KFO 247:  Deep Brain Stimulation: Mechanisms, Physiology and Optimisation of Therapy

• Subject Area: Medicine
• Term: from 2010 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 160506045

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Die Tiefe Hirnstimulation (THS) hat die Therapieoptionen für Patienten mit schweren Bewegungsstörungen in der Neurologie revolutioniert. Mittels THS können langfristig und effektiv motorische Symptome wie Tremor, Bradykinese und Dystonie behandelt werden. Um eine breite Anwendung der Neuromodulation über die Bewegungsstörungen hinaus zu ermöglichen und Nebenwirkungen der Therapie zu vermeiden, müssen die pathophysiologischen Grundlagen und der Wirkmechansimus der Methode besser verstanden werden. Ziel der klinischen Forschergruppe (KFO) 247 war es, durch den Zusammenschluss von Medizinern und Grundlagenwissenschaftlern mit einem breiten, interdisziplinären Forschungsansatz den Wirkmechanismus der THS zu erforschen und so langfristig die Therapie von Hirnerkrankungen zu verbessern. Hauptfokus lag hierbei auf dem experimentellen systemphysiologischen Ansatz der Erforschung physiologischer Netzwerkaktivität und deren pathologischer Veränderungen bei Bewegungsstörungen sowie ihrer Modulation durch THS. Ebenso sollten neue THS Zielgebiete in zwei klinischen Studien evaluiert werden. In der ersten Antragsperiode konnte der Zusammenhang zwischen oszillatorischer Aktivität in den Basalganglien und dem Auftreten von motorischen und nicht-motorischen Symptomen im Parkinsonmodell der Ratte (P2) und beim Menschen (P3, P4, P5, P6) sowie deren topische Zuordnung in den THS Zielgebieten durch Kombination mit innovativen Bildgebungsmethoden (P8) weiter definiert werden. Hierbei sind in projektübergreifender Kooperation mehrere hochrangige Publikationen entstanden. Darüber hinaus wurde die erste deutsche Studie zur THS bei Depression erfolgreich durchgeführt (P10) und parallel dazu erste Forschungsergebnisse zur Rolle oszillatorischer Aktivität bei Depression beschrieben, die mit dem Ausmass der depressiven Symptomatik korrelierte. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde in der zweiten Förderperiode der Fokus auf Untersuchungen zur Optimierung der THS-Effekte bei gleichzeitiger Reduktion der Nebenwirkungen gelegt. Die Erweiterung des Methodenspektrums mit paralleler Aufzeichnung von MEG und LFP Aktivität (P5) und Langzeitmessungen mit THS-Geräten zur chronischen Signalabtastung (PC+S, P12) erlaubte eine innovative Netzwerkanalyse zum pathophysiologischen Verständnis kortiko-subkortikaler Schleifen beim Menschen. Entscheidende Entwicklung in der KFO war die neue Methode der Elektrodenlokalisation mittels einer semi-automatisierten Software. In Kooperation mit Havard hat sich so ein komplett neuer Zugang zu konnektom-basierter Netzwerkanalyse erschlossen. Im tierexperimentellen Ansatz konnte die Analyse GABAerger kortikaler Interaktion im Slice-Präparat etabliert werden (P11). Die wissenschaftlichen Ergebnisse der KFO wurden in einem zweitägigen internationalen Symposium im Dezember 2016 präsentiert und diskutiert. Die Verortung der KFO247 an der Klinik für Neurologie hat zu einer Stärkung des Bereiches Bewegungsstörungen an der Charité mit hoher internationaler Sichtbarkeit geführt. Ein erweiterter Forschungsansatz der KFO soll in der geplanten SFB Transregio Initiative mit der Universität Würzburg fortgesetzt werden.

Publications

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• Processing of emotional stimuli is reflected by modulations of beta band activity in the subgenual anterior cingulate cortex in patients with treatment resistant depression. Soc Cogn Affect Neurosci, 2016; 11(8):1290-8
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• Subthalamic beta power dynamics reflect bradykinesia in Parkinson’s disease months after neurostimulator implantation. Movement Disorders, 2017; 32(8):1183-1190
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• The maximized imaginary part of coherency shows the involvement of cortico-subthalamic neural interactions in lexical decisions of patients with Parkinson’s disease. Clinical Neurophysiology
  Hohlefeld FU, Ewald A, Ehlen F, Tiedt HO, Horn A, Kühn AA, Curio G, Klostermann F, Nikulin VV
  
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• Functional segregation of basal ganglia pathways in Parkinson's disease. Brain, 2018; 141(9):2655-2669
  Neumann WJ, Schroll H, de Almeida Marcelino AL, Horn A, Ewert S, Irmen F, Krause P, Schneider GH, Hamker F, Kühn AA
  
• Pallidal and thalamic neural oscillatory patterns in Tourette's syndrome. Ann Neurol, 2018; 84(4):505-514
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• Reinforcement magnitudes modulate subthalamic beta band activity in patients with Parkinson’s disease. Scientific Reports, 2018; 8(1):8621
  Schroll H, Horn A, Runge J, Lipp A, Schneider GH, Krauss JK, Hamker FH, Kühn AA
  
• Sensorimotor subthalamic stimulation restores risk-reward trade-off in Parkinson's disease. Movement Disorders, 2018; 368(Suppl C):610–11
  Irmen F, Horn A, Meder D, Neumann WJ, Plettig P, Schneider GH, Siebner HR, Kühn AA
  
• Connectivity and dynamics underlying synaptic control of the Subthalamic Nucleus. J Neurosci, 2019; 39(13):2470-2481
  Steiner, LA, Barreda Tomás, FJ, Planert, H, Alle, H, Vida, I, Geiger, JRP
  
• Connectivity profile predictive of effective deep brain stimulation in obsessive compulsive disorder. Biological Psychiatry, 2019; 85(9):735-743
  Baldermann JC, Melzer C, Zapf A, Kohl S, Timmermann L, Tittgemeyer M, Huys D, Visser-Vandewalle V, Kühn AA, Horn A, Kuhn J
  
• Lead-DBS v2: Towards a comprehensive pipeline for deep brain stimulation imaging. NeuroImage, 2019; 184:293–316
  Horn A, Li N, Dembek TA, Kappel A, Boulay C, Ewert S, Tietze A, Husch A, Perera T, Neumann WJ, Reisert M, Si H, Oostenveld R, Rorden C, Yeh FC, Fang Q, Herrington TM, Vorwerk J, Kühn AA
  
• Pallidal beta bursts in Parkinson's disease and dystonia. Mov Disord, 2019; 34(3):420-424
  Lofredi R, Neumann WJ, Brücke C, Huebl J, Krauss JK, Schneider GH, Kühn AA
  
• Prevention of schizophrenia deficits via non-invasive adolescent frontal cortex stimulation in rats. Mol Psychiatry. 2019
  Hadar R, Winter R, Edemann-Callesen H, Wieske F, Habelt B, Khadka N, Felgel-Farnholz V, Barroeta- Hlusicka E, Reis J, Tatarau CA, Funke K, Fritsch B, Bernhardt N, Bikson M, Nitsche MA, Winter C