitsluitend vertrouwen op statische beelden, die soms het precieze, bewegende doelwit van het motorische circuit kunnen missen.

Een team van onderzoekers van de Mayo Clinic, Baylor College of Medicine en de University of Houston zette zich af om dit probleem op te lossen door een ander soort signaal te testen. In plaats van te wachten tot de hersenen uit zichzelf spreken, vroegen zij of ze de hersenen konden laten terugpraten. Ze richtten zich op een fenomeen genaamd geëvoceerde resonante neurale activiteit, of ERNA. Dit is geen spontaan ritme, maar een respons die optreedt wanneer de elektrode een kleine, gecontroleerde elektrische puls stuurt en de hersencircuitie antwoordt met een specifieke, meetbare echo. De onderzoekers wilden weten of deze echo helder en bruikbaar blijft, zelfs wanneer de patiënt slaapt en de natuurlijke hersengolven worden onderdrukt door anesthesie. Ze bestudeerden 45 patiënten met Parkinson die een operatie ondergingen om elektroden te plaatsen in twee verschillende diepe hersendoelwitten: de subthalamische nucleus en de globus pallidus internus. Deze doelwitten zijn kleine, dicht opeengepakte structuren, en het vinden van het exacte motorische gebied binnen hen is als het zoeken naar een specifieke kamer in een druk huis zonder de mensen binnen te kunnen horen.

Het team registreerde de elektrische activiteit van de elektroden in zowel de wakkere als de onder anesthesie gebrachte staat. Zoals verwacht merkten zij op dat onder algehele anesthesie de natuurlijke, spontane ritmes die normaal gesproken de operatie begeleiden, erg zwak en moeilijk te detecteren werden. Het eigen geklets van de hersenen werd effectief verstomd. Echter, toen de onderzoekers hun elektrische pulsen naar de hersenen stuurden, was de respons anders. Hoewel de sterkte van de echo onder anesthesie iets zwakker was, verdween deze niet. Door de sterkte van de elektrische puls slechts een klein beetje te verhogen, konden zij het signaal herstellen tot een luid, helder niveau. Cruciaal was dat de locatie van deze sterkste echo niet veranderde. Of de patiënt nu wakker was of sliep, het elektrodecontact dat de grootste respons oppikte, was altijd hetzelfde contact. Dit suggereert dat de hersencircuitie nog steeds op een voorspelbare manier reageert, zelfs wanneer de patiënt bewusteloos is.

De onderzoekers controleerden vervolgens of deze echo naar de juiste plek wees. Ze vergeleken de locatie van het sterkste ERNA-signaal met de locaties waar de natuurlijke ritmes het sterkst waren bij wakkere patiënten, en met de bekende anatomische kaarten van de hersenen. Ze vonden dat de echo consequent verscheen in dezelfde motorische territoria die bekend staan als de beste doelwitten voor de behandeling. Sterker nog, het signaal bleef onder anesthesie zo precies dat het zelfs beter was in het identificeren van het juiste doelwit dan de natuurlijke ritmes dat deden wanneer de patiënt sliep. De studie keek ook naar het succes op lange termijn van de operatie. Ze ontdekten dat de elektrodecontacten die tijdens de operatie de sterkste echo produceerden, dezelfde contacten waren die artsen later programmeerden om de patiënten de beste verlichting en de breedste reeks veilige instellingen te geven. Deze link tussen de sterkte van de echo en het klinische voordeel bleef standhouden voor zowel de wakkere als de slapende groep.

Een opvallend detail kwam naar voren met betrekking tot de aard van het signaal zelf. Hoewel de locatie en de sterkte van de echo betrouwbaar waren, vertraagde de snelheid van de respons licht onder anesthesie. De onderzoekers interpreteren dit als een teken dat de anesthesie de timing van de neurale lussen beïnvloedt, waardoor het circuit een beetje langzamer reageert, maar de verbinding niet verbreekt. Deze bevinding is belangrijk omdat het bevestigt dat het signaal nog steeds afkomstig is van hetzelfde netwerk, het opereert alleen op een ander tempo. De studie beweerde niet dat deze methode een perfecte vervanging is voor alle andere technieken, noch bewees het dat het gebruik van dit signaal alleen een betere uitkomst voor elke patiënt garandeert. In plaats daarvan suggereren de resultaten dat deze geëvoceerde respons een robuust instrument is dat de leemte kan opvullen die door anesthesie wordt achtergelaten. Het biedt een manier om te verifiëren dat de elektrode op de juiste plek zit door gebruik te maken van de eigen functionele respons van de hersenen, in plaats van alleen naar de vorm op een scan te kijken.

De implicaties van dit werk zijn praktisch voor de toekomst van de neurochirurgie. Als chirurgen op deze geëvoceerde signalen kunnen vertrouwen, kunnen zij mogelijk meer procedures uitvoeren terwijl patiënten slapen, wat de stress en de risico's die gepaard gaan met het wakker blijven tijdens een delicate operatie vermindert. Het biedt ook een manier om de plaatsing van de elektrode te controleren voordat de operatie is voltooid, om er zeker van te zijn dat het apparaat is gepositioneerd om de motorische circuits effectief te activeren. De onderzoekers benadrukken dat deze aanpak bedoeld is om naast moderne beeldvorming te werken, en niet om deze te vervangen. Door een laag van functionele informatie toe te voegen aan de anatomische kaart, kunnen artsen een duidelijker beeld krijgen van wat de hersenen daadwerkelijk doen op het moment van implantatie. Hoewel verdere studies nodig zijn om te bevestigen dat deze methode de resultaten voor patiënten op de lange termijn verbetert, bieden de huidige bevindingen een sterke basis voor het gebruik van de eigen echo van de hersenen om de weg naar een betere behandeling te wijzen.