连通性可预测深部脑刺激(DBS)对帕金森的疗效

2022-11-14 14:34:17 浏览数 (1)

深部脑刺激(DBS)对帕金森病(PD)的疗效可能取决于刺激部位与其他脑区之间的连通性,但是刺激哪些脑区,以及脑区间连通性是否能够预测患者的预后,仍然未知。在这里,我们确定了有效的DBS刺激丘脑底核(STN)所涉及的结构和功能连通性,并在独立队列中测试了其预测疗效的能力。

方法 :由51名接受STN DBS治疗的PD患者组成训练集,结合公开的人类连接体数据库(弥散纤维束成像和静息态功能连接成像),以确定与临床症状改善(统一帕金森病评分表[UPDRS]的运动评分)相关的连通性。然后,在一个由44名来自不同中心的患者组成的独立队列中,使用该连通性预测疗效。

结果:在训练集中,DBS电极和分布式脑区网络之间的连通性与临床反应相关,包括与辅助运动区的结构连接,以及与初级运动皮质的功能反相关性(p<0.001)。在一个独立的患者队列中,这样的连通性可以预测治疗反应(p<0.01)。结构和功能连通性是临床改善(p<0.001)的独立预测因素,在UPDRS改善(平均误差为15%)的个体患者中,结构和功能连通性是临床改善和评估治疗反应的独立预测因素。使用正常受试者的连接组数据或与我们的DBS患者年龄、性别和疾病均匹配的连接组数据,可得出相似的结果。STN(丘脑底核) DBS治疗帕金森病的有效性与特定的连通性相关,可以在独立队列中预测临床疗效。本文发表在Annals of Neurology 杂志。(可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文,另思影提供免费文献下载服务,如需要也可添加此微信号入群,原文也会在群里发布)。

简介:

深部脑刺激(DBS)是治疗帕金森病(PD)的一种行之有效的方法,可以改善运动症状和生活质量。最常见的DBS靶点是丘脑底核(STN),根据立体定向坐标和术前磁共振成像(MRI)确定。然而,DBS的治疗效果可能取决于与刺激部位相连的远程大脑区域的调节。DBS的这些远程效应已通过电生理学和脑成像进行测量。此外,它们可能与临床反应相关。因此,刺激部位与其他大脑区域的网络连接可能是DBS反应的重要中介。因此,人们可能基于与刺激部位的连通性来预测治疗反应,甚至基于连通性来优化DBS刺激靶点。

受这些发现的启发,研究人员努力确定哪些与DBS刺激点相关的连通性是最重要的。例如,连接STN和皮质的超直接通路被认为起着关键作用。然而,非侵入性地识别人类的脑连接体并不简单。两种基于MRI测量连通性的方法似乎很有潜力。弥散纤维束成像是一种无创性的解剖连接测量方法,可以识别DBS电极附近的白质束。功能连接是衡量自发活动相关性的一个指标,可以将DBS刺激部位与包括非侵入性脑刺激靶点在内的皮质区域联系起来。尽管做出了这些努力,但临床上对有效治疗PD患者的STN刺激,所涉及的连通性模式仍不清楚。

在这里,我们使用扩散纤维成像和功能连通性的高质量连接组数据集,来计算对帕金森病有效的STN刺激所涉及的脑连通性。大多数分析使用正常受试者(N=1030)的连接组数据,但我们使用了PD患者(N=90)的连接组数据,以确保结果是可重复的。尽管PD患者连接组数据尚未被广泛用于DBS疗效的研究,但有研究证明它是有价值的。我们研究了两组接受STN DBS治疗的PD患者(n=51和n=44),以验证连通性可预测独立数据集中的临床疗效的假设。

受试者和方法(Subjects and Methods)

患者队列和成像

表.所有队列和子队列人口统计学信息

本研究回顾性地纳入了来自两个中心的95名接受DBS治疗的患者(平均年龄=60.2±8.0岁,29名女性)。第一个“训练”数据集来自德国柏林夏里特医学院(Charité – Universitätsmedizin,Berlin ),第二个“测试”数据集来自乌兹堡大学医院(Würzburg University Hospital )(表)。这项研究是根据赫尔辛基宣言进行的,并得到了夏里特医学院或乌兹堡大学医院的国际评审委员会的批准(见下文)。

