Энтропийные характеристики нейронной активности субталамического ядра в области эффективной стимуляции у пациентов с болезнью Паркинсона
- Авторы: Захаров Н.И.1,2, Белова Е.М.2, Гамалея А.А.3, Томский А.А.3, Седов А.С.1,2
-
Учреждения:
- Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
- Федеральный исследовательский центр химической физики имени Н.Н. Семенова Российской академии наук
- Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко Минздрава России
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 894-897
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://bakhtiniada.ru/2313-1829/article/view/256379
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623521
- ID: 256379
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
На сегодняшний день одним из наиболее перспективных и успешных методов лечения болезни Паркинсона является глубокая стимуляция мозга (deep brain stimulation, DBS). Результат хирургической имплантации DBS-электрода в субталамическом ядре (STN) напрямую зависит от правильной локализации зоны стимуляции. Интраоперационное использование микроэлектродной регистрации позволяет достоверно локализовать границы STN [1], а проведение тестовых стимуляций с помощью макроэлектрода повсеместно используется для повышения точности установки DBS-электрода. Данный подход позволяет из нескольких обследуемых траекторий введения выбрать ту, по которой при тестовых стимуляциях наблюдается наилучший клинический эффект. Однако на данный момент отсутствует комплексное достоверное описание характера одиночной активности нейронов, ассоциируемой с успешной установкой DBS-электрода.
С целью определения характеристик активности нейронов, ассоциируемых с достижением наилучшего клинического эффекта тестовых стимуляций, проводится исследование данных микроэлектродных регистраций (MER) активности единичных нейронов STN 21 пациента с болезнью Паркинсона (UPDRS III off/on=46.9/12.8). Для 618 детектированных нейронов проводили сравнительное исследование 29 параметров активности (включая частоту имульсаций, интенсивность колебательной активности на различных диапазонах частот (Oscores), коэффициент вариации, пачечный, паузный индекс и пр.) [2]. Помимо этого, был реализован метод расчёта энтропии относительного изменения межспайковых интервалов (interspike intervals, ISI) последовательности импульсаций [3] и выделения паттернов нейронной активности методом иерархической кластеризации [4].
Сравнительный анализ активности одиночных нейронов выявил статистически значимые (р <0,05) различия между проигнорированными и выбранными по результатам тестовых стимуляций траекториями для финальной установки DBS-электрода только для энтропийных параметров. Для траекторий введения микроэлектродов с наилучшими результатами тестовых стимуляций характерна сниженная энтропия межспайковых интервалов. При этом вклад в различие энтропии между траекториями оказывают только тонические и паузные паттерны нейронной активности, для пачечных нейронов статистических значимых отличий не выявлено. Значение энтропии также показало положительную достоверную корреляцию со степенью улучшений клинической картины заболевания до и после применения медикаментозного лечения.
Проведённый сравнительный анализ активности одиночных нейронов, обнаруженных на траекториях с различным эффектом тестовых стимуляций, показал слабую применимость линейных параметров для решения задачи определения траектории введения электрода с наилучшим клиническим эффектом. Показано, что использование нелинейных параметров активности (энтропии) единичных нейронов позволяет достоверно отличить траектории со значимым и отсутствующим/незначительным результатом тестовой стимуляции. При этом интерпретация данного параметра как меры неопределённости или непредсказуемости информационной системы в соответствии с результатами других исследований [5] подчёркивает важность энтропии в определении функций базальных ядер и описании процессов переноса информации при контроле движения.
Полный текст
На сегодняшний день одним из наиболее перспективных и успешных методов лечения болезни Паркинсона является глубокая стимуляция мозга (deep brain stimulation, DBS). Результат хирургической имплантации DBS-электрода в субталамическом ядре (STN) напрямую зависит от правильной локализации зоны стимуляции. Интраоперационное использование микроэлектродной регистрации позволяет достоверно локализовать границы STN [1], а проведение тестовых стимуляций с помощью макроэлектрода повсеместно используется для повышения точности установки DBS-электрода. Данный подход позволяет из нескольких обследуемых траекторий введения выбрать ту, по которой при тестовых стимуляциях наблюдается наилучший клинический эффект. Однако на данный момент отсутствует комплексное достоверное описание характера одиночной активности нейронов, ассоциируемой с успешной установкой DBS-электрода.
