Konnektombasierte tiefe Hirnstimulation

Deep brain stimulation (DBS) is an established and highly efficacious treatment option in idiopathic Parkinson’s disease, dystonia and essential tremor. In the past, the clinical effects of DBS were explained as local effects within the target structure of the DBS electrode. Nowadays, this concept is only considered part of the explanation of the mechanism of action of DBS. Rather, the concept has been extended by additive effects mediated via structural and functional connectivity of the target area to different other areas of the whole brain, namely the so-called cortex basal ganglia cerebellar loop. The analysis of whole brain connectivity is a discipline of the so- called connectomic neuroscience. The goal of the three studies that make up this dissertation was the establishment of a so ware-framework which combines the two fields of research – DBS and connectomic neuroscience – to allow for connectomic DBS research in future studies. The aims of the three studies were as follows: In the first study (Horn et al. 2013), a combined structural- functional whole brain connectivity analysis between forty-thousand points within the gray matter of the brain was performed in 19 healthy subjects. Using this novel observer- independent approach, it could be shown that regions forming part of the so-called default mode network exhibit the highest similarity in their structural and functional connectivity to the rest of the brain. In the second study (Horn et al. 2016), a structural group connectome was estimated by using di usion-weighted data from 169 subjects. This novel dataset allows estimating fiber tracking results within a standardized stereotactic space. Last, in the third study (Horn et al. 2015), a software package was developed that i) can be used to exactly localize DBS electrodes based on postoperative CT-/MR-Imaging and ii) integrates the methods and data estimated in the first two studies into a joint analysis framework. This software package was released as open source to the scientific community under the name of ‘Lead DBS’ and facilitates studies in the fields of DBS, connectomic neuroscience and a combination of both.Die tiefe Hirnstimulation (THS) stellt eine etablierte und hocheffektive Therapieoption bei Morbus Parkinson, Dystonie und essentiellem Tremor dar. In der Vergangenheit wurden die klinischen Resultate der erapie vor allem auf lokale Effekte im Bereich des Zielgebiets der Elektrode zurückgeführt. Diese Ansicht gilt heute nur als Teilantwort auf die Frage des Wirkmechanismus der THS. Vielmehr geht man von additiven E ekten aus, die sich aufgrund der funktionellen und strukturellen Konnektivität des Zielgebiets auf Bereiche des gesamten Gehirns, namentlich eine sog. Kortex-Basalganglien-Zerebellum- Schleife, auswirken. Die Analyse der Gesamthirnkonnektivität ist innerhalb der sogenannten neurowissenscha lichen Konnektomforschung angesiedelt. Ziel der drei Studien dieser Doktorarbeit ist die Etablierung eines So ware- Frameworks, welches die beiden Wissenscha sbereiche – THS und Konnektomforschung – miteinander verbindet, um in zukün igen Studien konnektombasierte THS-Forschung zu ermöglichen. Die drei Studien hatten folgendes zum Ziel: In der ersten Arbeit (Horn et al. 2013) erfolgte die Analyse der kombinierten strukturellen und funktionellen Ganzhirnkonnektivität zwischen vierzigtausend Bildpunkten der grauen Substanz des Gehirns bei neunzehn gesunden Probanden. Mittels dieses neuartigen Analysekonzepts konnte gezeigt werden, dass sich die strukturelle und funktionelle Konnektivität bei Gesunden am stärksten innerhalb von Regionen des sogenannten default mode networks überlappt. In der zweiten Studie (Horn et al. 2016) wurde auf Basis von di usionsgewichteter MRT-Daten ein strukturelles Gruppenkonnektom von 169 gesunden Probanden berechnet. Dieser neuartige Datensatz ermöglicht die Berechnung von Fasertraktographieresultaten innerhalb des stereotaktischen Normalraums. Schließlich wurde in der dritten Arbeit (Horn et al. 2015) eine So ware entwickelt, die i) die exakte Lokalisation von THS- Elektroden auf der Basis von postoperativer MRT/CT-Bildgebung ermöglicht und ii) die Analysekonzepte der ersten beiden Studien in ein gemeinsames So warekonzept integriert. Diese Software wurde als open source unter dem Namen ‘Lead DBS’ veröffentlicht und ermöglicht die Durchführung von Studien im Kontext von THS, konnektombasierter Neurowissenscha und einer Kombination der Kontexte