Individualisierte und Adaptive Tiefenhirnstimulation

Bereits seit den 1990er Jahren wird die elektrische Stimulation erfolgreich zur Behandlung vor allem von Bewegungsstörungen eingesetzt, die beispielsweise durch Parkinson oder Dystonie ausgelöste werden. Die Ergebnisse vielfältiger Forschungsarbeit haben seither Hinweise auf eine stets wachsende Zahl weiterer Anwendungsbereiche dieser Therapie-Form hervorgebracht.

Insbesondere die adaptive Hirnstimulation, die sich am situativen Behandlungsbedarf des Patienten orientiert, ist ein vielversprechender Ansatz für neue innovative Therapien. Voraussetzung für das Funktionieren solcher Therapien ist es, die jeweils entscheidenden neuronalen bzw. behavioralen Biomarker zu ermitteln, aus denen sich der Zustand des Patienten abgelesen und der erforderliche therapeutische Stimulationsimpuls ableiten lässt.

Einige Beispiele für solche Therapien beschreiben wir im Folgenden.

– für eine bessere Behandlung von Bewegungsstörungen, z.B. Morbus Parkinson (MP)

Die Parkinson-Erkrankung betrifft weltweit über eine Million Menschen. Das  macht sie nach Alzheimer zur zweithäufigsten neurodegenerativen Erkrankung. Insbesondere durch einige prominente Betroffene wie z.B. Michael J. Fox, Muhammad Ali oder Papst Johannes Paul II hat die Krankheit und ihre Symptome eine großen Bekanntheitsgrad erlangt: Steifheit, Zittern, unsicherer, vornüber gebeugter Gang, maskenhafter Gesichtsausdruck.

Das Potential der Neurotechnologie

Es gibt bislang keine ursächliche Therapie, die den Krankheitsverlauf von Morbus Parkinson aufhalten könnte. Die Symptome werden mit Hilfe von Pharmazeutika (L-Dopa) unterdrückt. Mit fortschreitender Erkrankung benötigen die Patienten jeodch immer höhere Dosen benötigt, und es kommt zu starken Fluktuationen zwischen übertriebenen Bewegungen und Starrheit.

In diesem Stadium kann vielen Patienten mit einer Behandlung durch tiefe Hirnstimulation über ein aktives Neuroimplantat geholfen werden. Durch elektrische Stimulation beeinflusst es die Hirnfunktion, um die Symptome der Erkrankung einzudämmen. Das Zittern wird unterdrückt und die Bewegungsfähigkeit wiederhergestellt. Derzeit sind bereits mehr als 100.000 Patienten weltweit mit solchen Hirnstimulatoren versorgt. In der Parkinson-Erkrankung können.

Auch bei anderen Bewegungsstörungen, wie z.B. Dystonie und essentiellem Tremor, teilweise auch bei bestimmten Epilepsien, werden Hirnstimulatoren mit Tiefenhirn-Elektroden bereits erfolgreich eingesetzt.

Anwendung von CorTec Produkten

Die derzeit für klinische Anwendung eingesetzten Systeme zur Hirnstimulation werden vom behandelnden Arzt eingestellt und stimulieren dann kontinuierlich mit konstanten Parametern. Sollten die Symptome schwanken, kann die Stimulation nicht kurzfristig und ohne Intervention des Arztes angepasst werden. Darüber hinaus kann die gleichmäßige Stimulation Nebenwirkungen produzieren oder aber nicht ausreichend auf bestimmte Symptome einwirken. Beide Fälle können in unterschiedlichen Situationen zu mehr oder weniger störenden Effekten führen.

 

Um dieser Problematik zu begegnen, ist zum einen eine zuverlässige Detektion von Hirnsignalen erforderlich, die Auskunft über den aktuellen Zustand des Patienten gibt. Hierfür eignen sich die flachen °AirRay Grid-Elektroden besonders gut, weil sie insbesondere als Komponenten von Gesamt-Systemen individualisiert und in hoch-auflösenden Designs genau auf die Anwendung optimiert werden können.

 

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zudem die Option, speziell ausgelegte Elektroden-Designs mit einer langfristigen Closed-Loop Therapie zu verbinden: Die Brain Interchange Technologie ist in der Lage, auf das physiologische Feedback ihrer Aktivitäten zu reagieren. Sie misst die Hirnsignale des Patienten, wertet diese Daten aus und stellt sich autonom auf den aktuellen Zustand des Patienten ein. Dies ermöglicht eine Therapie, die sich genau an den Bedarf des Patienten anpasst.

Stand der Forschung und Technik

Die °AirRay Grid-Elektroden von CorTec können in unterschiedlichsten Designs im Rahmen wissenschaftlicher Studien wie auch als Komponenten von therapeutischen Komplett-Systemen zum Einsatz kommen.

 

Das Brain Interchange System befindet sich derzeit in der Entwicklung. Erste klinische Pilotstudien sind in Vorbereitung, unter anderem auch für die Nutzung als Closed-Loop Therapie-System für Parkinson-Patienten.

