Neues Gerät zur Tiefenhirnstimulation in Kombination mit leistungsstarker künstlicher Intelligenz könnte die Behandlung arzneimittelresistenter Depression verbessern. Mit einem neuen Gerät zur Tiefenhirnstimulation (DBS), das Gehirnsignale aufzeichnen kann, haben Forscher ein Muster der Gehirnaktivität oder einen „Biomarker“ identifiziert, das mit Anzeichen einer klinischen Genesung von einer arzneimittelresistenten Depression verbunden ist. Die Ergebnisse dieser kleinen Studie sind ein wichtiger Schritt hin zur Nutzung von Gehirndaten, um zu verstehen, wie Patienten auf THS-Behandlungen reagieren.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht und von der Initiative „Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies“ (BRAIN Initiative) der National Institutes of Health unterstützt.
Klinische Anwendungen von DBS
Obwohl sich dieser Ansatz noch im experimentellen Stadium befindet, haben klinische Studien gezeigt, dass DBS sicher und effektiv zur Behandlung von Depressionen eingesetzt werden kann, bei denen sich die Symptome trotz der Einnahme von Antidepressiva nicht verbessert haben. Diese Erkrankung wird als arzneimittelresistente Depression bezeichnet. Patienten, die sich einer DBS unterziehen, werden einer Operation unterzogen, bei der eine dünne Metallelektrode in einen bestimmten Bereich des Gehirns implantiert wird, um elektrische Impulse zur Regulierung der Gehirnaktivität zu erzeugen. Wie genau DBS die Symptome bei Menschen mit Depressionen verbessert, ist kaum bekannt, was es für Forscher schwierig macht, die Reaktionen der Patienten auf die Behandlung objektiv zu verfolgen und bei Bedarf Anpassungen vorzunehmen.
An der kleinen Studie nahmen zehn Erwachsene mit behandlungsresistenter Depression teil, die alle sechs Monate lang DBS erhielten. Jeder Teilnehmer erhielt zunächst die gleiche Stimulationsdosis, dann wurde die Stimulationsstufe ein- oder zweimal erhöht. Anschließend analysierten die Forscher mithilfe von Tools der künstlichen Intelligenz (KI) die von sechs Patienten gesammelten Gehirndaten und beobachteten eine gemeinsame Gehirnaktivitätssignatur oder einen Biomarker, der mit den von den Patienten selbst gemeldeten Depressionssymptomen oder stabilen Genesungssymptomen korrelierte. Bei einem Patienten entdeckten die Forscher den Biomarker und sagten durch eine retrospektive Analyse voraus, dass der Patient vier Wochen, bevor ein klinisches Interview ergab, dass bei ihm das Risiko eines erneuten Auftretens bestand, in eine schwere depressive Episode zurückkehren würde.
Verbesserung der DBS-Behandlung
„Diese Studie zeigt, dass neue Technologien und datengesteuerte Ansätze die DBS-Behandlung schwerer depressiver Störungen, die schwächend sein können, verbessern können“, sagte Dr. John Ngai, BRAIN-Programmdirektor. „Es sind Kooperationen, wie sie die BRAIN-Initiative ermöglicht, die vielversprechende Therapien näher an die klinische Anwendung bringen.“
In dieser Studie erhielten die Patienten eine DBS-Therapie, die auf den subcingulären Kortex (SCC) abzielte, eine Gehirnregion, die emotionales Verhalten reguliert und mit Traurigkeit verbunden ist. DBS des cingulären Kortex ist eine neue Therapie, die eine langfristige und stabile Linderung depressiver Symptome bewirken kann. Die Behandlung von Depressionen mit DBS bleibt jedoch eine Herausforderung, da der Weg zu einer stabilen Genesung bei jedem Patienten unterschiedlich ist. Ärzte müssen sich außerdem auf subjektive Selbstberichte in Patienteninterviews und psychiatrische Bewertungsskalen verlassen, um Symptome zu verfolgen, die im Laufe der Zeit schwanken können. Dies macht es schwierig, zwischen normalen Stimmungsschwankungen und schwerwiegenderen Erkrankungen zu unterscheiden, die eine Anpassung der Stimulation erfordern. Darüber hinaus kann es Wochen oder Monate dauern, bis Veränderungen der Symptome nach einer DBS-Behandlung auftreten, sodass es schwierig ist, die Wirksamkeit der Behandlung zu beurteilen.
„Dieser Biomarker zeigt, dass Gehirnsignale dazu genutzt werden können, die Reaktion eines Patienten auf eine DBS-Behandlung zu verstehen und die Behandlung entsprechend anzupassen“, sagte Joshua A. Gordon, MD, Direktor des National Institute of Mental Health am NIH. „Diese Erkenntnisse stellen einen großen Fortschritt bei der Umsetzung von Therapien in die Praxis dar.“
Patientenreaktion und Rolle der Technologie
Die Patienten in der Studie sprachen gut auf die DBS-Behandlung an; Nach 6 Monaten besserten sich die depressiven Symptome bei 90 % der Patienten deutlich und 70 % der Patienten befanden sich in Remission oder waren nicht mehr depressiv. Eine solch hohe Rücklaufquote bietet uns die einzigartige Gelegenheit, zurückzublicken und zu untersuchen, wie das Gehirn jedes Patienten unterschiedlich auf die Stimulation während der Behandlung reagiert.
