Resting-state functional magnetic resonance imaging of the subthalamic microlesion and stimulation effects in Parkinson'
Result description
During implantation of deep-brain stimulation (DBS) electrodes in the target structure, neurosurgeons and neurologists commonly observe a "microlesion effect" (MLE), which occurs well before initiating subthalamic DBS. This phenomenon typically leads to a transitory improvement of motor symptoms of patients suffering from Parkinson's disease (PD). Mechanisms behind MLE remain poorly understood. In this work, we exploited the notion of ranking to assess spontaneous brain activity in PD patients examined by resting-state functional magnetic resonance imaging in response to penetration of DBS electrodes in the subthalamic nucleus. In particular, we employed a hypothesis-free method, eigenvector centrality (EC), to reveal motor-communication-hubs of the highest rank and their reorganization following the surgery; providing a unique opportunity to evaluate the direct impact of disrupting the PD motor circuitry in vivo without prior assumptions. Penetration of electrodes was associated with increased EC of functional connectivity in the brainstem. Changes in connectivity were quantitatively related to motor improvement, which further emphasizes the clinical importance of the functional integrity of the brainstem. Surprisingly, MLE and DBS were associated with anatomically different EC maps despite their similar clinical benefit on motor functions. The DBS solely caused an increase in connectivity of the left premotor region suggesting separate pathophysiological mechanisms of both interventions. While the DBS acts at the cortical level suggesting compensatory activation of less affected motor regions, the MLE affects more fundamental circuitry as the dysfunctional brainstem predominates in the beginning of PD. These findings invigorate the overlooked brainstem perspective in the understanding of PD and support the current trend towards its early diagnosis
Keywords
BOLDbranistemdeep brain stimulationmicrolesion effectresting state
The result's identifiers
Result code in IS VaVaI
Result on the web
—
DOI - Digital Object Identifier
—
Alternative languages
Result language
čeština
Original language name
Resting-state funkční magnetické rezonanci u efektu mikroléze a stimulace v subthalamu u Parkisnonovy chorhoby: Určení z
Original language description
Při implantaci hluboké mozková stimulace (DBS) elektrod v cílové struktuře, neurochirurgové a neurologové často pozorovali "microlesion efekt" (MLE), který se vyskytuje před zahájením subtalamické DBS. Tento jev má obvykle za následek přechodné zlepšení motorických symptomů u pacientů trpících Parkinsonovou chorobou (PD). Mechanismy MLE jsou zatím nejasné. V této práci jsme využili pro hodnocení spontánní činnost mozku u pacientů s Parkinsonovou nemocí tzv. resting-state funkční magnetické rezonance v reakci na pronikání DBS elektrod do subtalamického jádra. Zejména jsme použili hypotézu "eigenvector centrality" (EC), abychom odhalili motorické a komunikační přepojování a jejich reorganizaci po operaci; to poskytuje jedinečnou příležitost zhodnotit přímý dopad na narušení motorických okruhů u PD in vivo. Penetrace elektrod byla spojena se zvýšenim EC funkční konektivity v mozkovém kmeni. Změny v připojení byly kvantitativně spojeny se zlepšením motoriky, což dále zdůrazňuje klinický význam funkční integrity mozkového kmene. Překvapivě, MLE a DBS byly spojeny s anatomicky různými mapami EC navzdory jejich podobnému klinického benefitu na motorické funkce. DBS pouze způsobila zvýšení konektivity v levé premotorické oblasti, což naznačuje, oddělené patofyziologické mechanismy obou zásahů. Zatímco DBS působí na kortikální úrovni, což naznačuje kompenzační aktivaci méně postižených motorových regionů, MLE postihuje více základní obvody protože dysfunkce mozkového kmene převládá na začátku PD. Tato zjištění podporuje názor na účast mozkového kmene v chápání PD a podporuje současný trend včasné diagnostiky.
Czech name
Resting-state funkční magnetické rezonanci u efektu mikroléze a stimulace v subthalamu u Parkisnonovy chorhoby: Určení z
Czech description
Při implantaci hluboké mozková stimulace (DBS) elektrod v cílové struktuře, neurochirurgové a neurologové často pozorovali "microlesion efekt" (MLE), který se vyskytuje před zahájením subtalamické DBS. Tento jev má obvykle za následek přechodné zlepšení motorických symptomů u pacientů trpících Parkinsonovou chorobou (PD). Mechanismy MLE jsou zatím nejasné. V této práci jsme využili pro hodnocení spontánní činnost mozku u pacientů s Parkinsonovou nemocí tzv. resting-state funkční magnetické rezonance v reakci na pronikání DBS elektrod do subtalamického jádra. Zejména jsme použili hypotézu "eigenvector centrality" (EC), abychom odhalili motorické a komunikační přepojování a jejich reorganizaci po operaci; to poskytuje jedinečnou příležitost zhodnotit přímý dopad na narušení motorických okruhů u PD in vivo. Penetrace elektrod byla spojena se zvýšenim EC funkční konektivity v mozkovém kmeni. Změny v připojení byly kvantitativně spojeny se zlepšením motoriky, což dále zdůrazňuje klinický význam funkční integrity mozkového kmene. Překvapivě, MLE a DBS byly spojeny s anatomicky různými mapami EC navzdory jejich podobnému klinického benefitu na motorické funkce. DBS pouze způsobila zvýšení konektivity v levé premotorické oblasti, což naznačuje, oddělené patofyziologické mechanismy obou zásahů. Zatímco DBS působí na kortikální úrovni, což naznačuje kompenzační aktivaci méně postižených motorových regionů, MLE postihuje více základní obvody protože dysfunkce mozkového kmene převládá na začátku PD. Tato zjištění podporuje názor na účast mozkového kmene v chápání PD a podporuje současný trend včasné diagnostiky.
Classification
Type
Jx - Unclassified - Peer-reviewed scientific article (Jimp, Jsc and Jost)
CEP classification
FH - Neurology, neuro-surgery, nuero-sciences
OECD FORD branch
—
Result continuities
Project
NT12282: Pathophysiological mechanisms of neuromodulation therapy in dystonia
Continuities
P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)
Others
Publication year
2015
Confidentiality
S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů
Data specific for result type
Name of the periodical
NeuroImage: Clinical
ISSN
2213-1582
e-ISSN
—
Volume of the periodical
21
Issue of the periodical within the volume
9
Country of publishing house
US - UNITED STATES
Number of pages
11
Pages from-to
264-274
UT code for WoS article
—
EID of the result in the Scopus database
—
Basic information
Result type
Jx - Unclassified - Peer-reviewed scientific article (Jimp, Jsc and Jost)
CEP
FH - Neurology, neuro-surgery, nuero-sciences
Year of implementation
2015