DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58825-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40234441
تاريخ النشر: 2025-04-15
المؤلف: Thomas S. Binns وآخرون
الموضوع الرئيسي: الاضطرابات العصبية والعلاجات
نظرة عامة
يعمل التحفيز العميق للدماغ (DBS) كعلاج تدخلّي يقوم بتعديل مسارات عصبية معينة لتخفيف الأعراض العصبية لدى المرضى الذين يعانون من اضطرابات الدماغ، وخاصة في مرض باركنسون (PD). تبحث هذه الدراسة في الآليات الكامنة وراء تأثيرات DBS والعلاجات الدوبامينية على شبكات القشرة-العقد القاعدية. من خلال دمج تسجيلات عصبية متعددة المواقع من المرضى الذين يخضعون لجراحة DBS مع التصوير بالرنين المغناطيسي القائم على الاتصال الكلي للدماغ، وجد الباحثون أنه بينما يؤثر كل من الدوبامين وDBS على نشاط السكان العصبيين المحليين، فإن لهما تأثيرات مميزة على المقياس المتوسط. ومن الجدير بالذكر أنه على المقياس الكلي، يحاكي DBS عمل الدوبامين من خلال قمع التزامن المفرط بين الشبكات الإقليمية المرتبط بمسارات القشرة-العقد القاعدية غير المباشرة والمباشرة المفرطة.
تسلط الأبحاث الضوء على الدور الحاسم للإمكانات الكهربائية المحلية (LFP) في فهم الفيزيولوجيا المرضية لمرض PD، حيث يكون التزامن المفرط في نطاق بيتا (12-30 هرتز) في النواة تحت المهاد (STN) سمة مميزة للحالة التي تعاني من نقص الدوبامين. كل من الأدوية الدوبامينية وSTN-DBS تقلل بشكل فعال من هذا التزامن. تؤكد الدراسة على أهمية التفاعلات بين القشرة والعقد القاعدية في التحكم الحركي، وخاصة مساهمات المسار غير المباشر متعدد المشابك والمسار المباشر أحادي المشبك. تعزز هذه النتائج من فهم الآليات الدائرية المعنية في علاجات الدوبامين وDBS، مما يمهد الطريق لتطوير استراتيجيات تحفيز عصبي مغلقة متقدمة لإدارة مرض PD.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تسجيل 21 مريضًا (17 ذكر) تم تشخيصهم بمرض باركنسون مجهول السبب (PD) الذين يظهرون نمط حركة أساسي خالي من الحركة-صلب في مركز شاريتيه – جامعة الطب في برلين لإجراءات التحفيز العميق للدماغ (DBS). تم زرع أقطاب DBS ثنائية الجانب في النواة تحت المهاد (STN)، وتم وضع شريط أقطاب كهربائية تحت القشرية أحادية الجانب لاستهداف منطقة مقبض اليد في القشرة الحركية الأولية. لم تأخذ الدراسة في الاعتبار الجنس بسبب حجم العينة المحدود.
خضع المشاركون لجلسات راحة تحت حالتين: أثناء تناولهم للأدوية الدوبامينية الموصوفة (ON ليفودوبا) وبعد مرور 12 ساعة على الأقل بدون أدوية (OFF العلاج). شارك ثمانية عشر شخصًا في كلا الحالتين، بينما تم تسجيل اثني عشر شخصًا إضافيًا خلال العلاج OFF مع تحفيز STN-DBS عالي التردد المتزامن (ON STN-DBS). تم تحسين معلمات التحفيز بناءً على المراجعات السريرية، حيث تم تطبيق DBS عند 130 هرتز وعرض نبضة 60 ميكروثانية، بمتوسط 2.4 ± 0.1 مللي أمبير عبر المشاركين. ومن الجدير بالذكر أن درجات UPDRS-III بعد 12 شهرًا من الزرع أظهرت تحسنًا كبيرًا، حيث كانت الدرجات 47.0 ± 3.8 أثناء العلاج OFF و24.0 ± 4.4 أثناء ON STN-DBS للخمسة المشاركين الذين تم تسجيلهم تحت كلا الحالتين.
