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Zervikale Dystonien gehören zu den häufigsten Formen fokaler Dystonien. Diese sind durch anhaltende, unwillkürliche Muskelkontraktionen gekennzeichnet, welche zu verdrehenden oder repetitiven Bewegungen oder abnormalen Haltungen des Kopfes führen. Ein seit über 100 Jahren beobachtetes Phänomen stellt hierbei die Möglichkeit dar, mittels sogenannter "sensibler Trickmanöver", welche meistens in einer leichten Berührung von Arealen im Kopfbereich bestehen, die pathologische Muskelaktivität zu reduzieren und damit die Kopfposition zu normalisieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine breite und vor allem erstmalig quantitative Charakterisierung von wirksamen Trickmanövern vorzunehmen und so verschiedene Einflußgrößen auf die Wirksamkeit solcher Tricks zu untersuchen. Hierzu wurden die Muskelaktivitäten der vier wichtigsten den Kopf drehenden Muskeln mittels Oberflächen-EMG abgeleitet und die Veränderungen bei Trickapplikation unterschiedlicher Lokalisation, Modalität und bei verschiedenen Ausgangspositionen ermittelt. 1) Hinsichtlich der Lokalisation ergaben sich über alle Patienten gemittelt keine signifikante Seitendifferenz, und auch bei individuellem Vergleich zeigten sich bei rund 50% der Patienten keine signifikanten Unterschiede zwischen kontralateraler und ipsilateraler Trickapplikation. Unter den getesteten Applikationsorten grenzte sich das Areal "Wange" mit durchschnittlich 33%iger Reduktion der gesamten EMG-Aktivität signifikant gegen die Areale "Kinn" (-23%) und "Hals" (-23%) ab und war bei 79% der Patienten am besten wirksam. 2) Bei weiterer Untersuchung verschiedener Trickmodalitäten auf dem für jeden Patienten individuell wirksamsten Areal waren neben dem klassischen Trickmanöver (-42%) auch die Verwendung eines Plastikstabes durch den Patienten (-43%) oder Untersucher (-32%), sowie nicht-sensible Manöver wie das Heben des Armes ohne eigentliche Berührung (-18%) und die bloße Vorstellung einer Trickapplikation (-20%) hochsignifikant wirksam. Allerdings korrelierten sensible und (wie die beiden letztgenannten) nicht-sensible Tricks nicht miteinander, was auf einen prinzipiell unterschiedlichen Wirkmechanismus hinweisen könnte. Visuelle Rückkopplung über einen Spiegel hatte im Gegensatz dazu keine Wirkung. 3) Bezüglich der Bedeutung der Kopfposition für Muskelaktivität und Trickwirksamkeit zeigte sich bereits bei willkürlicher Einnahme einer Neutralposition ohne Trickanwendung eine signifikante Reduktion agonistischer Muskelaktivität (-30%), die allerdings von einer leichten antagonistischen Aktivierung begleitet war (+2,4%). Überraschenderweise war die Applikation eines Tricks um so wirksamer, je weiter der Kopf zu Beginn auf die zur dystonen Drehrichtung kontralateralen Seite gedreht war. Demgegenüber ließ sich bei Trickapplikation in dystoner Maximalposition kaum mehr eine Wirkung nachweisen (-12%). Die vorliegenden Ergebnisse sprechen aufgrund der unspezifischen Wirkung verschiedenster Trickmanöver (2) und Lokalisationen (1) für die Einbeziehung höherer sensomotorischer Integrationszentren wie z. B. des Parietalcortex in den Wirkmechanismus. Sensible Trickmanöver könnten bei auf die pathologische Kopfposition adaptierten sensiblen Afferenzen Zusatzinformationen über die Kopfposition im Vergleich zum Rumpf liefern. Möglicherweise sind diese umso wirksamer, je weiter sich der Kopf noch auf der kontralateralen Seite befindet (3), da in dieser Situation die dystone Muskelaktivität noch gering und das sensible Mismatch, über welches sensible Stimuli modulierend einwirken könnten, maximal ist. Nach den vorgelegten Ergebnissen läßt sich erstmals ein zweiphasiger Ablauf der Trickwirkung postulieren: Der in einer ersten Phase teils willkürlich in eine günstige Ausgangsposition gebrachte Kopf kann durch die Anwendung sensibler Stimuli oder Imagination in einer zweiten Phase mit geringerer Anstrengung und unter Ausnutzung kortikaler sensomotorischer Servomechanismen stabilisiert werden. Im Rahmen der vorgelegten Studie konnte das Verständnis für therapeutisch nutzbare sensible Trickmanöver verbessert und somit Patienten unterschiedliche Trickstrategien an die Hand gegeben werden. Die Identifikation der zentralen Rolle höherer integrativer Zentren wie dem Parietalcortex im Rahmen des Wirkmechanismus, könnte dabei Ausgangspunkt für neue Therapieansätze in Form einer gezielten Beeinflussung solcher Areale sein.