所有患者(两个数据集)均因PD接受DBS手术,并接受2个四端DBS电极(model 3389; Medtronic, Minneapolis, MN )。所有患者均接受了术前MRI和神经心理学测试,以排除结构性或严重精神并发症。在手术过程中,进行微电极记录以验证导线的位置。在单变量分析中,记录并测试了临床变量,包括年龄、性别、术前疾病持续时间、术前左旋多巴反应(在统一帕金森病评定量表[UPDRS]-III ON vs OFF上的改善百分比)以及基线时的左旋多巴等效剂量(LEDD)对临床疗效的预测价值。

训练集(Berlin队列)由4个亚组组成,分别在不同时间和不同研究中登记。这些亚组在临床表现和DBS效应方面具有异质性,以尽量确保该训练集的结果具有普遍性。一个亚组由早期PD患者(B1)组成,一个亚组回顾性收集仅评估UPDRS反应的病历(B2),一个亚组由典型的、年龄平均的受STN刺激的研究人群组成(B3),1个亚组的DBS靶点靠近未定带尾侧,而不是STN本身(B4)。该最终队列的详细临床结果将另行报告。对于Berlin队列中的所有患者,术后1至2年的DBS反应,以UPDRS运动评分的百分比变化来衡量。

测试集(Würzburg队列)由一个临床队列组成。DBS反应以UPDRS运动评分的百分比变化来衡量,比较DBS术后和术前基线。请注意,在Würzburg和Berlin队列中,DBS结果测量是不同的,这是为了确保结果的普遍性。所有UPDRS-III评分(两个数据集)均在多巴胺能药物停药超过12小时后记录。

定位DBS位置

DBS定位协议基本上遵循Horn和Kühn中描述的协议,并进行了一些修改。简单地说,术后图像使用SPM12或BRAINSFit软件与术前MRI进行线性配准。手动配准每位患者,并在需要时进行完善。

然后,根据术前MRI检查,使用高级标准化工具ANTs中实现的SyN方法,将图像标准化为ICBM 2009b NLIN非对称空间。使用Lead DBS软件将DBS电极触点定位在MNI空间内。

评估被激活组织的范围

激活组织范围(VTA)的评估基本上遵循McIntyre等人和Åstr Eurom等人描述的概念,但使用新的开源管道重新实现这些过程。为了构建DBS电极和周围组织的体积导体模型,基于DBS电极和皮质下核的表面网格,使用Iso2Mesh工具箱生成了一个四面体体积网格。既没有传导/绝缘电极材料,也没有灰质区域被分配到白质。皮质下灰质核由DISTAL图谱确定。灰质和白质的电导率分别为0.33和0.14 S/m。对于铂/铱触点和电极的绝缘部分,分别使用108 S/m和10-16 S/m的值。基于体积导体模型,通过将FieldTrip-SimBio 管道集成到Lead-DBS中,模拟DBS产生的电位分布。将施加在有效电极触点上的电压作为边界条件引入。在单极刺激的情况下,将体积网格的表面用作阳极。随后,通过有限元法(FEM)的推导计算电势分布的梯度。由于采用了一阶有限元法,因此产生的梯度是分段连续的。将梯度阈值设定为高于常用值0.2V/mm的量级,以定义组织激活的范围和形状。

连通性评估

使用2个连接组,评估计算每个VTA( 激活组织范围)和大脑其他体素之间的功能和结构连接性。这两个连接组,一个来自健康受试者(N=1030)的大型标准连接组;另一个较小的连接组(N=90),与我们的DBS患者年龄、性别和疾病相匹配。

正常连接组:

使用3T西门子(Erlangen, Germany )核磁共振成像(MRI)获得了1000名健康受试者的静息态功能连接数据,这是Brain Genomics Superstruct Project 的一部分。处理包括全局信号回归和6mm半最大值全宽度的空间平滑。对于结构连通性,基于扩散加权成像(DSI Studio)以及来自Massa- chusetts General Hospital 的人类连接体项目中32名受试者的T2加权成像数据,这些数据是在一台专门设计的MRI扫描仪上获得的,其梯度比传统的MRI扫描仪更强大。使用DSI Studio中实施的广义q采样成像算法,计算全脑纤维束成像纤维组。采样在白质掩模内进行,该掩模在T2加权结构采集上使用统一分割方法定义,并使用SPM12共同记录到b0体积。在每个受试者中,20万根纤维被取样。然后,如前所述,将纤维束转化为MNI空间。

