Sampling the parameter space of cDBS in hemi-pd rat model

Abstract: Parkinson’s disease (PD) is one of the two primary neurological illnesses that affect a large part of the aging population of the planet. In addition to the Levadopa medication, Deep Brain Stimulation (DBS) has been utilised as a complementary treatment for PD patients. Understanding the underlying mechanism behind the DBS treatment, improving its outcomes and developing a closed-loop DBS (cDBS) system for PD applications has been the goals for years.

Any alternative and/or novel method must prove its performance according to some metrics. The metric “better outcome in patients” is inaccessible by certification and ethical issues. In this thesis, a pre-clinical cDBS platform using the unilateral 6-OHDA PD rat model was developed and extensively tested at different levels, to empower the active engineers and researcher in the field to test their new technologies, algorithms and ideas pre-clinically. For this purpose, a new open-access electrical stimulator was developed and used as the DBS pulse generator on unilateral 6-OHDA-lesioned rat model. It was shown that the DBS treatment could successfully compensate for motor symptoms and improve the performance of the PD rats to the level of the healthy (non-lesioned) group. Moreover, the intracortical oscillations in the beta frequency range was traced back to the dopamine loss in the lesioned hemisphere. Therefore, the 6-OHDA rat model could be utilised as an adequate test platform for bioelectronic PD therapies.

A behavioral metric (transient induced rotation) was proposed and extensively tested for the assessment of alternative DBS parameters in the model. From the DBS parameters tested (pulse amplitude, stimulation frequency and waveform), amplitude and frequency showed similar dynamics to the reported results in the literature. However, none of the alternative waveforms (sinusoidal, triangular and linear decaying pulse shapes) could exhibit their superior performance compared to the conventional rectangular pulse shape.

A cDBS setup was successfully developed and tested on the hemi-PD rat model. The reported characteristics of a cDBS paradigm as well as its less-spoken aspects were investigated in a separate study. It was shown that the baseline threshold for beta oscillation varies after the injection of apomorphine (another common treatment for PD), which might lead to improper functionality of the cDBS setup. Furthermore, it was shown that the reported triggering mechanisms might lead to unwanted DBS activation after strong motion artifacts, since the activated frequencies overlap with the beta oscillations. Overall, it is hoped that the present work has made an important contribution to the PD-DBS field
Abstract: Parkinson’s Syndrom (PD) ist eine der beiden häufigsten neurologischen Erkrankungen, von denen ein beträchtlicher Teil der alternden Bevölkerung betroffen ist. Zusätzlich zum Levadopa-Medikament wurde die Deep Brain Stimulation (DBS) als ergänzende Behandlung für PD-Patienten eingesetzt. Das Verständnis des zugrunde liegenden Mechanismus der DBS- Behandlung, die Verbesserung ihrer Ergebnisse und die Entwicklung eines geschlossenen DBS-Systems (cDBS) für PD-Anwendungen sind seit Jahren das Ziel.

Jede alternative und / oder neuartige Methode muss ihre Leistung anhand einiger Metriken nachweisen. Die Metrik „Besseres Ergebnis bei Patienten“ ist aufgrund von Zertifizierungs- und ethischen Fragen nicht zugänglich. In dieser Arbeit wurde eine vorklinische cDBS- Plattform unter Verwendung des einseitigen 6-OHDA-PD-Rattenmodells entwickelt und auf verschiedenen Ebenen ausgiebig getestet, um den aktiven Ingenieuren und Forschern auf diesem Gebiet die Möglichkeit zu geben, ihre neuen Technologien, Algorithmen und Ideen vorklinisch zu testen. Zu diesem Zweck wurde ein neuer elektrischer Open-Access-Stimulator entwickelt und als DBS-Impulsgenerator für einseitige Rattenmodelle mit 6-OHDA-Läsionen verwendet. Es wurde gezeigt, dass die DBS-Behandlung motorische Symptome erfolgreich kompensieren und die Leistung der PD-Ratten auf das Niveau der gesunden (nicht verletzten) Gruppe verbessern konnte. Darüber hinaus wurden die intrakortikalen Schwingungen im Beta-Frequenzbereich auf den Dopaminverlust in der verletzten Hemisphäre zurückgeführt. Daher könnte das 6-OHDA-Rattenmodell als adäquate Testplattform für bioelektronische PD-Therapien verwendet werden.

Eine Verhaltensmetrik (transient induzierte Rotation) wurde vorgeschlagen und ausgiebig getestet, um alternative DBS-Parameter im Modell zu bewerten. Von den getesteten DBS- Parametern (Pulsamplitude, Stimulationsfrequenz und Wellenform) zeigten Amplitude und Frequenz eine ähnliche Dynamik wie die in der Literatur angegebenen Ergebnisse. Keine der alternativen Wellenformen (sinusförmige, dreieckige und linear abklingende Pulsformen) konnte jedoch im Vergleich zur herkömmlichen rechteckigen Pulsform ihre überlegene Leistung zeigen.

Ein cDBS-Setup wurde erfolgreich entwickelt und am Hemi-PD-Rattenmodell getestet. Die berichteten Merkmale eines cDBS-Paradigmas sowie seine weniger gesprochenen Aspekte wurden in einer separaten Studie untersucht. Es wurde gezeigt, dass der Basisschwellenwert für die Beta-Oszillation nach der Injektion von Apomorphin (eine weitere häufige Behandlung für PD) variiert, was zu einer fehlerhaften Funktionalität des cDBS-Aufbaus führen kann. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die berichteten Auslösemechanismen nach starken Bewegungsartefakten zu einer unerwünschten DBS-Aktivierung führen können, da sich die aktivierten Frequenzen mit den Beta-Oszillationen überlappen. Insgesamt hofft die vorliegende Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Tiefen-Hirn Stimulation geleistet zu haben

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Classification and Topics

• Keyword: Space ; Sampling

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2021
• Creator: Mottaghi, Soheil
• Contributor: Hofmann, Ulrich ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/194313
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1943136
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:50 PM CET