De hersenen veranderen van ritme binnen enkele minuten na therapeutische stimulatie tijdens diepe hersenstimulatiechirurgie voor therapieresistente depressie. Bevindingen bieden een vermeende fysiologische biomarker van veranderingen in de hersentoestand die vroege antidepressieve effecten kunnen voorspellen.
Van diepe hersenstimulatie (DBS) is aangetoond dat het een effectieve behandeling is voor veel patiënten die lijden aan therapie resistente depressie, maar hoe het precies werkt, is niet bekend. Wetenschappers over de hele wereld kijken uit naar objectieve biomarkers voor de werkzaamheid van DBS-behandelingen, zodat deze experimentele benadering kan worden geoptimaliseerd, goedgekeurd en verspreid onder mensen in nood. Nieuw onderzoek gepubliceerd op 3 november in Translational Psychiatry, toont nieuw bewijs dat korte intra operatieve blootstelling aan therapeutische stimulatie op het moment van implantatie chirurgie een snelle en consistente elektrofysiologische verandering van de hersentoestand veroorzaakt – geïndexeerd door een afname van het bètavermogen gemeten op de plaats van stimulatie. Deze intra operatieve veranderingen in de hersentoestand worden gezien bij individuele proefpersonen en zijn gecorreleerd met een significante en aanhoudende afname van depressieve symptomen buiten de operatiekamer zonder extra stimulatie, waardoor een vermindering van de bèta kracht wordt vastgesteld als een nieuwe biomarker voor de optimalisatie van DBS-behandeling.
De gepresenteerde gegevens zijn afkomstig van een gezamenlijke studie aan de Emory University en de Icahn School of Medicine at Mount Sinaï. Onder leiding van Helen S. Mayberg, MD, Mount Sinai Professor in Neurotherapeutics en Founding Director van het Nash Family Center for Advanced Circuit Therapeutics op Mount Sinai, maakt dit onderzoek deel uit van een lopende National Institutes of Health (NIH) BRAIN Initiative gefinancierde subsidie.
Diepe hersenstimulatie is goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration voor de behandeling van essentiële tremor, de ziekte van Parkinson, epilepsie en obsessief compulsieve stoornis. Het is een neurochirurgische procedure waarbij een neurostimulator wordt geplaatst (soms een “hersenpacemaker” genoemd), die hoogfrequente elektrische impulsen door geïmplanteerde elektroden diep in de hersenen stuurt naar specifieke gebieden die verantwoordelijk zijn voor de symptomen van elke aandoening. Hoewel het nog steeds een experimentele behandeling is, is DBS van het subcallosale cingulaat (SCC, Area 25), een hersengebied dat is geïmpliceerd als een belangrijke rol bij depressie, herhaaldelijk aangetoond als een veelbelovende interventie voor patiënten die lijden aan therapieresistente depressie.
Acute gedragsveranderingen en langdurige antidepressiva kunnen op betrouwbare wijze worden opgewekt met stimulatie van dit goed gedefinieerd, chirurgisch gericht depressiecircuit, met behulp van geïndividualiseerde neuroimaging begeleiding. Hoewel de klinische effectiviteit van DBS in de loop van zes maanden behandeling herhaaldelijk is aangetoond, zijn er verschillen in de tijdlijn van herstel tussen verschillende patiënten. Het begrijpen van de mechanismen van deze initiële snelle en reproduceerbare gedragseffecten en hun rol bij het voorspellen van de meer kritische lange termijn respons trajecten zal de sleutel zijn tot een effectieve behandeling en toekomstig onderzoeksontwerp.
“Wat we ontdekten was dat er binnen enkele minuten na stimulatie in de operatiekamer een verandering in het bèta hersenritme was. Patiënten die grotere veranderingen vertoonden, ervaarden vervolgens meer verlichting van hun depressie in de week na de operatie, “zei Allison C. Waters, PhD, assistent-professor in de psychiatrie en neurowetenschappen, bij Icahn Mount Sinai en mede hoofdauteur van het artikel. “Het bètaritme wordt gewoonlijk geassocieerd met de beslissing van de hersenen om te stoppen of door te gaan met een handelswijze. Daarom richten neurologen zich op bèta met DBS om bewegingsstoornissen te behandelen. We hebben geen duidelijk signaal gehad om ons met DBS te richten op depressie, maar nu kunnen we speculeren over hoe het bètasignaal in deze context zou kunnen functioneren: een loslaten van de rem die vermoeidheid en traagheid veroorzaakt, of het onderbreken van een gebruikelijke cyclus van negatief zelfgericht denken.”