PD连接组:

90名患者的MRI数据来自帕金森病进展标志物倡议(PPMI)数据库(平均年龄=61.38±10.42标准差,28名女性)。该数据集的年龄和性别也与我们的整个队列相匹配(69% vs 68%的女性,平均年龄差异=1岁)。详细的扫描参数可在项目网站(www.ppmi-info.orgz)上找到。所有90名患者都进行了弥散加权扫描,但只有74名患者进行了静息态功能MRI扫描。功能和结构数据的处理与健康受试者相同。

使用上述连接组数据集估计每个VTA和大脑其余部分体素之间的连接。对于功能连接性,从1000名(健康)/74名(帕金森病连接组)受试者的每个VTA内的体素中取样时间序列,并与大脑中其他每个体素的时间序列相关联。然后在连接组数据集中对受试者的这些功能连接性进行平均。对于结构连通性,从连接体组中选择穿过VTA的纤维,并以2mm的各向同性分辨率投射到大脑的体积空间,表示穿过每个体素的纤维数量(连接到VTA)。

生成有效连通性的模型

通过对SPM12(p>0.2,2×2×2 mm MNI-152空间)提供的组织概率图进行阈值化,来定义灰质体素图。计算每个患者VTA与该体积中每个体素的(结构和功能)连通性。功能连接强度表示为1000名受试者的平均R值。结构连接强度表示为VTA和皮质体素之间的纤维束数量。在进行空间关联之前,对功能连接图进行Fisher z变换。同样,结构连接性按照van Albada的方法转换为高斯分布。这两种转化(Fisher z或van Albada方法)都没有改变本文报道的主要结果。图1总结了识别DBS连通性的方法。

图1:识别深部脑刺激(DBS)连通性的方法。处理步骤包括:获取术前/术后成像(A),将DBS电极定位在标准空间(B),根据刺激参数(C)计算组织激活体积(VTA),然后使用高质量的标准连接组数据,计算VTA和大脑其他部分的功能(D)和结构(E)连接。显示了我们对标准连接组数据集的处理流程,并在所有主要分析中使用。对于功能连通性,正相关显示在暖色中,而负相关(反相关)显示在冷色中(颜色版本在线提供)。

GPe=外苍白球;GPi=内苍白球;HCP=人类连接体项目;STN=丘脑底核。

我们使用训练集来评估不同的方案,以确定连通性对临床疗效的预测能力。首先,通过临床改善(加权平均图)对每个VTA的连接体图进行加权。其次,确定与哪些体素的VTA连通性与临床结果相关(R图)。然后,我们创建了与VTA及临床结果均相关的体素图(组合图)。第三个图是通过用R图掩盖加权平均图来计算的(R>0表示正值,R<0表示负值)。最后,使用我们的标准连接组或PD连接组来计算映射图。

为了确定哪个方案最适合预测临床结果,我们采用了训练集(B1-4)和留一法设计。例如,我们使用队列B1–B3来生成上述映射图,然后使用映射图来预测队列B4的临床结果。基于标准连通性和患者个体连通性之间的相似性(使用Fisher z变换空间相关系数测量),进行临床结果评估。这是独立完成的结构和功能连接。在Berlin数据集(B1-4)中生成预测不同队列结果的最佳模型,随后将该模型应用于独立的Würzburg检验数据(W)。

最后,我们使用了组合数据集(B1-4 W;n=95),以及结合了结构和功能连接性的一般线性模型(GLM),以测试(1)这两种连接性是否是临床结果的独立预测因子,以及(2)两种连接性指标的组合可以解释多少结果变量。最初的GLM仅基于连通性估计进行计算,而第二个GLM包括相关的基线临床变量。

为了测试个体患者的预后预测是否可靠,同样的GLM采用了“留一”法解决。换句话说,94名患者的数据用于预测第95名患者,并将预测改善与实际改善进行比较。报告了平均预测误差,并选择了3名患者作为示例结果。

