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Potenciais de campo local e dispositivos de DBS com brain sensing na DP

Atualizado: 20 de dez. de 2023

Dispositivo Percept/Sensight (Medtronic) no tratamento da doença de Parkinson


Este texto visa descrever aspectos técnicos e clínicos do uso dos dispositivos Percept e Sensight da Medtronic para Estimulação Cerebral Profunda (Deep Brain Stimulation, DBS) no tratamento da doença de Parkinson (DP). A DP é uma condição neurodegenerativa progressiva caracterizada por sintomas motores, como bradicinesia, rigidez e tremor. A intervenção com DBS, especialmente no núcleo subtalâmico (STN), tem se mostrado uma terapia eficaz para o tratamento sintomático de pacientes com DP.


O que é um potencial de campo local (LFP)?


LFPs representam a atividade elétrica somada proveniente das correntes locais transmembrana de neurônios situados ao redor de um eletrodo. Fatores importantes que contribuem para o LFP incluem a arquitetura celular e sináptica e a sincronia das fontes de corrente.

Os LFPs foram caracterizados em bandas de frequência (Hz): delta (0-3), teta (4-7), alfa (8-12), beta (13-30), gama (31-200) e alta frequência (> 200), embora a literatura relacionada à atividade oscilatória nos núcleos da base descreva amplamente beta na faixa de 8 a 30 Hz. Enquanto mudanças na atividade dentro de cada banda de frequência contribuem para o processamento normal do cérebro, a atividade persistente na faixa de frequência beta tem sido associada à retirada da medicação antiparkinsoniana e ao retorno dos sintomas em pacientes com DP. Portanto, a atividade beta persistente tem sido considerada um sinal "anti-cinético". O aparecimento de frequências na faixa gama (60-90 Hz) nos núcleos da base pode estar relacionado ao "vigor ou esforço" de uma resposta motora e tem sido chamado de "procinético".


Perspectiva Atual dos LFPs na Doença de Parkinson


No contexto da doença de Parkinson (DP), as oscilações de alta frequência (HFOs) e os potenciais de campo local (LFPs) são aspectos chave para entender a fisiopatologia da doença. Segundo Yin Z, Zhu G, Zhao B, et al. em um estudo revisando as frequências dos LFPs na DP, publicado no periódico Neurobiol Dis em julho de 2021, os sinais fisiológicos e patológicos em PD se manifestam em diferentes bandas de frequência.


1. Delta (~0-4 Hz): Esta banda está relacionada ao sono de ondas lentas.

2. Theta/Alpha (~4-13 Hz): Estas frequências estão associadas à cognição, emoção e regulação da marcha. Em contextos patológicos, podem estar relacionadas à discinesia e ao tremor.

3. Baixo Beta (~13-20 Hz): Esta banda é modulada durante o movimento e, na DP, está associada à rigidez, bradicinesia e congelamento da marcha.

4. Alto Beta (~20-35 Hz): Relacionado à via hiperdireta.

5. Gamma (~35-250 Hz): Associado ao controle motor e à força. Em contextos patológicos, pode estar relacionado à discinesia e tremor em repouso.

6. HFO Lento (~200-300 Hz): Relacionado à acinesia.

7. HFO Rápido (~300-400 Hz): Considerado procinético.


Essas bandas de frequência proporcionam insights sobre o funcionamento cerebral em pacientes com DP, oferecendo possibilidades para o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes e personalizados.



Fundamentos do uso dos LFPs na DP


Estudos eletrofisiológicos em pacientes não medicados com DP submetidos a DBS no STN demonstram sincronização proeminente na banda de frequência beta (β), na faixa de frequência de 13–30 Hz. Essa sincronização, estimada como potência na densidade espectral (power in the spectral density, PSD) dos potenciais de campo local (LFP) do STN, manifesta-se como um pico β. A potência (ou poder) β tem sido associada à gravidade dos sintomas motores da DP, assim como inversamente correlacionada com a severidade da rigidez e bradicinesia e suprimida pela medicação dopaminérgica.


Dispositivo Sensight: Aspectos Cirúrgicos


O eletrodo DBS disponível no Brasil capaz de realizar a leitura de LFPs é o Sensight, da Medtronic, composto por oito contatos de platina-irídio de 1,5 mm cada, numa configuração 1-3-3-1 (eletrodos menos ventral e menos dorsal direcionais) e separação de 0,5 mm entre contatos.





Dispositivo Percept PC: Características do equipamento


O dispositivo Percept™ PC DBS da Medtronic foi o primeiro dispositivo comercialmente disponível capaz de realizar brain sensing in vivo, tanto estimulando quanto registrando atividade cerebral.


