Universität zu Köln

Strelow, Joshua ORCID: 0000-0002-2194-5930 (2023). Using Electrophysiological and Tractographic Correlates to Improve Deep Brain Stimulation Therapy in Parkinson’s Disease. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus is a highly effective treatment for medication refractory Parkinson’s disease. However, its therapeutic benefit differs across patients. This inter-individual variability can be partly explained by the accuracy of electrode implantation during surgery, however, one of the most decisive factors for therapeutic success is the postoperative programming of stimulation parameters. Up to date, the optimization of stimulation parameters for deep brain stimulation relies on the careful neurological examination of the patient under different stimulation settings. While this approach is widely accepted as the first programming step after surgery, it is considered time- and resource-consuming, as well as burdensome for both, patients and clinical staff. Imaging-guided and electrophysiological methods can be used to examine the effect of deep brain stimulation on the brain tissue, however, it is still unknown, how these insights can be used to optimize deep brain stimulation therapy in clinical practice. While previous studies have already shown that both approaches might improve time-spent on programming, with non-inferior results to clinical programming, there is still a lack of real-life data and more patient-specific approaches that account for parkinsonian subtypes and the symptomatic burden of individual patients. Therefore, the overall aim of this thesis was to tackle this issue by providing real-life evidence of imaging- and electrophysiology-guided deep brain stimulation from a large, multi-center retrospective cohort of Parkinson’s disease patients with a particular gait disorder and a prospective cohort of patients with a novel device enabling chronic recording of local brain activity to guide the initial programming of deep brain stimulation. Our findings demonstrate the significant potential of both imaging-guided and electrophysiological approaches as objective and time-saving tools for individualized deep brain stimulation. While prior studies have investigated the use of anatomically guided contact selection for overall parkinsonian symptoms, we here demonstrate how freezing of gait, as one of the most burdensome parkinsonian symptoms in late stages of the disease, might benefit from targeting specific basal-ganglia pathways. Moreover, we have shown that parameter setting can be further enhanced by incorporating resting-state brain activity measurements and investigating the acute effect of stimulation on the activity of the nucleus subthalamicus. To conclude, the results of this thesis hold relevant implications for clinical application and are consistent with previous findings in subthalamic deep brain stimulation for Parkinson’s disease.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Die Verwendung von elektrophysiologischen und traktografischen Verfahren zur Verbesserung der tiefen Hirnstimulation bei Morbus Parkinson German
Translated abstract:	Abstract Language Die tiefe Hirnstimulation des Nucleus subthalamicus ist ein minimal-invasives neurochirurgisches Verfahren zur Behandlung von Patient:Innen mit Morbus Parkinson. Trotz nachgewiesener Wirksamkeit variieren die klinischen Ergebnisse des Eingriffes stark. Studien konnten zeigen, dass diese Variabilität zum einen durch die Präzision der Elektrodenplatzierung während des operativen Eingriffs erklärt werden kann und zum anderen maßgeblich durch die postoperative Programmierung der Stimulationsparameter beeinflusst wird. Bislang erfolgt die Optimierung dieser Parameter auf Grundlage einer sorgfältigen neurologischen Untersuchung unter verschiedenen Stimulationsbedingungen. Diese stellt allerdings sowohl für die Patient:Innen als auch für das klinische Personal eine große Belastung dar. Durch die Anwendung von bildgebenden und elektrophysiologischen Verfahren können klinische Effekte der Tiefenhirnstimulation auf das Gehirngewebe untersucht werden. Allerdings ist nach wie vor unklar, wie diese Erkenntnisse in der klinischen Praxis zur Optimierung der Stimulationsparameter genutzt werden können. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin den klinischen Nutzen der genannten Verfahren zur Programmierung der Stimulationsparameter in der klinischen Praxis zu evaluieren. Dies geschieht mithilfe der Ergebnisse einer mulizentrischen retrospektiven Kohorte von Patient:innen, die eine spezielle Gangstörung aufweisen, und einer prospektiven Kohorte von Patient:innen, bei denen chronische Aufzeichnung der lokalen Hirnaktivität vorgenommen werden können. Unsere Ergebnisse weisen auf das erhebliche klinische Potenzial sowohl bildgebender als auch elektrophysiologischer Verfahren als objektive und zeitsparende Maßnahmen zur Optimierung der tiefen Hirnstimulation hin. Wir zeigen hier, wie die gezielte Modulation spezifischer Basalganglien-Kortex-Schleifen zu der Verbesserung von Gangstörungen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Einstellung der initialen Stimulationsparameter verbessert werden kann, indem Ruhestandsmessungen der Hirnaktivität integriert und die akute Wirkung der Stimulation auf die Aktivität des Nucleus subthalamicus untersucht wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu relevanten Implikationen von bildgebenden und elektrophysiologischen Verfahren in die klinische Praxis bei und bestätigen frühere wissenschaftliche Erkenntnisse in Hinblick auf die tiefe Hirnstimulation des Nucleus subthalamicus zur Behandlung von Morbus Parkinson. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Strelow, Joshua joshua.strelow@web.de orcid.org/0000-0002-2194-5930 UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Department of Neurology, Faculty of Medicine and University Hospital Cologne, University of Cologne, 50937 Cologne, Germany
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-715695
Date:	10 November 2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Neurologie > Klinik und Poliklinik für Neurologie
Subjects:	Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Parkinson's disease English Deep brain stimulation English Neuromodulation English
Date of oral exam:	31 October 2023
Referee:	Name Academic Title van Eimeren, Thilo Prof. Dr. Büschges, Ansgar Prof. Dr. Bergami, Matteo Prof. Dr. Kloppenburg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/71569