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结果

我们的DBS队列包括来自2个独立数据集的95名患者(30名女性,平均年龄=60.2±8.0岁)、68名运动性僵直、19名混合型和8名震颤显性病例(见表)。平均病程为11.4±4.3年,基线UPDRS评分为43.7±13.4,左旋多巴反应为57.6±18.2%,DBS改善UPDRS为47.2±22.4%。与DBS后12个月相比,基线检查时LEDD的减少为58.3%(术前为1250.0±595.5,术后为530.7±389.2)。DBS在Berlin队列亚组中的反应是异质的,这是为了确保结果对不同队列具有鲁棒性。

基线UPDRS评分是Berlin(R=0.33,p<0.02)和Würzburg(R=0.35,p<0.02)队列中DBS反应的唯一临床变量预测,基线评分越高,预测改善的百分比越大。在Berlin队列,手术年龄(R=-0.42,p=0.002)和女性性别(t=2.5,p=0.01)是预测因素,但在Würzburg队列中,这些不是预测因素(两个变量p>0.8)。疾病持续时间(p>0.4)、基线左旋多巴反应(p>0.15)和基线LEDD(p>0.1)均不能预测两个队列的DBS结局。

在我们的两个队列中,DBS的放置位置大致相似(图2)。使用Berlin队列(n=51)中的患者特异性电极位置和VTA,我们确定了许多与临床改善相关的功能和结构连接(图3)。患者的DBS连接性与这些映射图匹配得越好,其临床结果越好。无论是在完整的Berlin数据集(B1-4)中,还是在”留一“亚组(例如,使用B1-3来估计B4中的响应)中,这都是正确的。在训练集中探索了计算这些连接图的几种方案(参见Subjects and Methods )。健康受试者连接组数据和组合图(加权图和R图的重叠)解释了“留一”分析中的最大方差。

图2:训练集和测试集的DBS电极位置和队列信息。左侧显示的Berlin数据集(B1-4),用于训练和交叉验证(采用留一设计)。最后的模型应用于Würzburg测试集(W,右),进而确认。

图3:在Berlin训练集中,连通性对临床改善的预测能力。显示了使用标准连接组进行分析的结果。使用加权平均值(第一列)、与临床结果的相关性(R图,第二列)以及这两种图的组合(第三列)确定与临床改善相关的功能连接(第一行)和结构连接(第二行)。利用组合图,使用完整数据集(第四列)和留一设计(最后一列),预测每位患者的临床结果。点的颜色(在线提供的颜色版本)表示图2中指定的子类别。

然后,使用Berlin数据集得出这些连接性图谱(组合图、正常连接组),用于预测独立Würzburg数据集的临床结果(图4)。在这个独立的数据集中,尽管治疗中心、手术医生和临床评估时间存在差异,但是结构连通性(R=0.45,P=0.002)和功能连通性(R=0.34,P=0.03)都是临床预后的重要预测因素。

图4:在独立数据集上验证连接性。将在Berlin训练集(B1-4组合)生成的功能连通性(顶行)和结构连通性(底行)的连通性图,在独立的Würzburg数据集中预测临床结果。

在Berlin训练集(N=51)、Würzburg测试集(N=44)和完整数据集(N=95;图5)中进行计算,有效DBS的刺激部位的连通性映射图(组合图)非常相似。DBS电极与初级运动皮质(M1)之间的反相关,以及与辅助运动区(SMA)、额上回和小脑之间的结构连接,可以预测单独数据集以及合并数据集的疗效。

图5:在不同数据集中,与临床反应相关的连接性图是一致的。组合图(加权平均图和R图)基于Berlin数据集(左)、Würzburg数据集(中)以及两个数据组合集(右)。

结构(p<0.006)和功能(p<0.007)连通性都是临床结果的独立预测因子。结合这两种连接类型的组合模型,可以解释DBS反应中26.2%的临床差异(p<10-8时,预测改善与真实改善之间的相关性 R=0.51)。将临床变量(基线时的年龄、性别和UPDRS)添加到该模型中,解释了DBS反应中43.4%的方差(p<10-13时,R=0.66)。在最终的模型中,结构连接性、功能连接性、基线UPDRS和性别都是DBS反应的显著独立预测因子(p<0.05)。