Christopher Rozelle, Julian T. Hightower-Lehrstuhl für Elektrotechnik und Informationstechnik und Ph.D. in Elektro- und Computertechnik am Georgia Institute of Technology in Atlanta, und seine Kollegen verwendeten eine Technik namens erklärbare künstliche Intelligenz, um diese subtilen Veränderungen der Gehirnaktivität zu verstehen. Der Algorithmus nutzt Gehirndaten, um zwischen depressiven Zuständen und stabilen Erholungszuständen zu unterscheiden, und kann erklären, welche Aktivitätsveränderungen im Gehirn die Haupttreiber dieser Verschiebung sind. Wichtig ist, dass der Biomarker auch zwischen normalen, alltäglichen vorübergehenden Stimmungsschwankungen und sich anhaltend verschlechternden Symptomen unterschied. Dieser Algorithmus könnte Ärzten Frühwarnzeichen dafür liefern, dass sich ein Patient in einen hochgradig depressiven Zustand entwickelt und DBS-Anpassungen und zusätzliche klinische Pflege benötigt.
Weitere Einblicke und nächste Schritte
„Neun der zehn Patienten in der Studie verbesserten sich, was eine hervorragende Gelegenheit bietet, neue Technologien einzusetzen, um den Genesungsverlauf der Patienten zu verfolgen“, sagte Dr. Helen Mayberg, Co-Erstautorin der Studie und Direktorin des Nash Family Center for Advanced Circuit Therapy am Mount Sinai in New York City. „Unser Ziel ist es, ein objektives neuronales Signal zu identifizieren, das Ärzten bei der Entscheidung helfen kann, wann DBS-Anpassungen vorgenommen werden sollen oder nicht.“ "
„Unsere Studie zeigt, dass wir mit einem skalierbaren Verfahren und einem fundierten klinischen Management unter Verwendung einzelner Elektroden in derselben Gehirnregion den Patienten besser helfen können“, sagte Dr. Rozelle, Co-Senior-Autor der Studie. „Diese Studie bietet uns auch eine hervorragende wissenschaftliche Plattform, um Unterschiede zwischen Patienten zu verstehen, was für die Behandlung komplexer psychiatrischer Störungen wie arzneimittelresistenter Depression von entscheidender Bedeutung ist.“
Als nächstes analysierte das Team MRT-Gehirnscandaten, die den Patienten vor der Operation entnommen wurden. Die Ergebnisse zeigten strukturelle und funktionelle Anomalien in den spezifischen Gehirnnetzwerken, auf die die DBS-Therapie abzielt. Schwerwiegendere Defekte der weißen Substanz sind mit längeren Erholungszeiten verbunden.
Die Forscher verwendeten auch Tools der künstlichen Intelligenz, um Veränderungen im Gesichtsausdruck zu analysieren, die aus Videos von Teilnehmerinterviews extrahiert wurden. Im klinischen Umfeld kann der Gesichtsausdruck eines Patienten die Schwere seiner depressiven Symptome widerspiegeln, und Psychiater werden solche Veränderungen wahrscheinlich bei routinemäßigen klinischen Untersuchungen feststellen. Sie fanden heraus, dass die Ausdrucksmuster der einzelnen Patienten ihrem Übergang von der Krankheit zur stabilen Genesung entsprachen. Dies könnte als zusätzliches Instrument und neuer Verhaltensmarker dienen, um die Genesung nach der THS-Behandlung zu verfolgen. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um festzustellen, ob die Videoanalyse aktuelle und zukünftige Krankheitszustände zuverlässig vorhersagen kann.
Die beobachteten Veränderungen des Gesichtsausdrucks und die anatomischen Defekte korrelierten beide mit dem vom Biomarker erfassten kognitiven Status, was die Verwendung dieses Biomarkers bei der Behandlung der DBS-Therapie bei Depressionen unterstützt.
Das Forschungsteam, zu dem Mayberg, M.D., Rozell, M.D. und Patricio Riva-Posse, M.D. von der Emory University School of Medicine in Atlanta gehören, bestätigt derzeit ihre Ergebnisse in einer zweiten Kohorte von Patienten im Mount Sinai Hospital. Zukünftige Forschungen werden weiterhin die antidepressive Wirkung von DBS erforschen und mithilfe von Geräten der nächsten Generation die neuronalen Grundlagen momentaner Stimmungsschwankungen untersuchen.
Laut dem Forschungsteam stellt diese Studie einen bedeutenden Fortschritt in der frühen DBS-Behandlung für eine Vielzahl von psychischen Störungen dar, darunter schwere Depressionen, Zwangsstörungen, posttraumatische Belastungsstörungen, Bulimie und Substanzgebrauchsstörungen. In anderen DBS-Studien wurden Gehirnbiomarker für chronische Schmerzen identifiziert, es werden jedoch noch Möglichkeiten entwickelt, Gehirndaten zur erfolgreichen Behandlung von Patienten zu nutzen.