“We waren in staat om gebruik te maken van machinaal leren en verklaarbare kunstmatige intelligentie benaderingen om onbekende (verborgen) veranderingen in de hersentoestand te onderzoeken die de voor de hand liggende gedragsveranderingen die eerder zijn waargenomen zouden kunnen verklaren”, zegt Mohammad Sendi, MSc, PhD-kandidaat bij de afdeling Biomedical Engineering van Emory University en Georgia Institute of Technology en co hoofdauteur van het artikel.
Acute gedragsveranderingen en langdurige antidepressiva kunnen op betrouwbare wijze worden opgewekt met stimulatie van dit goed gedefinieerd, chirurgisch gericht depressiecircuit, met behulp van geïndividualiseerde neuroimaging begeleiding. Hoewel de klinische effectiviteit van DBS in de loop van zes maanden behandeling herhaaldelijk is aangetoond, zijn er acht therapieresistente depressiepatiënten die tijdens hun DBS leadimplantatie operaties elektrofysiologische opnames hebben ondergaan in de operatiekamer. Met behulp van patiënt specifieke tractografie modellen voorafgaand aan de operatie, identificeerden onderzoekers het “optimaal” doel binnen de SCC voor plaatsing van de lead. Vervolgens werd in de loop van een uur stimulatie toegediend in de operatiekamer, terwijl lokale veldpotentialen (LFP’s) – elektrische signalen tussen neuronen diep in de hersenen – tegelijkertijd werden geregistreerd. Vervolgens werd een classificatiemethode voor machinaal leren gebruikt om onderscheid te maken tussen intracraniële LFP’s die zijn geregistreerd bij baseline (stimulatie-naïef) en na de eerste blootstelling aan stimulatie in de operatiekamer. Spectrale inputs (theta, 4-8 Hz; alfa, 9-121 Hz; bèta, 13-30 Hz) naar het model werden vervolgens geëvalueerd op belangrijkheid voor het succes van de classificatie en getest als voorspellers van de antidepressieve respons. Een daling van de depressiescores met 45,6 procent werd waargenomen na een week en deze vroege reactie op antidepressiva correleerde met een afname van de SCC LFP-bètakracht, die het meest bijdroeg aan het succes van de classificatie.
“Over het algemeen denken we dat de behandeling van depressie weken tot maanden duurt voordat er stabiele en betekenisvolle veranderingen in de belangrijkste klinische kenmerken van de ziekte zichtbaar zijn”, zei Dr. Mayberg. “Deze studie toont reproduceerbare en consistente veranderingen in een hersen uitlezing gedurende de eerste minuten van geoptimaliseerde stimulatie in de operatiekamer bij individuele patiënten. Dit levert een nieuw mechanisch begrip op van de ‘depressieschakelaar’ die een patiënt van een toestand van aanhoudende mentale pijn en immobiliteit naar verlichting brengt en het hernieuwde vermogen om te bewegen en zich te engageren.”
“Dit onderzoek geeft individuen die met depressie hebben geworsteld een gevoel van hoop door vooruitgang in de bestaande technologie”, zegt John Ngai, PhD, directeur van het NIH BRAIN Initiative. “We boeken enorme vooruitgang in het beter begrijpen van slopende hersen- en mentale gezondheidsproblemen door deze ontdekkingen en kijken ernaar uit om te zien hoe diepe hersenstimulatie het leven van mensen zal blijven verbeteren.”
Studies die deze biomarkers voor de hersentoestand blijven volgen tijdens lopende DBS-therapie, zijn aan de gang in het Nash Family Center for Advanced Therapeutics at Mount Sinai West in New York. Fase II van deze 5-jarige NIH BRAIN Initiative-beurs werft momenteel nieuwe proefpersonen.
Voor meer informatie en/of om gescreend te worden voor de actieve studie, neem contact op met: Jaimie Gowatsky via jaimie.gowatsky@mssm.edu. Meer informatie over het actieve onderzoek vindt u hier.
Dr. Mayberg ontvangt advies- en licentievergoedingen van Abbot Neurostimulation.
Vertaling: Andre Teirlinck