在最终的分析中,我们探讨了基于患者DBS电极的连通性,如何预测个体患者的预后。这是在组合(B1–4 W)数据集上完成的,同时忽略了相关患者。这些预测与UPDRS-III的实际改善相比,平均偏差为15.7±14.2%。例如,如果一名患者实际改善了30%,我们的连通性算法可能会预测改善45%或15%。将其他临床变量(基线时的UPDRS、手术时的年龄、性别)纳入分析,几乎没有增加仅基于连通性的临床预测能力(平均误差=15.1±11.8%)。图6中显示了三名患者,他们分别是预测准确的反应佳者、预测准确的反应差者和预测不准确的反应差者。

图6:基于脑深部刺激(DBS)连通性的个体患者临床结果预测。使用功能连接(左)和结构连接(中),显示了3名患者的单个DBS部位与大脑其他部位之间的连接。基于个体患者的连通性与良好DBS反应的匹配情况,预测临床反应(右图)。选择的例子包括预测准确的良好应答者(顶部),预测准确的不良应答者(中间),以及预测不准确的不良应答者( 32%;底部),第三类受试者经抗抑郁治疗后,与我们的预测相匹配(-10.4%)。

尽管在Berlin数据集的留一分析中,标准连接组表现略好于PD连接组,但使用年龄、性别和疾病均匹配的连接组更为简便。因此,我们使用该PD连接组重复了所有分析,结果非常相似。例如,使用标准连接组或PD连接组时,受试者的VTAM1之间的功能连接性高度相关(R=0.97p<10-7),并可预测DBS反应的差异(标准连接组 R=0.23,p<0.05;PD连接组 R=0.17,p<0.05)。同样,在任一连接组中,患者的VTASMA之间的结构连接高度相关(R=0.80p<10-7),并预测DBS反应的差异(标准连接组 R=0.27,p<0.005,PD组为R=0.21,p<0.05)。最后,在Berlin队列中使用PD连接组与标准连接组生成映射图,并在Würzburg队列中预测疗效,结果类似,功能连接性(标准连接组 R=0.34,p<0.03;PD组 R=0.44,p<0.005)和结构连接性(标准连接组 R=0.45,p<0.002;PD组 R=0.38,p<0.011)。

讨论

从这项研究中可以得出四个主要结论:

1、STN DBS电极的结构及功能连接模式,与PD患者的临床预后相关。

2、结构和功能连通性是DBS反应的独立预测因子。

3、从一个患者队列得出的连通性,可以在来自不同DBS治疗中心的独立队列中,预测患者的临床预后。

4、我们解释了如何利用连通性来估计个体患者的临床预后。

有效STN DBS的连通性

目前的研究与之前的研究有三个主要区别。首先,之前的研究仅关注解剖连接,而当前的研究包括解剖连接和功能连接。解剖连通性(基于扩散MRI)比功能连通性(基于功能磁共振成像)具有更高的空间分辨率,因此更可能识别同一患者相邻电极触点之间的差异。然而,数据表明,对预测电极位置不同的患者,预测临床预后时,功能连通性比解剖连通性的预测价值更高。这与其他工作是一致的。

其次,目前的研究使用的是之前收集的连接组数据,而不是研究中登记的个体患者的连接数据。因此,每个DBS电极的连接性仅取决于相应VTA的位置、大小和形状。这是一个主要的实际优势,因为DBS患者没有常规获取基于MRI的连通性数据。因此,目前的研究可以利用不同中心的大型DBS队列(n=95),而之前需要患者特异性连接的研究(n<25)要小得多。因为患者数量有限,且临床反应存在异质性,目前的方法可能对发现DBS适应症具有特别的价值。即使没有获得单独的连通性数据,这样的DBS数据集也可以进行回顾性分析。

