Syväaivostimulaation vaikutus kortikomuskulaariseen ja kortikokinemaattiseen koherenssiin pitkälle edenneessä Parkinsonin taudissa

Abstract

Rytmisen aktiivisuuden tahdistuminen eri aivoalueiden välillä kertoo niiden välisestä kommunikaatiosta ja on edellytys aivojen toiminnalle. Liikeaivokuoren ja supistuvan lihaksen välinen tahdistuminen on samoin onnistuneen liikesäätelyn edellytys. Parkinsonin taudissa on havaittu poikkeavuuksia sekä aivokuoren rytmisessä toiminnassa että lihaksen ja aivokuoren välisessä tahdistumisessa erityisesti taajuusvälillä 14--30 Hz. Aivokuoren ja lihaksen välistä tahdistumista voidaan mitata kortikomuskulaarisen koherenssin avulla ei-invasiivisesti käyttämällä magnetoenkefalografia- (MEG) ja elektromyografiamittauksia (EMG).

Pitkälle edenneen Parkinsonin taudin oireita voidaan lievittää syväaivostimulaatiolla (DBS). Vaikka DBS:n tiedetään voivan lievittää oireita lääkehoitoakin paremmin, sen vaikutusmekanismi on epäselvä. Tämän työn keskeinen tavoite oli valaista DBS:n vaikutusta kortikomuskulaariseen koherenssiin Parkinson-potilailla. Lisäksi kortikomuskulaarisen koherenssin fysiologista merkitystä tutkittiin vertaamalla sitä etusormen asentovapinaan ranteen staattisen koukistuksen aikana. Tätä varten kortikomuskulaarista koherenssia verrattiin kortikokinemaattiseen koherenssiin, joka kuvaa MEG-signaalin ja sormen vapinan välistä tahdistumista. Koherenttien lähteiden paikannukseen käytettiin beamformer-menetelmää. Tutkimukseen kuului kolme DBS-potilasta, joilla oli pitkälle edennyt Parkinsonin tauti, ja kymmenen tervettä kontrollia.

Havaitsimme lievää asentovapinaa kaikilla potilailla (5--7 Hz) ja yhdeksällä kymme-nestä kontrollista (8--11 Hz). Kaikilla koehenkilöillä oli tilastollisesti merkittävää kor-tikomuskulaarista ja -kinemaattista koherenssia välillä 14--30 Hz, ja koherenssimaksimit paikantuivat vastakkaisen aivopuoliskon sensorimotoriselle aivokuorelle sekä potilailla että kontrolleilla. Kahdella kolmesta potilaasta koherenssin voimakkuus kasvoi, kun DBS oli kytketty pois; kasvu korreloi positiivisesti kliinisten oireiden pahenemisen kanssa. Kolmannella potilaalla koherenssi aleni stimulaation poiskytkemisen jälkeen, mutta samalla oireet hieman helpottuivat. Tämä on ensimmäinen tutkimus, joka mittaa kortikokinemaattista koherenssia kortikomuskulaarisen koherenssin yhteydessä Parkinson-potilailla.

Regions of the brain exhibit characteristic oscillatory firing patterns. Synchronous oscillations between distinct regions reflect connectivity and are considered necessary for the proper functioning of the brain. Similarly, synchrony between the motor cortex and a contracting muscle is necessary for motor control. The motor disability observed in Parkinson's disease (PD) has been associated with alterations in cortical oscillations and brain-muscle synchrony at the beta band (14--30 Hz). Brain-muscle synchrony can be quantified as corticomuscular coherence (CMC) that can be measured noninvasively using magnetoencephalography (MEG) and electromyography (EMG).

A patient with advanced PD may benefit from high-frequency stimulation of the subthalamic nucleus (STN). Although deep brain stimulation (DBS) offers benefits superior to best available medical therapy, its mechanism of action remains poorly understood. A central aim of this Thesis was to elucidate the effects of DBS on CMC in patients with PD. Another aim was to clarify the physiological relevance of CMC by relating it to limb kinematics. To that end, we compared CMC with corticokinematic coherence (CKC) that quantifies synchrony between MEG and the small-amplitude postural tremor of the hand during static wrist extension. To localize the coherent sources in the brain, we employed beamforming. We measured CMC and CKC in three patients with advanced PD and in ten healthy controls. All patients were using bilateral DBS.

We observed small-amplitude postural tremor in all patients (5--7 Hz) and in nine out of ten controls (8--11 Hz). All subjects had statistically significant CMC and CKC at the beta band; the CMC and CKC maxima colocalized at the sensorimotor cortex contralateral to the task-performing hand both in patients and in healthy controls. Two out of three patients had stronger coherence with DBS off than with DBS on, and the change correlated with the worsening of motor symptoms. The third patient had lower coherence with DBS off but simultaneously showed a mild improvement in motor symptoms when the stimulation had been switched off. This is the first study to measure CKC in unison with CMC in patients with PD.