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深部脑刺激促进脑创伤患者认知能力恢复

已有 602 次阅读 2023-12-6 07:26 |系统分类:科研笔记

一项小型临床试验发现,这种被称为深部脑刺激 DBS) 的技术改善了创伤性脑损伤患者的认知能力。

试验数据于124日发表在《自然医学》杂志上1,表明与DBS植入前相比,三个月后,五名参与者在认知测试中的处理速度提高了15-52%

Brain implants help people to recover after severe head injury (nature.com)

Schiff, N.D., Giacino, J.T., Butson, C.R. et al. Thalamic deep brain stimulation in traumatic brain injury: a phase 1, randomized feasibility study. Nat Med (2023). https://doi.org/10.1038/s41591-023-02638-4

对于一些参与者来说,即使在受伤多年后,这些改善也是变革性的,该研究的共同作者、加利福尼亚州斯坦福大学的神经外科医生杰米·亨德森(Jaimie Henderson)说。

中度至重度创伤性脑损伤 msTBI) 通常是由头部伤口或创伤引起的,会导致神经元死亡和脑回路断开,从而导致长期的认知困难。患有这种伤害的人(美国有500多万人)通常无法恢复受伤前的生活和工作。

MsTBI被认为会影响丘脑的神经回路,丘脑是大脑中心附近的结构,涉及注意力,决策和工作记忆。Henderson和他的同事们希望,将电流(一种被证明可以激活和恢复受损神经元之间连接的技术)施加到丘脑的关键部位,可以改善msTBI患者的认知功能。

为了精确地靶向丘脑中的神经元,研究小组使用个人的大脑成像数据和专门的解剖图谱,为参与研究的四名男性和一名女性设计了个性化的治疗方法。

参与者都经历过至少两年的msTBI,他们接受了手术,在两个大脑半球的丘脑外侧附近植入电极。手术后,研究人员花了14天时间微调每个参与者的刺激参数。然后,他们使用植入物以 150-185 赫兹的频率施加电流,每天 12 小时,持续三个月。

为了测试参与者的认知功能,研究人员使用了一项评估任务切换、注意力和工作记忆的测试。参与者必须连接以特定几何图案排列的连续数字或字母。

在三个月结束时,与手术前的表现相比,参与者的注意力任务平均提高了 30.7%,完成认知测试的速度提高了 32%

该研究的共同作者、纽约伊萨卡康奈尔大学的神经学家尼古拉斯·希夫(Nicholas Schiff)说,该团队希望通过进行更大规模的试验来继续这项工作。他们还希望制定一个可靠的方案,以培训其他中心提供治疗。

通过健康人脑对矢状切片进行彩色 3D 磁共振成像 (MRI) 扫描。

【摘要】

证据表明,中度至重度创伤性脑损伤 msTBI) 后,执行功能和信息处理速度的受损限制了生活质量和重返社会。这些缺陷反映了额纹状体网络的功能障碍,丘脑的中央外侧核是其关键淋巴结。这项可行性研究的主要目的是测试在 中央外侧核 和相关内侧背侧被盖 中央外侧核/DTTm) 束内深部脑刺激的安全性和有效性。

六名受伤后 3 18 岁的 msTBI 参与者接受了手术,在成像和受试者特异性生物物理模型的指导下放置电极,以预测 中央外侧核/DTTm 束的激活。主要功效指标是执行控制的改善,以 测试B 部分的处理速度为指标。

所有六名参与者均被安全植入。五名参与者完成了研究,一名参与者因不遵守协议而被撤回。在测试的 B 部分,处理速度比基线提高了 15% 52%,在所有五个案例中都超过了 10% 的改进基准。

中央外侧核/DTTm 深部脑刺激可以安全地应用,并可能改善处于慢性恢复期的 msTBI 患者的执行控制。

 

msTBI 通常会导致持久的身体、认知、情绪和行为障碍认知功能障碍是 msTBI 后持续性功能障碍的主要因素并与损伤严重程度和标准化神经心理学评估的表现相关典型地,msTBI 的认知功能障碍会影响任务切换和组织活动背后的执行控制、持续注意力、信息处理速度和对精神疲劳的抵抗力据估计,美国 msTBI 人口超过 500 万人他们仍然无法恢复到以前在社区内的功能水平目前,对于与损伤相关的注意力、执行功能、工作记忆或信息处理速度方面的致残影响,尚无有效的治疗方法。msTBI 中认知障碍的持续性与轻度 TBI 中更短暂的障碍形成鲜明对比,提示msTBI和轻度TBI的潜在病理生理机制不同。msTBI 的特定病理生理学表明了一种机制和潜在的补救策略,这些考虑因素激发了这项研究。