一个有趣的问题是,哪一个连接组数据集最适合识别有效DBS的连接模式。来自健康受试者的标准连接组的优势是,受试者数量多、信噪比高以及使用专为连接成像设计的独特高功率MRI扫描仪进行采集。这些标准连接组数据,在预测患者的中风症状方面是有价值的,而目前的研究显示,其在预测DBS治疗的临床预后方面有价值。相比之下,基于患者的连接组数据,可更好地匹配我们的DBS患者的连通性。研究表明,使用标准连接组和基于患者的连接组,结果是相似的。最后,获取每位患者的连通性数据,对个体差异的敏感性最高,但信噪比最低。值得注意的是,我们的结果与之前基于患者特定连通性的STN DBS研究基本一致。未来的工作需要确定如何最好地结合标准连接组、基于患者的连接组和来自个体患者的连通性数据。

最后,相比于之前的研究,本研究注重数据的再现性。我们利用来自不同DBS中心的独立队列,并有意选择异质性队列,以确保重复性。我们的研究对象由不同的外科医生进行手术,有不同的术后成像,并以不同的方式测量DBS反应。这种异质性可以被视为一种限制,因为它降低了我们检测重大结果的能力。然而,尽管存在这种异质性,我们的结果还是显著的,这是一个主要优势,应该会提高其他队列的重复性。据我们所知,这是第一项DBS成像研究,用于测试独立和异质队列结果的可重复性。

多模型证实

本研究中确定的连接性与之前的研究一致。本研究中,与有效STN电极(例如SMA、前扣带回、内侧前额叶皮质)在解剖上连接并正相关的大脑区域,在开启STN DBS时,神经影像学的活动增加。假设SMA的激活是通过超直接通路内的纤维激活而发生的。SMA和运动前皮质萎缩,也是PD患者DBS预后的预测因素。我们的结果证实了SMA的重要性,并在较小程度上证实了前运动皮质和其他额叶区域在DBS反应中的重要性。

本研究中,与SMA相反,M1与有效STN DBS电极呈负相关。反应良好者的DBS电极(功能)与M1呈负相关。相应地,如果DBS被激活,M1在神经影像学上表现出活性降低。这些结果表明,功能连通性可以预测DBS引起的代谢变化的改变。与PD病理生理学相关的其他研究,包括STN和M1之间的异常连接以及STN DBS对M1兴奋性的调节。

网络靶向刺激的意义

通过证明连通性可以预测PD患者对DBS的个体反应,提出治疗性脑刺激的靶点可能是大脑网络,而不是单个大脑区域。因此,疗效相似的不同刺激模式,可能以不同的网络节点作为靶点。为此,值得强调的是,在我们的研究中,DBS电极与2个经颅磁刺激(TMS)靶点的连通性似乎可以预测DBS效应,研究显示这两个TMS靶点可以改善PD、SMA和M1中的运动症状。这些皮质图有助于完善TMS皮质靶点,或作为刺激分布式网络的多焦阵列的基础。

预测和指导DBS

目前的连通性足以预测不同队列和DBS中心的DBS结果,问题是这些连通性特征是否具有临床实用性。例如,在DBS反应不佳的患者中,当前算法可能有助于确定电极位置是否合适(可能需要修正导线)或其他可能有效的因素。例如,我们的模型预测症状会改善的DBS反应差者,(见图6,底行),在经抑郁症治疗后,其改善程度与我们的预测相符。该病例证明了我们方法的潜力,但也说明了除连通性以外的许多因素会影响DBS反应,包括年龄、PD基线严重程度、左旋多巴反应性和疾病亚型。尽管有这些因素,我们纯粹基于连通性的模型,可以解释26%的运动预后差异。添加额外的临床变量,将我们的模型可解释的方差增加到44%。有趣的是,在我们的研究中,左旋多巴的反应性并不是DBS结果的预测因子,这与最近的其他研究一致。额外的临床或影像学变量是否会预示额外的变异仍有待测试。

局限性

我们研究的局限性包括训练集各亚组之间的异质性。然而,这是为了确保结果对不同的队列具有鲁棒性。第二,当前的分析使用的是一般的VTA模型。然而,更先进的VTA建模方法可以进一步改善我们的结果。最后,我们的研究不是为了对比解剖(即,电极/VTA位置)和连通性对DBS结果的预测能力。,但这并不意味着在我们的病例中解剖位置不能预测DBS的预后。需要进一步的工作来解释解剖位置和连通性对预测预后的贡献。

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