Gait modulation in Parkinson's disease patients with high- and low-frequency deep brain stimulation

Advanced Parkinson's disease (PD) is frequently associated with gait disturbances, particularly during adaptation of gait to environmental challenges. High-Frequency Deep Brain Stimulation (HFS, >100 Hz) improves cardinal motor symptoms, but its impact on gait is inconsistent. Preliminary studies suggest lower-frequency stimulation (LFS, 80 Hz) may better target axial symptoms, including gait impairment, though standardized quantitative data remain limited. Ten PD patients (age 63.4±6.3 years; disease duration 9.0±4.4 years) treated with chronic HFS were recruited. After overnight withdrawal of dopaminergic medication, patients were evaluated under two conditions: chronic HFS and acute LFS. Disease severity was scored using the Unified Parkinson's Disease Rating Scale III. Gait was examined in a fully immersive virtual reality environment during unperturbed walking and during a dynamic obstacle-avoidance task, where standardized gait perturbations were induced by a Virtual Agent (VA) crossing the participant’s path. Kinematics and cortical activity were recorded with a motion capture system and a portable highdensity EEG and compared across stimulation conditions. During unperturbed walking, LFS improved walking speed, stance phase duration, and mediolateral oscillations. In the perturbed condition, LFS shortened the duration of the induced gait perturbation (i.e., modulation window) and decreased trunk flexion. Time-frequency analysis of cortical activity centered at VA movement onset showed a trend toward reduced post-stimulus power in the orbitofrontal cortex within the theta and alpha frequency bands under LFS. Within the modulation window, trends of reduced theta and alpha activity were observed in the LFS condition in the right orbitofrontal area at both the onset and end of the modulation. LFS was also associated with reduced beta-band power in the right posterior parietal and occipital regions. The present findings suggest LFS may enhance gait adaptation to environmental challenges; further studies on larger cohorts are needed to further explore the neural correlates underlying the effects of HFS and LFS on the locomotor network.

Lo stadio avanzato della malattia di Parkinson (PD) è spesso associato a disturbi della deambulazione, soprattutto in presenza di ostacoli. La stimolazione cerebrale profonda ad alta frequenza (HFS, >100 Hz) migliora i sintomi motori cardinali, ma il suo effetto sui disturbi del cammino è variabile. Evidenze preliminari indicano che la stimolazione a bassa frequenza (LFS, 80 Hz) possa agire più efficacemente sull’alterazione del cammino, sebbene i dati quantitativi siano limitati. Sono stati reclutati dieci pazienti con PD (età 63,4±6,3 anni; durata malattia 9,0±4,4 anni) in trattamento cronico con HFS. Dopo sospensione notturna della terapia dopaminergica, i pazienti sono stati valutati in condizioni di HFS cronica e LFS acuta. La gravità di malattia è stata valutata con la Unified Parkinson’s Disease Rating Scale III. L’andatura è stata analizzata in un ambiente di realtà virtuale immersiva, durante il cammino lineare e durante il suo adattamento in risposta ad un Agente Virtuale (VA) che attraversava il percorso del partecipante. I parametri cinematici e l’attività corticale sono stati registrati con un sistema optoelettronico ed elettroencefalografia ad alta densità, e confrontati tra le condizioni di stimolazione. Nel cammino lineare, la LFS ha determinato un aumento della velocità, la riduzione della fase di appoggio, e minori oscillazioni mediolaterali. Durante l’evitamento dell’ostacolo, la LFS ha ridotto la durata della perturbazione indotta e la flessione del tronco. L’analisi tempo-frequenza dell’attività corticale ha mostrato una tendenza alla riduzione della potenza post-stimolo nella regione orbitofrontale, nelle bande theta e alfa in LFS. Durante la perturbazione, si è osservata una tendenza alla riduzione in LFS dell’attività theta e alfa nell’area orbitofrontale destra sia all’inizio che al termine della modulazione. Inoltre, la LFS è risultata associata a una minore potenza beta nelle regioni parietali posteriori e occipitali destre. I risultati suggeriscono che la LFS possa favorire il cammino dei pazienti nella loro vita quotidiana, ma studi su campioni più ampi sono necessari per chiarire la base neurale degli effetti di HFS e LFS sul cammino.