– für die Therapie von chronischen Schmerzen

Bestimmte Arten von chronischen Schmerzen haben physiologisch keine behandlungsbedürftige Ursache, beeinträchtigen die Betroffenen aber aufgrund ihrer Intensität dennoch in äußerst schwerwiegender Form. Derartige Schmerzen können zentralnervösen Ursprungs sein z.B. nach Schlaganfällen oder als Folgen von Neuropathien etwa des Trigeminus Nervs auftreten. Medikamente bringen den Betroffenen in diesen Fällen keine Erleichterung.

Das Potential der Neurotechnologie

Wo eine wirksame Behandlungsalternative fehlt, kann die elektrische Stimulation der motorischen Großhirnrinde in manchen Fällen Linderung bringen. Hierzu werden gitterartige Folien-Elektroden über dem Motorcortex auf der äußeren Hirnhaut fixiert und mit einem Neurostimulator verbunden. Die elektrischen Stimulationspulse, die an das Gewebe abgegeben werden, sorgen für eine Linderung des Schmerzgefühls.

Anwendung von CorTec Produkten

Die flachen °AirRay Grid-Elektroden von CorTec eignen sich grundsätzlich für die Stimulation des Gehirngewebes. Insbesondere als Komponenten von Gesamt-Systemen können sie individualisiert und in hoch-auflösenden Designs genau auf die Anwendung optimiert werden. Dies bietet eine größere räumliche Auflösung des zu stimulierenden Areals, wodurch die schmerzlindernden Hirnrindenbereiche besser erreicht werden können.

 

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zudem die Option, speziell ausgelegte Elektroden-Designs mit einer langfristigen Closed-Loop Therapie zu verbinden: Die Brain Interchange Technologie ist in der Lage, auf das physiologische Feedback ihrer Aktivitäten zu reagieren. Sie misst die Hirnsignale des Patienten, wertet diese Daten aus und stellt sich autonom auf den aktuellen Zustand des Patienten ein. Dies ermöglicht eine Therapie, die sich genau an den Bedarf des Patienten anpasst.

Stand der Forschung und Technik

Die Motorcortex-Stimulation mit Elektroden und Stimulatoren, die bereits zur klinischen Nutzung zugelassenen sind, hat bereits breiten Einzug in die klinische Praxis gehalten. Diese System verfügen jedoch über eine begrenzte Anzahl an Kanälen.

 

Die °AirRay Elektroden-Technologie von CorTec mit ihren vielfältigen Möglichkeiten hinsichtlich des Elektroden-Designs kann dazu beitragen, verbesserte Therapie-Formen zu erschließen – insbesondere wenn sie mit dem Closed-Loop Implantat-System von CorTec, Brain Interchange, kombiniert werden.

 

Durch seine hohe Kanal-Zahl zusammen mit der Möglichkeit, an allen Kontakten sowohl abzuleiten als auch zu stimulieren, ermöglicht das Brain Interchange System eine bislang unerreichte Dichte an Informationsübertragung und somit eine präzisere Therapie.

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– für Anfallskontrolle in der Epilepsie

Epilepsie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen. Ca. 1 % aller Menschen erleidet im Laufe ihres Lebens einen oder mehrere epileptische Anfälle. Die Symptome dieser Anfälle sind vielfältig und reichen von kurzen mentalen „Abwesenheiten“ („Absencen“) bis hin zu den gefürchteten „Grand mal“-Anfällen begleitet von Stürzen und generalisierten, unkontrollierbaren Zuckungen. Da die Anfälle in der Regel nicht vorhersehbar sind, leben die Betroffenen in ständiger Angst und sind in ihrem Alltag erheblich beeinträchtigt. Viele Epilepsie-Patienten dürfen z.B. wegen der ständigen Gefahr eines Anfalls nicht Auto fahren oder größere Maschinen bedienen.

 

Ursache der Epilepsie sind unkontrollierbare Erregungszustände im Gehirn, die sich gegenseitig aufschaukeln, bis es zur gleichzeitigen Erregung vieler Nervenzellen kommt, die ihrerseits weite Teile des Gehirns erfassen können. In diesem Zustand kann das Gehirn nicht mehr normal funktionieren und etwa Informationen verarbeiten oder Bewegungen kontrollieren.

 

Zwar gibt es medikamentöse Therapien, jedoch wirken sie bei ca. einem Drittel der Epilepsiepatienten nicht oder nur unzureichend. Zudem sind die Medikamente, die dauerhaft genommen werden müssen, meist mit Nebenwirkungen verbunden.

Das Potential der Neurotechnologie

Mit Hilfe gezielter elektrischer Stimulation lässt sich die Ausbreitung von unkontrollierten Erregungszuständen im Gehirn eindämmen. Darüber kann ein sich anbahnender epileptischer Anfall unterbrochen oder sogar verhindert werden.

Entscheidend dafür ist die rechtzeitige Detektion eines aufkommenden Anfalls, die als Auslöser für den Stimulationsimpuls dient.