النتائج
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في تأثير الدوبامين والتعديل العصبي على التواصل بين القشرة والعقد القاعدية لدى 21 مريضًا بمرض باركنسون (PD) يخضعون لتحفيز عميق للدماغ (DBS) في النواة تحت المهاد (STN). تم إجراء تسجيلات كهربائية فسيولوجية غازية باستخدام تخطيط كهربائية القشرة أحادية الجانب (ECoG) وإمكانات كهربائية محلية (LFP) من STN، مما سمح بتوصيف منهجي لتأثيرات الأدوية الدوبامينية (ليفودوبا) وSTN-DBS على التواصل القشري-العقد القاعدية. شمل التحليل تقييمات الطاقة التذبذبية المحلية والاتصال من خلال تقنيات متعددة المتغيرات المتقدمة، مما عزز نسب الإشارة إلى الضوضاء وقدم أوزان مكانية قابلة للتفسير.
استخدمت الدراسة التحليل ثنائي الطيف لتقييم تأخير الوقت لتدفق المعلومات من القشرة إلى STN وارتبطت مقاييس الاقتران مع الاتصال بالرنين المغناطيسي للدماغ الكلي وخرائط الاتصال الوظيفية الطبيعية من مرضى PD. تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام اختبارات التبديل غير المعلمية مع 100,000 تبديل عند مستوى ألفا 0.05، مع تضمين تصحيح العنقود للمقارنات المتعددة. أوضح هذا النهج الشامل العلاقة بين مسارات الإشارة القشرية-STN وأشرطة الاقتران الطيفية، مما ساهم في تقديم رؤى قيمة حول التأثيرات التعديلية للدوبامين في PD.
المناقشة
تبحث الدراسة في التأثيرات المختلفة للدوبامين والتحفيز العميق للنواة تحت المهاد (STN-DBS) على نشاط السكان العصبيين المحليين والتواصل بين المناطق في سياق مرض باركنسون. باستخدام تحليلات فورييه، وجد المؤلفون أن الدوبامين قلل بشكل كبير من طاقة بيتا العالية (20-30 هرتز) في القشرة الحركية بينما زاد من طاقة إيقاع مو (8-12 هرتز)، مما يشير إلى تعديل معقد للنشاط القشري. في المقابل، قمع STN-DBS بشكل أساسي طاقة بيتا العالية في STN دون التأثير على طيف الطاقة القشري. ومن الجدير بالذكر أن كلا العلاجين شاركا آلية علاجية من خلال قمع اقتران بيتا العالية بين القشرة الحركية وSTN، وهو ما يرتبط بالمسار المباشر المفرط. كان هذا القمع واضحًا في نطاق 25-27 هرتز للدوبامين و30.5-32.5 هرتز لـ STN-DBS.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على دور التواصل بين القشرة والنواة تحت المهاد، كاشفة أن القشرة تدفع النشاط البيتا المرضي في STN عبر نطاقات تردد مختلفة. استخدم المؤلفون تحليلات متعددة المتغيرات لإظهار أن القشرة الحركية تؤثر بشكل أساسي على نشاط STN، خاصة في نطاق بيتا العالية، بينما يعكس الاتصال في نطاق بيتا المنخفض التواصل عبر المسار غير المباشر. تؤكد النتائج على أهمية فهم الديناميات المكانية والطيفية للتفاعلات القشرية وتحت المهاد لتطوير تقنيات عصبية من الجيل التالي تهدف إلى علاج الاضطرابات الدوبامينية، مما يشير إلى أن كل من الدوبامين وDBS يمكن أن يعدل أنماط التواصل المرضية في دوائر العقد القاعدية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58825-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40234441
Publication Date: 2025-04-15
Author(s): Thomas S. Binns et al.
Primary Topic: Neurological disorders and treatments
Overview
Deep brain stimulation (DBS) serves as a therapeutic intervention that modulates specific neural pathways to alleviate neurological symptoms in patients with brain disorders, particularly in Parkinson’s disease (PD). This study investigates the mechanisms underlying the effects of DBS and dopaminergic treatments on cortex-basal ganglia networks. By integrating invasive neural multisite recordings from patients undergoing DBS surgery with normative MRI-based whole-brain connectomics, the researchers found that while both dopamine and DBS influence local neural population activity, they exert distinct mesoscale effects. Notably, at the macroscale, DBS mimics the action of dopamine by suppressing excessive interregional network synchrony associated with the indirect and hyperdirect pathways of the cortex-basal ganglia circuit.
