Analisi dei potenziali di campo locale per il monitoraggio intraopratorio durante neurochirurgia stereotassica per la malattia di Parkinson

The Deep Brain Stimulation (DBS) is a consolidated treatment for the Parkinson disease. It consists in the insertion of stimulating electro-catheters into the sub-thalamic core, structure belonging to basal ganglia. The high-frequency stimulation (100 –180 Hz) of this core has shown to be effective in Parkinson’s symptoms control. Since the electrode placement is critical to the success of the procedure, the aim of this paper is to analyze the neuronal activity of the sub-thalamic nucleus depending on the position of the electrode, in order to provide important indicators to support the identification of the optimal function surgical target and to know the real position of the electrodes in the brain structures. In order to do this, during the surgery of deep electro-catheters placement, the electrical activity was recorder by three electrodes, which descend toward the target (center of the sub-thalamic nucleus) according to a descent trajectory, decided in the pre-surgical session thanks to the analysis of the anatomical images of the patient (stereotactic TAC and RMN). Potential signals of local field (local field potentials, LFP), which represent the synchronous activity of pre-synaptic and post-synaptic neuronal populations have been registered. The study of those signals is based on the analysis of the power modulation in the different frequency bands: Low Frequency between 1 – 7 Hz, Low Beta band between 8 – 20 and the High Beta one, between 21 – 35 Hz. The techniques used are the non-parametrical spectral analysis and the coherence analysis between the signals couples. As a result, we have noticed a fall pattern characterized by the frequency content variation of the signal, related to the electrode insertion's depth. Up to -6 mm from the target it is possible to notice a Low Frequency activity which marks the limit between the ventro-oral area of the thalamus and the sub thalamus, followed by an area where the Low Beta oscillations are dominant, around the depth of -5 / -2 mm from the target. Finally, the High Beta activity rises while the Low Beta falls when we reach the -3 / +1 depth from the target. The low frequency rhythm in the depth beyond the theoretical target, may be conducted to the associative area of the sub-thalamic core, providing indication regarding the lower bound of the motor area of the core. Instead, the lower coherence observed around the lateral electrode may be a good way to verify the sub-thalamic bounds. The achieved results got the final goal to become a useful decisional support for the localization of the stimulation target. This is possible through the identification of particular activities of the crossed structure.

La stimolazione cerebrale profonda (Deep Brain Stimulation, DBS) è un trattamento consolidato per la malattia di Parkinson. Consiste nell’inserimento di elettrocateteri stimolatori nel nucleo subtalamico, struttura appartenente ai gangli della base. La stimolazione ad alta frequenza (100-180 Hz) di questo nucleo ha dimostrato di essere efficace nel controllo dei sintomi parkinsoniani. Poiché il corretto posizionamento degli elettrodi è fondamentale per il successo della procedura, obiettivo di questo lavoro è quello di analizzare l’attività neuronale all’interno del nucleo subtalamico in relazione alla posizione dell’elettrodo, al fine di fornire indicatori importanti per supportare la procedura chirurgica nell’individuazione del target funzionale ottimale e di conoscere con maggiore precisione la posizione reale degli elettrodi nelle strutture cerebrali. Per fare questo, durante l’intervento chirurgico di posizionamento degli elettrocateteri profondi, è stata rilevata l’attività elettrica attraverso 3 elettrocateteri esploranti, che discendono verso il target (centro del nucleo subtalamico) secondo una traiettoria di discesa scelta in sede prechirurgica a partire dalle immagini anatomiche del paziente (tac stereotassica e risonanza magnetica). Sono stati registrati i segnali di potenziale di campo locale (local field potentials, LFPs) che rappresentano l’attività sincrona presinaptica e postsinaptica di popolazioni di neuroni. Lo studio di tali segnali si basa sull’analisi della modulazione di potenza nelle diverse bande di frequenza: Low Frequency tra 1 – 7 Hz, banda Low Beta 8 – 20 Hz e banda High Beta 21– 35 Hz. Gli strumenti utilizzati sono l’analisi spettrale non parametrica (FFT) e l’analisi di coerenza tra le coppie di canali. Abbiamo osservato un pattern di discesa caratterizzato da una variazione del contenuto in frequenza del segnale in relazione alla profondità di inserimento degli elettrodi. Fino a -6 mm sopra il target si può notare un’attività Low Frequency che segna la zona di confine tra area ventro-orale del talamo e nucleo subtalamico, seguita da un’area in cui prevale un’oscillazione di tipo Low Beta intorno alle profondità -5 / -2 mm dal target. Infine, a target, l’attività High Beta sale tra -3 / +1, mentre l’attività Low Beta scende. Il ritmo a bassa frequenza presente alle profondità oltre il target teorico, può essere ricondotto all’area associativa del nucleo subtalamico e fornisce, quindi, indicazione riguardo ai limiti inferiori dell’area motoria del nucleo, mentre la minor coerenza osservata intorno all’elettrodo laterale potrebbe essere un ottimo mezzo di verifica dei confini subtalamici. I risultati ottenuti vogliono essere un utile supporto decisionale per la localizzazione del target di stimolazione. Questo è possibile attraverso l'identificazione delle attività caratteristiche della struttura attraversata.