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Microelectrode Neuronal Activity of the Internal Globus Pallidus in Dystonia Correlates with Postoperative Neuromodulation Effects and Placement of the Stimulation Electrode - 20/07/19

Doi : 10.1016/j.irbm.2019.05.006 
O. Klempíř a, , R. Krupička a , R. Jech b
a Department of Biomedical Informatics, Faculty of Biomedical Engineering, Czech Technical University in Prague, Kladno, Czech Republic 
b Department of Neurology, 1st Faculty of Medicine, Charles University, Prague, Czech Republic 

Corresponding author at: Department of Biomedical Informatics, Faculty of Biomedical Engineering, Czech Technical University in Prague, Nam. Sitna 3105, 272 01 Kladno, Czech Republic.Department of Biomedical InformaticsFaculty of Biomedical EngineeringCzech Technical University in PragueNam. Sitna 3105Kladno272 01Czech Republic

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Abstract

Background

Deep brain stimulation (DBS) is emerging as a viable treatment option for selected patients with dystonia. Intraoperative extracellular microelectrode recordings (MER) are considered as the standard electrophysiological method for the precise positioning of the DBS electrode into the target brain structure. Accurate targeting of the permanent stimulation electrode into the Globus Pallidus internus (GPi) is key to positive long-term effects. The suitability of the location is peroperatively assessed by microelectrodes that register single-unit neuronal activity. The aim of this article is to analyse electrophysiological recordings of patient's neuronal activity with a focus on the identification of markers relevant to the patient's clinical state.

Methods

In this study, 13 patients chronically treated with double-sided DBS GPi were examined with a microrecording. The signal (24 kHz) processing, included bandpass filtering (0.5–5 kHz), automated detection of artefacts and feature extraction. Pre-processed signals were analysed by means of statistical learning.

Results

The results show that the GPi was distinguished from its vicinity with p < 0.001 and 3 machine learning models AUCs had an accuracy of higher than 0.87. The observed biomarker, Hjort mobility, additionally correlated with the long-term neuromodulation effect (rho = −0.4; p < 0.05). Furthermore, we revealed a change of neural activity associated with the active distal DBS contact localization along the medio-lateral direction.

Conclusion

This paper demonstrates the quantitative relationship between electrophysiological findings and the clinical effects of pallidal stimulation in dystonia and suggested objectification predictors of the effectiveness of this therapy.

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Graphical abstract

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Highlights

Unambiguous criteria for DBS implantation performance in dystonia are not yet known.
The methodology for processing microrecording signals has been implemented.
Microelectrode recordings were evaluated in 13 dystonic patients with GPi-DBS.
The electrophysiological biomarker is correlated with the long-term neuromodulation effect.
Contact localization along the medio-lateral direction may affect postoperative DBS effect.

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Keywords : Dystonia, Deep brain stimulation, Microrecording, Globus pallidus interna, Neuromodulation


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P. 193-200 - août 2019 Retour au numéro
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