The research highlights the critical role of local field potentials (LFP) in understanding the pathophysiology of PD, where excessive beta band (12-30 Hz) synchrony in the subthalamic nucleus (STN) is characteristic of the dopamine-depleted state. Both dopaminergic medication and STN-DBS effectively reduce this synchrony. The study underscores the importance of cortex-basal ganglia interactions in motor control, particularly the contributions of the polysynaptic indirect pathway and the monosynaptic hyperdirect pathway. These findings enhance the understanding of the circuit mechanisms involved in dopamine and DBS therapies, paving the way for the development of advanced closed-loop neurostimulation strategies for PD management.
Methods
In this study, 21 patients (17 male) diagnosed with idiopathic Parkinson’s disease (PD) exhibiting a primary akinetic-rigid motor phenotype were enrolled at the Charité – Universitätsmedizin Berlin for deep brain stimulation (DBS) procedures. Bilateral DBS leads were implanted in the subthalamic nucleus (STN), and a unilateral subdural electrocorticography (ECoG) electrode strip was placed to target the hand knob area of the primary motor cortex. The study did not account for sex and gender due to the limited sample size.
Participants underwent rest sessions under two conditions: while on their prescribed dopaminergic medication (ON levodopa) and after a minimum of 12 hours without medication (OFF therapy). Eighteen subjects participated in both conditions, while an additional twelve subjects were recorded during OFF therapy with concurrent high-frequency STN-DBS (ON STN-DBS). Stimulation parameters were optimized based on clinical reviews, with DBS applied at 130 Hz and a pulse width of 60 µs, averaging 2.4 ± 0.1 mA across subjects. Notably, UPDRS-III scores at 12 months post-implantation indicated significant improvements, with scores of 47.0 ± 3.8 OFF therapy and 24.0 ± 4.4 ON STN-DBS for the five subjects recorded under both conditions.
Results
In this study, the authors investigated the impact of dopamine and neuromodulation on the communication between the cortex and basal ganglia in 21 Parkinson’s disease (PD) patients undergoing deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN). Invasive electrophysiological recordings were conducted using unilateral electrocorticography (ECoG) and local field potentials (LFP) from the STN, allowing for a systematic characterization of the effects of dopaminergic medication (levodopa) and STN-DBS on cortical-basal ganglia communication. The analysis included local oscillatory power and connectivity assessments through advanced multivariate techniques, which enhanced signal-to-noise ratios and provided interpretable spatial weights.
The study employed bispectral analysis to evaluate the time delay of information flow from the cortex to the STN and correlated coupling metrics with whole-brain MRI connectivity and normative fMRI connectomes from PD patients. Statistical analyses were performed using non-parametric permutation tests with 100,000 permutations at an alpha level of 0.05, incorporating cluster correction for multiple comparisons. This comprehensive approach elucidated the relationship between cortical-STN signaling pathways and spectral coupling bands, contributing valuable insights into the neuromodulatory effects of dopamine in PD.
Discussion
The study investigates the differential effects of dopamine and subthalamic nucleus deep brain stimulation (STN-DBS) on local neural population activity and interregional communication in the context of Parkinson’s disease. Using Fourier analyses, the authors found that dopamine significantly reduced high beta (20-30 Hz) power in the motor cortex while increasing mu rhythm/alpha (8-12 Hz) power, indicating a complex modulation of cortical activity. In contrast, STN-DBS primarily suppressed high beta power in the STN without affecting cortical power spectra. Notably, both treatments shared a therapeutic mechanism by suppressing high beta coupling between the motor cortex and STN, which is associated with the hyperdirect pathway. This suppression was evident in the 25-27 Hz range for dopamine and 30.5-32.5 Hz for STN-DBS.
Additionally, the study highlights the role of cortico-subthalamic communication, revealing that the cortex drives pathological beta activity in the STN across various frequency bands. The authors employed multivariate analyses to demonstrate that the motor cortex predominantly influences STN activity, particularly in the high beta range, while low beta connectivity reflects indirect pathway communication. The findings underscore the importance of understanding the spatio-spectral dynamics of cortical and subthalamic interactions for developing next-generation neurotechnologies aimed at treating dopaminergic disorders, suggesting that both dopamine and DBS can modulate pathological communication patterns in the basal ganglia circuitry.