深部脑电神经反馈可使帕金森病患者控制病理振荡并加快运动 作者:Oliver Bichsel 1,2,3,4、Lennart H. Stieglitz 3,4、Markus F. Oertel 3,4、Christian R. Baumann 2,4、Roger Gassert* 1、Lukas L. Imbach*、2,4(*共同资深作者) 1. 瑞士苏黎世联邦理工学院健康科学与技术系康复工程实验室 2. 瑞士苏黎世大学医院神经内科 3. 瑞士苏黎世大学医院神经外科 4. 瑞士苏黎世大学医院临床神经科学中心 摘要 帕金森病运动症状与基底神经节病理性增加的 β 振荡有关。虽然药物治疗和深部脑刺激 (DBS) 可以同时减少这些病理性振荡和改善运动表现,但我们着手探索神经反馈作为一种内源性调节方法。我们实施了深部脑电神经反馈,通过植入的 DBS 电极测量病理性丘脑底振荡的实时视觉神经反馈。所有 8 名患者在训练后几分钟内有意识地控制持续的 β 振荡活动。在一次一小时的训练中,β 振荡活动的减少逐渐增强,并加速了手部运动。最后,即使在去除视觉神经反馈后,仍然可以对深部脑活动进行内源性控制,这表明神经反馈获得的策略在短期内得以保留。当 2 天后应用学到的心理策略时,我们观察到了类似的运动改善。即使在没有实时神经反馈的情况下,进一步改善深部脑神经反馈可能会通过改善症状控制使帕金森病患者受益。关键词:β 能量、深部脑刺激、神经反馈、局部场电位、运动迟缓、帕金森病
1 引言随着全球经济的快速发展,人们对资源的需求急剧增加,浅部矿产资源严重匮乏,矿产资源逐渐向深部开发迈进,据统计,我国部分矿山开采深度已超过1 km[1,2],深部资源开发将成为常态[3]。深部岩石爆破对施工环境的影响也引起了人们的重视,特别是爆破地震波冲击引起的爆破震动,往往会对周边环境造成影响[4–7]。根据我国《爆破安全规程》[8],爆破施工作业应在安全允许距离外进行,安全允许距离是根据爆破振动速度和地层条件确定的。随着现代化进程的加快,提高土地利用率尤为重要,确定正确的安全允许距离不仅有利于周边环境的安全
1 卡尔·冯·奥西茨基大学医学与健康科学学院神经病学系,26129 奥尔登堡,德国;julius.kricheldorff@uni-oldenburg.de (JK);karsten.witt@uni-oldenburg.de (KW) 2 波恩大学医院精神病学和心理治疗系医学心理学分部,53127 波恩,德国;katie.goke@mail.utoronto.ca (KG);m.kiebs@ukbonn.de (MK) 3 多伦多大学医学科学研究所,加拿大安大略省多伦多 M5S 3G8 4 卡尔·冯·奥西茨基大学实验心理学实验室,26129 奥尔登堡,德国;florian.kasten@uni-oldenburg.de (FHK); christoph.herrmann@uni-oldenburg.de (CSH) 5 卡尔·冯·奥西茨基大学神经感觉科学研究中心,26129 奥尔登堡,德国 6 卡尔·冯·奥西茨基大学精神病学和心理治疗系,26129 奥尔登堡,德国 * 通讯地址:rene.hurlemann@uni-oldenburg.de;电话:+49-441-9615-1501 † 这些作者对这项工作做出了同等贡献。
在本研究中,我们提出了一个新的开源模拟平台,该平台包含计算机辅助设计和计算机辅助工程工具,用于高度自动化地评估深部脑刺激 (DBS) 期间的电场分布和神经激活。它将展示如何使用 Python 控制的算法构建和检查体积导体模型 (VCM),以生成、离散化和自适应网格细化计算域,以及结合组织的异质和各向异性属性和分配神经元模型。通过一组预定义的输入设置和快速可视化例程,可以方便地使用该平台。通过与商业软件进行比较,评估了由该平台创建和优化的 VCM 的准确性。结果表明,电势分布模型之间没有显著偏差。对 VCM 不同物理的定性估计与以前的计算研究一致。所提出的计算平台适用于在科学建模研究中准确估计 DBS 期间的电场。未来,我们打算获得 SDA 和 EMA 的批准。成功整合由内部开发的算法控制的开源软件,提供了高度自动化的解决方案。该平台允许进行优化和不确定性量化 (UQ) 研究,而开源软件的使用则有助于模拟的可访问性和可重复性。
