Dystonia is a movement disorder characterized by involuntary muscle contractions resulting in anomalous postures, often accompanied by dystonic tremors. Among the indicative dystonic postures is an involuntary tonic tilt or rotation of the head. Currently, the etiology and pathogenesis of the disease remain theories. Currently, only low-frequency (theta-alpha) oscillations in the
We propose that the appearance of these pathological rhythms is associated with the reduction of dynamic complexity in the pattern of neural activity within the
The study examined the electrical activity of the
The LEAD DBS software package was employed for postoperative reconstruction of the DBS stimulating electrode positions and for simulating the optimal stimulation zone, selected by the neurologist (i.e., volume of tissue activated, VTA). Subsequently, we identified the region that presented the most significant variation in multifractal spectrum parameters following DBS to understand its correlation with the optimal VTA.
A total of 745 local potential records were analyzed, with 433 in GPe and 312 in GPi. The severity of dystonia was found to be correlated with the parameters of the multifractal spectrum (rho: –0.5630882,
We demonstrated that multifractal analysis can serve as an ancillary approach to evaluate the extent of proprioceptive feedback impairment and as a biomarker of dystonia. The noteworthy and substantial correlation with dystonia severity underscores the considerable potential of multifractal spectrum features as a biomarker of dystonia. Additionally, the overlapping areas with the most significant DBS impact and the widest variation in the multifractal spectrum in DBS can be used as a tool for identifying the most favorable region for DBS stimulation.
Дистония — двигательное нарушение, при котором наблюдается непроизвольное сокращение мышц, приводящее к неестественным позам, в отдельных случаях сопровождающееся дистоническим тремором. Одним из характерных дистонических поз является непроизвольный тонический наклон или поворот головы. На данный момент этиология и патогенез заболевания остаются на уровне гипотез. В настоящее время единственным потенциальным биомаркером патологической активности при дистонии считаются низкочастотные (тета-альфа) осцилляции в бледном шаре. Важно отметить, что у многих пациентов с дистонией в базальных ганглиях не наблюдается ритмическая нейронная активность, что делает невозможным использование этого биомаркера для хирургического лечения заболевания. Остаётся также неясным, за счёт каких механизмов происходят перестройки во временной организации паттернов нейронной активности, приводящие к возникновению патологической симптоматики.
Мы предполагаем, что возникновение подобных патологических ритмов связано с потерей динамической сложности паттерна нейронной активности бледного шара. В настоящем проекте мы предлагаем использовать мультифрактальный анализ для оценки связи изменений динамической сложности паттерна нейронной активности бледного шара с клиническими проявлениями дистонии.
Нами была проанализирована нейронная активность бледного шара у 23 пациентов, проходящих стандартную операцию по вживлению электрода по глубинной стимуляции мозга (DBS). Для уточнения локализации внешнего (GPe) и внутреннего (GPi) сегментов бледного шара производилась интраоперационная регистрация активности одиночных нейронов с помощью техники микроэлектродной регистрации и регистрация локальных потенциалов (LFP). У 4 пациентов производилась дополнительная постоперационная запись LFP, во время которой была проведена стимуляция DBS и воздействие на мышцы шеи вибрацией. Каждый пациент проходил осмотр неврологом для определения тяжести заболевания по шкале Burke-Fahn-Mardsen Dystonia Rating Scale (BFMDRS). Мы вычисляли мультифрактальный спектр локальных потенциалов бледного шара с помощью метода максимумов модулей вейвлет-преобразования и оценивали связь его параметров (ширины и симметричности) с клиническими проявлениями дистонии и эффектом от DBS стимуляции и вибрации шейных мышц.
Мы использовали программный пакет LEAD DBS для постоперационной реконструкции положения стимулирующих DBS электродов и моделирования зоны стимуляции, выбранной неврологом в качестве оптимальной (volume of tissue activated — VTA). Затем мы локализовали область с наибольшим изменением параметров мультифрактального спектра в ответ на тестовую DBS стимуляцию, чтобы посмотреть, как эта область соотносится с оптимальной VTA.
Всего было проанализировано 745 записей локальных потенциалов (433 в GPe и 312 в GPi). Мы обнаружили, что параметры мультифрактального спектра коррелировали с тяжестью дистонии (rho: –0,5180609,
Мы показали, что можно использовать мультифрактальный анализ как дополнительный метод оценки степени нарушения обратной проприоцептивной связи и как биомаркер дистонии. Высокая и достоверная корреляция с тяжестью дистонии указывает на высокий потенциал характеристик мультифрактального спектра в качестве потенциального биомаркера дистонии. Также пересечение областей с наилучшим эффектом DBS и наибольшим изменением ширины мультифрактального спектра при DBS позволяют использовать данный параметр в качестве уточняющего для выявления оптимальной области DBS стимуляции.