Subthalamic nucleus stimulation in Parkinson's disease: Postoperative CT–MRI fusion images confirm accuracy of electrode placement using intraoperative multi-unit recording

SummaryDeep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN) is increasingly used to treat advanced Parkinson's disease (PD). The optimal method for targeting the STN before implanting the definitive DBS electrode is still a matter of debates. Beside methods of direct visualization of the nucleus based on stereotactic magnetic resonance imaging (MRI), the most often used technique for targeting STN consists in recording single-cell activity along exploratory tracks of 10–15 mm in length, centered on the theoretical or MRI-defined target coordinates. Single-unit recordings with a microelectrode present various drawbacks. They are time-consuming if correctly performed and a single-cell precision is probably superfluous, taking into account the size of the implanted electrode. In this study, we present an original method of recording and quantification of a multi-unit signal recorded intraoperatively with a semi-microelectrode for targeting the STN. Twelve patients with advanced PD have been included and assessed clinically before and one year after bilateral STN–DBS electrode implantation guided by multi-unit electrophysiological recordings. After one year of chronic stimulation, all patients showed a marked clinical improvement. The motor score of the unified Parkinson's disease rating scale decreased by more than 57% and the required levodopa-equivalent daily dose by 59.5% in on-stimulation off-medication condition compared to off-stimulation off-medication condition. The accuracy of STN–DBS lead placement was confirmed on postoperative computed tomography (CT) scans, which were fused to preoperative T2-weighted MRI. The boundaries of the STN were easily determined by an increase in multi-unit signal amplitude, which was observed on average from 0.492 mm below the rostral border of the STN down to 0.325 mm above its caudal border. Signal amplitude significantly increased at the both rostral and caudal STN margins (P < 0.05) and the level of neuronal activity easily distinguished inside from outside the nucleus. This study showed that STN boundaries could be adequately determined on the basis of intraoperative multi-unit recording with a semi-microelectrode. The accuracy of our method used for positioning DBS electrodes into the STN was confirmed both on CT–MRI fusion images and on the rate of therapeutic efficacy.

RésuméLa stimulation cérébrale profonde (SCP) du noyau sous-thalamique (NST) est une technique de plus en plus appliquée pour traiter les formes évoluées de maladie de Parkinson. La méthode optimale de ciblage du NST en vue de l’implantation de l’électrode définitive reste sujette à débat. À côté de méthodes de visualisation directe du noyau par imagerie en résonance magnétique (IRM) réalisées dans des conditions stéréotaxiques, la technique la plus utilisée est l’enregistrement électrophysiologique des activités neuronales unitaires le long de trajectoires de 10–15 mm centrées sur les cibles théoriques ou fournies par l’IRM. Cependant, les enregistrements unitaires réalisés au moyen de microélectrodes présentent certains inconvénients. Ils sont très consommateurs de temps s’ils sont effectués correctement et par ailleurs, cette précision unitaire est probablement superflue si l’on considère la taille relativement importante des électrodes implantées en définitive. Dans cette étude, nous présentons une méthode originale d’enregistrement et de quantification du signal multi-unitaire enregistré par semi-microélectrode au cours du ciblage peropératoire du NST. Douze patients ayant une maladie de Parkinson évoluée ont été inclus et évalués cliniquement avant et un an après l’implantation d’électrodes sous-thalamiques guidée par enregistrements multi-unitaires. Au bout d’un an de stimulation chronique, tous les patients présentaient une franche amélioration clinique. La stimulation chronique a permis de diminuer le score moteur de l’unified Parkinson's disease rating scale (UDPRS) de plus 57 % et les doses quotidiennes de traitement dopaminergique de 59,5 %. La précision du placement de l’électrode de stimulation dans le NST fut confirmée sur des coupes de tomodensitométrie (TDM) acquises après l’intervention et fusionnées avec les données IRM préopératoires. Les limites du NST furent aisément déterminées par l’augmentation d’amplitude du signal multi-unitaire, observée en moyenne entre 0,492 mm en dessous de la limite supérieure du NST et 0,325 mm au-dessus de sa limite inférieure. L’amplitude du signal neuronal était significativement augmentée à l’intérieur du noyau par rapport à l’extérieur, tant à sa frontière supérieure qu’inférieure (p < 0,05). Cette étude a montré que les limites anatomiques du NST pouvaient être déterminées de façon adéquate sur la base d’enregistrements peropératoires de l’activité neuronale multi-unitaire au moyen d’une semi-microélectrode. La précision de notre méthode de ciblage du NST en vue de l’implantation d’une électrode de stimulation chronique a été confirmée par la réalisation d’images de fusion TDM–IRM et par le niveau d’efficacité obtenu sur le plan thérapeutique.