Cortical and Subthalamic Dynamics Associated with Distinct Gait Domains in Parkinson’s Disease

Lopen is een prestatie van het lichaam die de meeste van ons als vanzelfsprekend beschouwen, een naadloze stroom van stappen die vereist dat de hersenen tientallen spieren in een perfect ritme coördineren. Voor mensen met de ziekte van Parkinson valt dit automatische proces vaak uit elkaar. De ziekte kan ervoor zorgen dat lopen traag, slepend en onvast wordt, wat leidt tot een hoog risico op vallen en een verlies van onafhankelijkheid. Hoewel medicatie en diepe hersenstimulatie veel symptomen kunnen helpen, falen ze vaak in het volledig oplossen van loopproblemen. Dit komt omdat de manier waarop het lopen faalt voor iedere persoon anders is; de één heeft misschien moeite met balans, een ander met het ritme van de stappen, en weer een ander met de symmetrie tussen het linker- en rechterbeen. Om deze problemen met precisie op te lossen, moeten artsen precies begrijpen welk deel van het looppatroon defect is en, nog belangrijker, wat de hersenen doen wanneer dat specifieke deel faalt.

Onderzoekers weten al lang dat de hersenen elektrische signalen naar de hersenen sturen om beweging te controleren, en bij Parkinson zijn deze signalen vaak uit de pas. Het is echter onduidelijk geweest hoe specifieke loopproblemen in kaart worden gebracht op deze elektrische signalen. Een nieuwe studie van een team van ETH Zürich en het Universiteitsziekenhuis Zürich heeft als doel dit puzzelstukje op te lossen. Door mensen in een laboratorium te laten lopen terwijl hun hersenactiviteit werd geregistreerd, probeerden de onderzoekers een directe link te vinden tussen de manier waarop iemand loopt en de elektrische activiteit in de hersenen. Hun doel was om specifieke hersensignalen te identificeren die als waarschuwingssysteem kunnen dienen, die een toekomstige behandeling precies vertellen wanneer en hoe de stimulatie moet worden aangepast om iemand beter te laten lopen.

De studie betrof tien mensen met de ziekte van Parkinson die al implantaten hadden ontvangen voor diepe hersenstimulatie, een behandeling die elektrische pulsen naar een diep deel van de hersenen stuurt, de subthalamische nucleus, om de beweging te helpen controleren. Het team rekruteerde ook tien gezonde mensen van een vergelijkbare leeftijd om als controlegroep te dienen. De deelnemers liepen zes minuten lang over een figuur-acht-pad op de vloer. Terwijl ze liepen, gebruikten de onderzoekers een 3D- camerasysteem om elke beweging met hoge precisie te volgen, waarbij zaken werden gemeten zoals de lengte van hun stappen, de variatie in hun snelheid en de mate waarin hun armen en benen samen bewogen. Tegelijkertijd registreerden de onderzoekers de elektrische activiteit vanaf het oppervlak van de hoofden van de deelnemers met een mobiele EEG-kap, en voor de patiënten registreerden ze ook elektrische signalen rechtstreeks van het geïmplanteerde apparaat in de hersenen.

De onderzoekers keken eerst naar de loopgegevens om te zien of ze de patiënten konden groeperen op basis van hoe hun lopen vergeleken werd met de gezonde groep. Ze ontdekten dat, hoewel alle patiënten hun medicatie innamen en hun hersenstimulatie aanstonden, hun looppatronen zeer verschillend waren van elkaar. Met behulp van een computer analyseerden ze zevenendertig verschillende metingen van het lopen en scheidden ze de patiënten in twee groepen. De ene groep liep op een manier die zeer vergelijkbaar was met de gezonde mensen, terwijl de andere groep liep op een manier die quite anders was. Interessant genoeg vonden de onderzoekers, toen ze naar de standaard medische scores keken die artsen gebruiken om Parkinson-symptomen te beoordelen, geen verschil tussen deze twee groepen. De patiënten die heel anders liepen dan gezonde mensen, zagen er op een standaard klinisch onderzoek niet slechter uit dan de patiënten die meer als gezonde mensen liepen. Dit suggereert dat de standaardtests subtiele maar belangrijke verschillen in hoe mensen lopen, kunnen missen.

Toen het team dieper in de specifieke aspecten van het lopen keek, ontdekten ze dat de groep met de meer ongebruikelijke looppatronen het meest moeite had met asymmetrie, wat betekent dat hun linker- en rechterkant niet goed met elkaar overeenkwamen. Ze hadden ook problemen met de coördinatie tussen de ledematen, en hun stappen waren veel variabeler, wat betekent dat de ene stap vaak heel anders was dan de volgende. Deze verschillen in loopstijl waren duidelijk en consistent, zelfs terwijl de standaard medische scores er niet in slaagden ze op te merken.

Vervolgens probeerden de onderzoekers deze looppatronen te verbinden met de elektrische signalen in de hersenen. Ze concentreerden zich op specifieke momenten in de loopcyclus, met name de "zwaaifase", de fase waarin één been wordt opgetild en naar voren beweegt terwijl het andere het lichaam ondersteunt. Ze vonden een duidelijke verbinding tussen de mate van variatie in de stappen van een persoon en de elektrische activiteit in de hersenen tijdens deze zwaaifase. Specifiek, wanneer de stappen van een persoon minder consistent waren, vertoonden de hersenen hogere niveaus van een snel elektrisch ritme, bekend als laag-gamma-activiteit, in het gebied van de hersenen dat het been controleert dat naar voren beweegt. Dit was de enige link tussen een specifiek loopprobleem en een specifiek hersensignaal die sterk bleef nadat de onderzoekers rekening hadden gehouden met de vele verschillende vergelijkingen die zij maakten.

De studie keek ook naar de signalen die afkomstig waren van het diepe hersenimplant. De onderzoekers vonden enkele aanwijzingen dat de hersenactiviteit in dit diepere gebied ook zou kunnen veranderen wanneer de looppatronen anders zijn, maar deze bevindingen waren niet zo sterk en duidelijk als die van het oppervlak van de hersenen. Omdat de groep mensen in de studie klein was, zijn de onderzoekers voorzichtig met de opmerking dat deze diepere hersenbevindingen nog slechts ideeën zijn die opnieuw getest moeten worden in een grotere groep mensen. Echter, de link tussen stapvariabiliteit en het snelle elektrische ritme op het oppervlak van de hersenen was robuust genoeg om als een sterke kandidaat voor toekomstig gebruik te worden beschouwd.

Deze ontdekking is significant omdat het wijst op een manier om diepe hersenstimulatie slimmer te maken. Momenteel leveren deze implantaten een constante stroom elektrische pulsen. Als artsen de elektrische signalen van de hersenen zelf zouden kunnen gebruiken om te detecteren wanneer de stappen van een persoon instabieler worden, zou het implantaat de stimulatie in realtime kunnen aanpassen om het lopen te helpen stabiliseren. De onderzoekers suggereren dat het snelle elektrische ritme dat ze vonden, als een signaal kan dienen om het apparaat te vertellen dat de persoon moeite heeft met de consistentie van de stappen. Hoewel deze studie niet bewijst dat een dergelijk systeem bij alle patiënten zal werken, biedt het een duidelijk doelwit voor de volgende generatie behandelingen. Door de specifieke manier waarop iemand loopt te koppelen aan de specifieke elektrische signalen in hun hersenen, komen wetenschappers dichter bij een toekomst waarin behandelingen voor Parkinson kunnen worden afgestemd op de unieke loopstijl van elk individu, wat potentieel een gevoel van stabiliteit en veiligheid in hun dagelijks leven kan herstellen.