Anwendung von CorTec Produkten

Die flachen °AirRay Grid-Elektroden von CorTec sind für diesen Einsatzbereich besonders gut geeignet, weil sie insbesondere als Komponenten von Gesamt-Systemen individualisiert und in hoch-auflösenden Designs genau auf die Anwendung optimiert werden können.

 

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zudem die Option, speziell ausgelegte Elektroden-Designs mit einer langfristigen Closed-Loop Therapie zu verbinden: Die Brain Interchange Technologie ist in der Lage, auf das physiologische Feedback des Körpers zu reagieren. Sie misst die Hirnsignale des Patienten, wertet diese Daten aus und stellt sich autonom auf den aktuellen Zustand des Patienten ein. Aufkommende epileptische Anfälle kann sie erkennen und mit rechtzeitigen Stimulationsimpulsen mildern oder gar verhindern.

Stand der Forschung und Technik

Konstante Tiefenhirnstimulation wird bereits bei einigen Epilepsietypen mit entsprechend zugelassenen Systemen eingesetzt (s. z.B. Krishna et al., 2016). Diese sind allerdings nicht anpassungsfähig an den Therapie-Bedarf des Patienten.

Für eine bedarfsabhängige Stimulation der Hirnrinde existiert bislang nur ein einziges System, das sich anbahnende Anfälle unterbinden soll. Auch dieses allerdings agiert in einer beschränkten Anzahl an Kanälen.

 

Die °AirRay Elektroden-Technologie von CorTec mit ihren vielfältigen Möglichkeiten hinsichtlich des Elektroden-Designs kann dazu beitragen, verbesserte Therapie-Formen zu erschließen – insbesondere wenn sie mit dem Closed-Loop Implantat-System von CorTec, Brain Interchange, kombiniert werden.

 

Durch seine hohe Kanal-Zahl zusammen mit der Möglichkeit, an allen Kontakten sowohl abzuleiten als auch zu stimulieren, ermöglicht das Brain Interchange System eine bislang unerreichte Dichte an Informationsübertragung und somit eine präzisere Therapie.

Weiterführende Links und Literatur

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Fachliteratur 

Morbus Parkinson

Closed-loop interaction with the cerebral cortex: a review of wireless implant technology

Fabian Kohler, C. Alexis Gkogkidis, Christian Bentler, Xi Wang, Mortimer Gierthmuehlen , Joerg Fischer, Christian Stolle, Leonhard M. Reindl, Joern Rickert, Thomas

Stieglitz, Tonio Ball & Martin Schuettler (2017) Brain-Computer Interfaces, 4:3, 146-154, DOI:10.1080/2326263X.2017.1338011

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/2326263X.2017.1338011

 

Zusammenfassende Arbeit über den Stand der DBS Technik und ihre momentanen und zukünftigen Anwendungen und Technologien:

 Deep brain stimulation for movement disorders: 2015 and beyond.

Fasano A, Lozano AM. Curr Opin Neurol. 2015 Aug;28(4):423-36. doi: 10.1097/WCO.0000000000000226. Review.

 

Individualisierte DBS für die Behandlung von Tourette

 Scheduled, intermittent stimulation of the thalamus reduces tics in Tourette syndrome.

Rossi PJ, Opri E, Shute JB, Molina R, Bowers D, Ward H, Foote KD, Gunduz A, Okun MS. Parkinsonism Relat Disord. 2016 Aug;29:35-41. doi: 10.1016/j.parkreldis.2016.05.033. Epub 2016 Jun 7.

 

Chronische Schmerzen

Motor Cortex Stimulation for Chronic Pain

Neurosurgery Clinics of North America

Volume 25, Issue 4, October 2014, Pages 693-698

.ThomasOstergard MD, MS. CharlesMunyon MD..Jonathan P.MillerMD

https://doi.org/10.1016/j.nec.2014.06.004

 

Motor cortec stimulation for Refractory Benign Pain

Clinical Neurosurgery 54, Chapter 12, 2007; Machado A, Azmi H, Rezai A

https://www.cns.org/sites/default/files/clinical_neuro/chapter12_1.pdf

 

 

Epilepsie

Kontinuierliche Tiefenhirnstimulation bei Epilepsie

 

Anterior Nucleus Deep Brain Stimulation for Refractory Epilepsy: Insights Into Patterns of Seizure Control and Efficacious Target.

Krishna V, King NK, Sammartino F, Strauss I, Andrade DM, Wennberg RA, Lozano AM.

Neurosurgery. 2016 Jun;78(6):802-11. doi: 10.1227/NEU.0000000000001197.

 

Bedarfsgerechte Stimulation der Hirnrinde mit kommerziell erhältlichem System

 

Brain-responsive neurostimulation in patients with medically intractable mesial temporal lobe epilepsy.

Geller EB, …, Morrell MJ.

Epilepsia. 2017 Jun;58(6):994-1004. doi: 10.1111/epi.13740. Epub 2017 Apr 11.

 

Brain-responsive neurostimulation in patients with medically intractable seizures arising from eloquent and other neocortical areas.

Jobst BC, …., Morrell MJ.

Epilepsia. 2017 Jun;58(6):1005-1014. doi: 10.1111/epi.13739. Epub 2017 Apr 7.