O sistema é composto por um eletrodo DBS, um cabo de extensão e um gerador de pulso implantável (IPG). O hardware não implantado inclui um tablet para programação clínica, um comunicador e um controlador para o paciente. A corrente elétrica é gerada no neuroestimulador e transmitida pelo cabo de extensão até o eletrodo DBS e o tecido alvo. É possível conectar um ou dois eletrodos DBS ao IPG de dois canais. A fonte de energia do IPG é uma célula primária híbrida de óxido de prata vanádio.

A tecnologia BrainSense™ permite a função de sensing no Percept™ PC, medindo os potenciais de campo local (LFPs) usando os contatos adjacentes ao contato estimulante. Os LFPs representam a atividade elétrica agregada do grupo de neurônios ao redor do contato de gravação. Uma configuração de estimulação monopolar é necessária para gravar esses sinais cerebrais, pois permite uma configuração de sensing geometricamente simétrica ao redor do contato estimulante, melhorando a exclusão do artefato de estímulo.

O IPG do Percept™ PC contém software para processamento e análise de sinais LFP em tempo real, que são posteriormente armazenados no IPG para download posterior pelo clínico. Com os eletrodos implantados, é possível realizar uma pesquisa de atividade LFP, gerando um gráfico da diferença no sinal LFP entre quaisquer dois pares de contatos.

Os sinais LFP podem ser registrados em dois cenários – fora e dentro da clínica. As gravações fora da clínica são capturadas entre pulsos de onda quadrada e exibidas como potência média de períodos de 10 minutos na visualização 'Timeline' do tablet de programação. Os dados de gravações fora da clínica só podem ser visualizados quando o paciente retorna à clínica e o tablet de programação clínica é conectado via telemetria ao IPG do paciente.

Os pacientes podem participar na anotação desses dados usando a função 'Eventos'. Uma instantânea de 30 segundos de dados LFP é tirada imediatamente após um paciente marcar um evento pré-determinado pelo clínico. Exemplos de eventos clinicamente relevantes incluem 'tomou medicamentos', 'episódio de distonia' ou 'discinesia'.

A tecnologia BrainSense™ também permite avaliar a dinâmica da banda de LFP de interesse ao longo do tempo, conhecida como 'definição de limiares de LFP'. Uma vez que o paciente está em uma configuração terapêutica estável, e as bandas de LFP de interesse são identificadas para flutuar em resposta aos níveis de estimulação, podem ser definidos limiares de LFP.

Enquanto os outros dispositivos Medtronic Activa™ podem ser programados em modo de corrente constante ou voltagem constante, enquanto os dispositivos Percept™ PC estão restritos ao modo de corrente constante.


Dispositivo Percept PC: Monitoramento em Tempo Real


O Percept PC permite a gravação contínua de LFP em tempo real, mesmo durante a estimulação ativa, e transmite os dados sem fio para um dispositivo de armazenamento (tablet). Os modos de gravação bipolar incluem várias configurações (BrainSense™). Os dados podem ser visualizados parcialmente online.





Avaliações Online Utilizando BrainSense™


1. Modo BrainSense Survey: Permite a identificação da potência beta mais elevada entre os contatos.

2. Modo BrainSense Streaming: Permite visualização online da potência LFP para uma banda de frequência pré-selecionada, enquanto a amplitude de estimulação é manualmente aumentada. O aumento na amplitude de estimulação pode induzir em tempo real uma diminuição na potência da banda beta.


Abaixo descrevemos as principais funções e características dos modos de gravação disponíveis com o dispositivo Percept™ PC da Medtronic. Este texto é essencial para entender a aplicabilidade clínica do dispositivo em diferentes contextos e configurações. Esses são os modos de gravação disponíveis:


1. Modo BrainSense™ Survey:

- Estimulação: Desligada.

- Uso: Em clínica.

- Pares de Contato: Todos os pares de contato possíveis.

- Funções e Características Principais: Realiza a checagem de impedância e a triagem de artefatos. A duração da medição é de 90 segundos. A interface do usuário (tablet) exibe a magnitude dos LFPs (microvolts de pico, μvp) em relação à frequência (Hz), apresentando cerca de 21 segundos de dados para cada par de contatos. Dados de LFP no domínio do tempo (250 Hz) estão disponíveis no arquivo .json.


2. Modo Survey Indefinite Streaming:

- Estimulação: Desligada.

- Uso: Em clínica.

- Pares de Contato: Todos os pares de contato compatíveis com estimulação (por exemplo, 0–3, 1–3, 0–2).

- Funções e Características Principais: Disponível na mesma tela do Survey. Não há saída de interface do usuário sobre os dados gravados. O fluxo de dados pode ser mantido pelo tempo desejado. Dados de LFP no domínio do tempo (250 Hz) estão disponíveis no arquivo .json.