几条证据表明,msTBI 的主要持续性认知缺陷主要反映了额叶皮层和纹状体内神经元的功能障碍,包括一组具有较强功能互联性的内侧前额叶区域(特别是喙前扣带回皮层、内侧前额叶和辅助运动区)。msTBI 后认知障碍进一步与这些额叶皮质区域与皮质下结构的皮质下功能和结构连接的改变有关 .左丘脑萎缩与 msTBI 后执行功能障碍特异性相关

丘脑的中央外侧核 核是将这些额叶皮质和纹状体神经元连接成支持执行功能的额纹状体网络的关键大脑区域。中央外侧核 神经元为前额叶/额叶皮层和纹状体提供输入中央外侧核 的光遗传学刺激在啮齿动物中广泛激活这些结构单个 中央外侧核 神经元广泛支配喙纹状体和额叶皮层对皮层特定层的 中央外侧核 投射支持其在增强其皮层靶区活动方面的独特作用在纹状体内,中央外侧核 投射在驱动初级纹状体输出神经元的动作电位方面特别有效,这反过来又增加了它们对苍白球的抑制作用,进一步释放了皮层的额外丘脑激活(扩展数据图。1. 总的来说,这些专业化可能使 中央外侧核 神经元在费力的心理活动中通过前脑唤醒调节机制募集,从而对持续的注意力、计划、决策和工作记忆资源造成负担中回路假说下,中央外侧核 激活不足被认为是脑损伤后额纹状体网络功能下调的关键因素用于从意识受损中恢复功能;在这些相同的网络中,神经元功能的不完全恢复被认为是持续认知减慢和执行功能受损的基础这些观察结果提出了一种实用的治疗策略,可以逆转 msTBI 中持久的认知缺陷:通过深部脑刺激 (DBS) 对 中央外侧核 发出的剩余功能传入神经进行直接电刺激(扩展数据图 1)。

我们试图通过进行可行性研究 NCT02881151 来评估其在患有影响日常功能和就业能力的慢性 TBI 相关残疾的人类参与者中的安全性和有效性,从而将这些见解转化为人类 中央外侧核 DBS 的实用策略。根据我们之前对人类的研究28和非人灵长类动物19,29,我们选择了 中央外侧核 丘脑核的外侧部分()及其相关的纤维束 DTTm19,29,30,作为刺激靶标(补充图1)。1a-f)。我们开发了生物物理模型,以根据位置和刺激幅度引导每个人的 中央外侧核/DTTm 内的虚拟 DBS 电极沿 中央外侧核/DTTm 纤维束的轴线进行刺激31并使用预测的激活模型来评估和设置成功激活 中央外侧核/DTTm 的标准。使用新的成像和丘脑分割方案,以及估计投射纤维激活的预测性生物物理模型,能够在单个人类参与者中非常精确和准确地定位 中央外侧核 核和 DTTm 纤维束。然后,我们检查了这种干预措施在改善msTBI持续性认知缺陷方面的安全性和有效性。作为主要的疗效终点,我们选择了 Trail-Making Test TMT-B) 的 B 部分,基于 msTBI 产生的弥漫性轴索损伤与注意力控制和信息处理速度的持续功能障碍之间的公认关系

图片8.png

主要

TMT-B作为主要结局指标。TMT-B 的性能被认为反映了注意力的执行控制,因为在高速条件下,工作记忆和设置切换能力受到挑战34.我们将主要终点定义为从术前基线到治疗阶段结束的完成时间至少减少(改善)10%。同样,我们将下降定义为从术前基线到治疗阶段结束的TMT-B完成时间至少增加10%(恶化)(方法)。

六名受试者中有五名完成了所有四项结局评估(第六名受试者在滴定阶段前退出了研究)。所有参与者都达到了预先选择的主要终点(基准,从术前基线到治疗阶段结束的改善10%;平均改善31.75%;范围15-52%)(图12a. 而初始缺陷最大的两个参与者(P3 P6;扩展数据表1)的改善幅度最大(>40%),即使是基线性能在正常范围内(P4P5)的改善也超过20%(扩展数据表1)。对于人口统计学调整后的 T 分数(平均值 = 50,标准差 = 10),平均改善为 9.6 分(扩展数据表 1),这代表了人口分布的大约一个标准差的变化35.

 

 



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