In Vivo Cortical and Subcortical Recording of Eye Movements-Related Activity in Parkinson's Disease

Abstract

A doença de Parkinson (DP) é uma preocupação global no campo da saúde, associada à degeneração dos gânglios da base (BG) e à perda de dopamina, prejudicando os movimentos oculares sacádicos. A estimulação cerebral profunda (Deep Brain Stimulation, DBS) melhora a função motora, diminuindo a potência da banda beta, que está aumentada de forma patológica na DP.Este estudo teve como objetivo sincronizar os dados da DBS e do rastreador ocular (Eye Tracking, ET) utilizando eletroencefalografia (EEG) como elemento de ligação, para investigar a atividade subcortical no núcleo subtalâmico (subthalamic nucleus, STN) durante a execução de sacadas num paciente com DP. Esta nova abordagem pretende fornecer novas perspetivas sobre as redes dos movimentos oculares, sobre os efeitos da DBS, e detetar padrões tanto normaiscomo associados à DP.Um paciente de 69 anos com DP, com predomínio de bradicinesia à direita e com IPG-Percept™ PC implantado, foi submetido à execução de prosacadas horizontais e verticais. Para a sincronização, sinais Transistor-transistor logic (TTL) foram enviados para o Eyelink e para o EEG para detectar marcadores de eventos comuns. No caso do Percept™ PC, essa correspondência foi feita através de artefatos da DBS enviados ao EEG. O comportamento sacádico,a potência da banda beta do STN e a amplitude dos potenciais de campo local (Local Field Potentials, LFP) foram analisados durante os períodos com DBS ligada e desligada, usando os testes de Kruskal-Wallis, Mann-Whitney, ANOVA e o procedimento de Spearman. Um valor de p menor que 0.05 foi considerado significativo.Após alcançar a sincronização temporal dos sistemas, a análise revelou que, com a DBS desligada, as sacadas verticais apresentaram menor velocidade e ganho em comparação com as horizontais, e com a DBS ligada, o ganho das sacadas para a esquerda aumentou e a latência das sacadas verticais diminuiu.Além disso, com a DBS desligada, a potência da banda beta no hemisfério direito foi menor durante as sacadas para a esquerda (contralaterais) do que para a direita, enquanto o hemisfério esquerdo não mostrou diferença significativa entre as duas direções. Com a DBS ligada, a potência da banda beta do hemisfério esquerdo foi reduzida durante as sacadas para a direita (contralaterais) em comparação com a DBS desligada.A potência da banda beta do hemisfério esquerdo correlacionou-se positivamente com o ganho das sacadas para a direita com a DBS ligada. Por outro lado, não foram encontradas diferenças significativas na banda beta para sacadas para cima/baixo. Os resultados dos LFP coincidiram aproximadamente com os resultados da potência da banda beta.A sincronização da DBS com o ET permitiu estudar a execução de sacadas na rede subcortical em tempo real. Esta abordagem inovadora forneceu perspetivas importantes sobre a provável atividade do STN relacionada com os movimentos oculares normais (lateralizados) e o efeito da DBS na restauração dessa atividade no STN presumivelmente mais afetado.

Parkinson’s Disease (PD) is a rapidly growing global health concern linked to basal ganglia (BG) degeneration and loss of dopamine, resulting in impaired saccadic eye movements. Deep Brain Stimulation (DBS) seems to improve motor function by decreasing beta band potency, which is pathologically increased in PD.The study aims to synchronize DBS and Eye Tracking (ET) signals using Electroencephalography (EEG) as a linking element to investigate subcortical activity in the subthalamic nucleus (STN) during saccades in a PD patient. This new approach aims to provide new insights into ocular motor networks, normal and PD related patterns, and the effects of DBS.A 69-year-old PD patient with predominantly right bradykinesia and implanted IPG-Percept™ PC underwent horizontal and vertical prosaccades. Transistor-transistor logic (TTL) signals were used to synchronize Eyelink and EEG systems by detecting common event markers. For Percept™ PC data, the correspondence was established through DBS artifacts sent to the EEG. Saccadic behavior, STN beta band potency and local field potentials (LFP) amplitude were analyzed during DBS on and off periods, using the Kruskal-Wallis, Mann-Whitney, ANOVA and Spearman tests. A p value less than 0.05 was considered significant.After achieving the systems temporal synchronization, the analysis revealed that with DBS off, vertical saccades had lower velocity and gain compared to horizontal ones and, with DBS on, the gain of leftward saccades was increased and the latency of vertical saccades was shortened.Furthermore, with DBS off, the right hemisphere beta band potency was lower during leftward (contralateral) than rightward saccades, while the left hemisphere, showed no significant difference between the two directions. Moreover, DBS was able to reduce left hemisphere beta band potency during rightward (contralateral) saccades when compared to DBS off. Additionally, left hemisphere beta band potency correlated positively with the gain of rightward saccades, with DBS on. No significant beta band differences were found for upward/downward saccades.LFP results roughly matched beta band potency results.Synchronizing DBS with ET allowed the study of saccade generation in the subcortical network in vivo. With this innovative approach we were able to provide important insights into the probable normal (lateralized) ocular motor-related STN activity and the effect of DBS on restoring such activity in the presumably more affected STN.