3. Modo BrainSense™ Streaming:

- Estimulação: Desligada ou ativada.

- Uso: Em clínica.

- Pares de Contato: Todos os pares de contato possíveis.

- Funções e Características Principais: Executa checagem de impedância e triagem de artefatos, que podem ser desativadas. A duração da medição é de 90 segundos. O tablet exibe a magnitude dos LFPs (μVp) em relação à frequência (Hz). Indica o maior pico nas faixas de frequência beta ou gama por par de contato (apenas para pares compatíveis com estimulação e apenas se >1.1 μVp). Dados no domínio do tempo estão disponíveis no arquivo .json. O usuário pode selecionar manualmente um par de contato e uma banda de frequência para gravações subsequentes.


4. Modo Streaming:

- Estimulação: Desligada ou ativada.

- Uso: Em clínica.

- Pares de Contato: Um único par de contato pré-definido para cada hemisfério (se ambos tiverem uma configuração completa).

- Funções e Características Principais: Deve ser precedido pela configuração de sensação de LFP (BrainSense™ setup). Registros online. Dados de LFP no domínio do tempo (250 Hz) disponíveis no arquivo JSON. O tablet exibe a potência selecionada e a amplitude de estimulação em tempo real e durante todo o registro a 2 Hz.


5. Modo Timeline:

- Estimulação: Desligada ou ativada.

- Uso: Em casa.

- Pares de Contato: Pares de contato pré-selecionados (dependentes do contato de estimulação ativo).

- Funções e Características Principais: Habilitado ao selecionar 'Passivo' no streaming BrainSense. Os dados de LFP são coletados cronicamente (até 60 dias). Gravação da potência da banda de frequência pré-selecionada (frequência selecionada ±2, 5 Hz). Calcula a potência média em 10 minutos.


6. Modo Events:

- Estimulação: Desligada ou ativada.

- Uso: Em casa.

- Pares de Contato: Pares de contato pré-selecionados (dependentes do contato de estimulação ativo).

- Funções e Características Principais: Os pacientes podem marcar eventos manualmente (por exemplo, queda, tomada de medicamento, período "on", discinesia) durante as gravações do Timeline usando o programador do paciente. Os LFPs são gravados por 30 segundos diretamente após o gatilho, mas não são armazenados. A estimativa média do PSD de cada evento é armazenada e pode ser recuperada na clínica.


Cada um desses modos oferece diferentes capacidades de gravação e análise, adaptando-se a diversos cenários clínicos e às necessidades individuais dos pacientes.


Programação Guiada por Beta


A programação guiada por LFP é em geral focada na potência β, utilizando o algoritmo integrado do dispositivo para calcular a potência β do STN. O "Brain Sense Survey" é costumeiramente realizado, obtendo uma PSD bipolar para cada par de contatos. A seleção do par de contatos para estimulação baseia-se geralmente na maior potência β, compartilhando igualmente a corrente entre esses contatos.


A estimulação guiada por β pode ser uma estratégia promissora para reduzir o ônus da programação para pacientes com DP submetidos a DBS no STN. Alguns estudos sugerem que este método supera o padrão-ouro (programação baseada na clínica) e equipara-se à alternativa atual, programação baseada na imagem, em termos de tempo de programação, ao mesmo tempo que resulta em controle de sintomas semelhante.


Conclusão


O uso dos dispositivos Percept e Sensight da Medtronic em pacientes com DP representa um avanço significativo no tratamento personalizado. A capacidade de monitorar e ajustar a terapia DBS em tempo real e com base na atividade neural

específica do paciente oferece uma abordagem mais refinada e eficaz no manejo dos sintomas da DP.



Referências:

Thenaisie Y, Palmisano C, Canessa A, et al. Towards adaptive deep brain stimulation: clinical and technical notes on a novel commercial device for chronic brain sensing. J Neural Eng. 2021;18(4):10.1088/1741-2552/ac1d5b. Published 2021 Aug 31. doi:10.1088/1741-2552/ac1d5b


Binder T, Lange F, Pozzi N, et al. Feasibility of local field potential-guided programming for deep brain stimulation in Parkinson's disease: A comparison with clinical and neuro-imaging guided approaches in a randomized, controlled pilot trial. Brain Stimul. 2023;16(5):1243-1251. doi:10.1016/j.brs.2023.08.017


Yin Z, Zhu G, Zhao B, et al. Local field potentials in Parkinson's disease: A frequency-based review. Neurobiol Dis. 2021;155:105372. doi:10.1016/j.nbd.2021.105372



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