С целью определения характеристик активности нейронов, ассоциируемых с достижением наилучшего клинического эффекта тестовых стимуляций, проводится исследование данных микроэлектродных регистраций (MER) активности единичных нейронов STN 21 пациента с болезнью Паркинсона (UPDRS III off/on=46.9/12.8). Для 618 детектированных нейронов проводили сравнительное исследование 29 параметров активности (включая частоту имульсаций, интенсивность колебательной активности на различных диапазонах частот (Oscores), коэффициент вариации, пачечный, паузный индекс и пр.) [2]. Помимо этого, был реализован метод расчёта энтропии относительного изменения межспайковых интервалов (interspike intervals, ISI) последовательности импульсаций [3] и выделения паттернов нейронной активности методом иерархической кластеризации [4].
Сравнительный анализ активности одиночных нейронов выявил статистически значимые (р <0,05) различия между проигнорированными и выбранными по результатам тестовых стимуляций траекториями для финальной установки DBS-электрода только для энтропийных параметров. Для траекторий введения микроэлектродов с наилучшими результатами тестовых стимуляций характерна сниженная энтропия межспайковых интервалов. При этом вклад в различие энтропии между траекториями оказывают только тонические и паузные паттерны нейронной активности, для пачечных нейронов статистических значимых отличий не выявлено. Значение энтропии также показало положительную достоверную корреляцию со степенью улучшений клинической картины заболевания до и после применения медикаментозного лечения.
Проведённый сравнительный анализ активности одиночных нейронов, обнаруженных на траекториях с различным эффектом тестовых стимуляций, показал слабую применимость линейных параметров для решения задачи определения траектории введения электрода с наилучшим клиническим эффектом. Показано, что использование нелинейных параметров активности (энтропии) единичных нейронов позволяет достоверно отличить траектории со значимым и отсутствующим/незначительным результатом тестовой стимуляции. При этом интерпретация данного параметра как меры неопределённости или непредсказуемости информационной системы в соответствии с результатами других исследований [5] подчёркивает важность энтропии в определении функций базальных ядер и описании процессов переноса информации при контроле движения.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 22-15-00344).
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
Н. И. Захаров
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет); Федеральный исследовательский центр химической физики имени Н.Н. Семенова Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: zaharov.ni@phystech.edu
Россия, Москва; Москва
Е. М. Белова
Федеральный исследовательский центр химической физики имени Н.Н. Семенова Российской академии наук
Email: zaharov.ni@phystech.edu
Россия, Москва
А. А. Гамалея
Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко Минздрава России
Email: zaharov.ni@phystech.edu
Россия, Москва
А. А. Томский
Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко Минздрава России
Email: zaharov.ni@phystech.edu
Россия, Москва
А. С. Седов
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет); Федеральный исследовательский центр химической физики имени Н.Н. Семенова Российской академии наук
Email: zaharov.ni@phystech.edu
Россия, Москва; Москва
Список литературы
- Koirala N., Serrano L., Paschen S., et al. Mapping of subthalamic nucleus using microelectrode recordings during deep brain stimulation // Sci Rep. 2020. Vol. 10, N 1. P. 19241. doi: 10.1038/s41598-020-74196-5
- Myrov V., Sedov A., Salova E., et al. Single unit activity of subthalamic nucleus of patients with Parkinson’s disease under local and generalized anaesthesia: multifactor analysis // Neurosci Res. 2019. Vol. 145. P. 54–61. doi: 10.1016/j.neures.2018.08.006
- Sherry C.J., Klemm W.R. Entropy as an index of the informational state of neurons // Int J Neurosci. 1981. Vol. 15, N 3. P. 171–178. doi: 10.3109/00207458108985911
- Myrov V., Sedov A., Belova E. Neural activity clusterization for estimation of firing pattern // J Neurosci Methods. 2019. Vol. 311. P. 164–169. doi: 10.1016/j.jneumeth.2018.10.017
- Darbin O., Dees D., Martino A., et al. An entropy-based model for basal ganglia dysfunctions in movement disorders // Biomed Res Int. 2013. Vol. 2013. P. 742671. doi: 10.1155/2013/742671
Дополнительные файлы