35 关于深部脑刺激 (DBS) 后自我疏离的神经伦理学文献及其对自主性的影响,请参阅 Klaming, L., & Haselager, P. (2010)。是我的大脑植入物让我这么做的吗?深部脑刺激提出了关于心理连续性、行动责任和心理能力的问题。神经伦理学,6,527–539;Gilbert, F. (2013)。深部脑刺激治疗难治性抑郁症:术后自我疏离感、自杀企图和冲动攻击行为。神经伦理学,6,473–481;Lipsman, N., & Glannon, W. (2013)。大脑、思维和机器:深部脑刺激对个人身份、自主性和自由意志的感知有何影响?生物伦理学,27,465–470;Gilbert, F. (2015)。对自主性的威胁?预测性大脑植入物的侵入。 AJOB 神经科学,6 (4),4–11;Gilbert, F.、Viaña, JNM 和 Ineichen, C. (2018)。打破“DBS 导致人格改变”的泡沫。神经伦理学。doi:10.1007/s12152-018-9373-8;Gilbert, F.、Cook, M.、O'Brien, T. 和 Illes, J. (2019)。体现与疏远:首次人体“智能脑机接口”试验的结果。科学与工程伦理,25(1),83–96。
在体内记录和调节神经活动可以研究行为和疾病背后的神经生理学。然而,目前缺乏用于同时记录和局部受体特异性调节的转化工具。我们通过将以前仅用于啮齿动物研究的多功能纤维神经技术转化为恒河猴的皮层和皮层下神经记录和调节来解决这一限制。我们在运动前皮层和壳核的颅内 GABA 输注期间记录了单个神经元和更广泛的振荡活动。通过应用状态空间模型来表征电生理学的变化,我们发现即使是适度的局部抑制也会重塑工作记忆任务引起的神经活动。这些记录提供了对清醒恒河猴皮层和皮层下结构中神经递质受体调节的电生理效应的详细见解。我们的研究结果首次证明了多功能纤维在行为非人类灵长类动物神经活动因果研究中的应用,并为基于纤维的神经技术的临床转化铺平了道路。
两组患者的编程疗程次数没有显著差异,但 RP 组中有 3 名患者的 RP 疗程(21、16、42 次;轻微异常值)远高于平均次数(中位数:5.5 [IQR:3.5–18.5])。这可能是由于他们主观认为症状控制不佳,尽管他们的 U3 改善率并不差于平均水平(31%、64%、45%)。RP 提供的就医便利可能会增加编程请求。Zhang 等 [14] 报告称,在 COVID-19 的封锁措施之后,编程疗程数量有所增加,在 909 次未进行 DBS 调整的 RP 疗程中,52 次报告大多令人满意,这表明随着患者逐渐恢复,对 RP 的需求将会增加
深部脑刺激是一种广泛用于治疗帕金森病 (PD) 的方法,但目前缺乏对不断变化的临床和神经状态的动态响应。反馈控制有可能提高治疗效果,但“自适应”神经刺激的最佳控制策略和其他好处尚不清楚。我们在三名 PD 患者(五个半球)的正常日常生活中实施了由丘脑底核或皮质信号控制的自适应丘脑底核刺激。我们使用数据驱动的宽频率范围和不同刺激幅度的场电位分析来确定残余运动波动的神经生理生物标志物。任一部位的窄带伽马振荡(65-70 Hz)成为刺激期间感知的最佳控制信号。一项盲法随机试验表明,与临床优化的标准刺激相比,运动症状和生活质量有所改善。我们的方法凸显了基于数据驱动的控制信号选择的个性化自适应神经刺激的前景,并可能应用于其他神经系统疾病。
结果:远程编程组27例患者共接受36次远程编程,4例患者在编程过程中出现轻微不良事件,不良事件在1周内消失。满意度问卷显示97.3%的患者对手术效果满意。远程编程组患者(88.9%)在DBS术后接受长期编程的可能性高于门诊编程组患者(74.5%)。两组编程组的帕金森病症状均得到改善。远程编程组大多数(18/27)患者居住在编程中心以外,而门诊编程组大多数(27/47)患者居住在编程中心所在地武汉(P=0.046)。远程编程组每例患者每次编程费用为43.5美元,门诊编程组每例患者每次编程费用为59.5美元(56~82.7美元)(P<0.001)。远程编程组每次就诊的中位时间成本为 30 分钟(25–30),门诊编程组每次就诊的中位时间成本为 150 分钟(135–270.0)(P < 0.001)。
摘要:深层脑显微镜受成像探头尺寸的严重限制,无论是在可实现的分辨率方面,还是在手术可能造成的创伤方面。在这里,我们展示了一段超薄多模光纤(套管)可以取代大脑内部笨重的显微镜物镜。通过创建一个自洽的深度神经网络,该神经网络经过训练可以从套管传输的原始信号中重建以人为中心的图像,我们展示了单细胞分辨率(< 10 µ m)、深度切片分辨率 40 µ m 和视野 200 µ m,所有这些都使用绿色荧光蛋白标记的神经元在距离大脑表面 1.4 毫米的深度处进行成像。由于在体内很难获得这些深度的真实图像,我们提出了一种新颖的集成方法,该方法对来自不同深度神经网络架构的重建图像进行平均。最后,我们展示了移动的 GCaMp 标记的 C . elegans 蠕虫的动态成像。我们的方法大大简化了深部脑显微镜检查。