Second hit hypothesis in dystonia: Dysfunctional cross talk between neuroplasticity and environment?
(2021)
One of the great mysteries in dystonia pathophysiology is the role of environmental factors in disease onset and development. Progress has been made in defining the genetic components of dystonic syndromes, still the mechanisms behind the discrepant relationship between dystonic genotype and phenotype remain largely unclear. Within this review, the preclinical and clinical evidence for environmental stressors as disease modifiers in dystonia pathogenesis are summarized and critically evaluated. The potential role of extragenetic factors is discussed in monogenic as well as adult-onset isolated dystonia. The available clinical evidence for a "second hit" is analyzed in light of the reduced penetrance of monogenic dystonic syndromes and put into context with evidence from animal and cellular models. The contradictory studies on adult-onset dystonia are discussed in detail and backed up by evidence from animal models. Taken together, there is clear evidence of a gene-environment interaction in dystonia, which should be considered in the continued quest to unravel dystonia pathophysiology.
Low-frequency oscillatory patterns of pallidal local field potentials (LFPs) have been proposed as a physiomarker for dystonia and hold the promise for personalized adaptive deep brain stimulation. Head tremor, a low-frequency involuntary rhythmic movement typical of cervical dystonia, may cause movement artifacts in LFP signals, compromising the reliability of low-frequency oscillations as biomarkers for adaptive neurostimulation. We investigated chronic pallidal LFPs with the Percept\(^{TM}\) PC (Medtronic PLC) device in eight subjects with dystonia (five with head tremors). We applied a multiple regression approach to pallidal LFPs in patients with head tremors using kinematic information measured with an inertial measurement unit (IMU) and an electromyographic signal (EMG). With IMU regression, we found tremor contamination in all subjects, whereas EMG regression identified it in only three out of five. IMU regression was also superior to EMG regression in removing tremor-related artifacts and resulted in a significant power reduction, especially in the theta-alpha band. Pallido-muscular coherence was affected by a head tremor and disappeared after IMU regression. Our results show that the Percept PC can record low-frequency oscillations but also reveal spectral contamination due to movement artifacts. IMU regression can identify such artifact contamination and be a suitable tool for its removal.
Der Schreibkrampf ist eine Form der fokalen Handdystonie, die durch anhaltende, unwillkürliche Verkrampfung der Hand beim Schreiben gekennzeichnet ist und zu unnatürlicher, zum Teil statischer und schmerzhafter Handhaltung führt. Bei prädisponierten Personen kann dieser nach exzessiver Wiederholung von stereotypen Bewegungen auftreten. Bewegungen und sensible Stimulation führen durch Mechanismen neuronaler Plastizität zu dynamischer Modulation sensibler und motorischer kortikaler Repräsentationen. Wird neuronale Plastizität nicht in natürlichen Grenzen gehalten, kann es zu veränderten, entdifferenzierten neuronalen Repräsentationen wie sie bei fokaler Handdystonie gefunden werden, führen. Zelluläre Kandidatenmechanismen für die Bildung neuronaler Engramme sind die Langzeitpotenzierung und –depression (LTP / LTD) neuronaler Synapsen. Wir verwendeten die als ein Modell für assoziative LTP und LTD beim Menschen entwickelte assoziative Paarstimulation (PAS). Mit dieser Methode untersuchten wir die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften neuronaler Plastizität des Motorkortex bei Schreibkrampf-Patienten. Eine niederfrequente elektrische Stimulation eines peripheren Nerven (N. medianus (MN) oder N. ulnaris (UN)) wurde wiederholt (0,1Hz, 180 Reizpaare) mit einer transkraniellen Magnetstimulation (TMS) über dem homotopen kontralateralen Motorkortex mit einem Zeitintervall von 21,5ms (MN-PAS21.5; UN-PAS21.5) oder 10ms (MN-PAS10) kombiniert. Bei MN-PAS21.5 und MN-PAS10 wurde die optimale Spulenposition so gewählt, dass das magnetisch evozierte motorische Potential (MEP) im kontralateralen M. abductor pollicis brevis (APB) eine maximale Größe annahm, für UN-PAS21.5 wurde die Spule über dem "Hotspot" des M. abductor digiti minimi (ADM) platziert. Zehn Schreibkrampf-Patienten (Alter 39±9 Jahre; Mittelwert±Standardabweichung) und 10 gesunde bezüglich Alter und Geschlecht angepasste Probanden wurden untersucht. Veränderungen der Exzitabilität wurden mittels TMS bis zu 85 min nach der jeweiligen Intervention gemessen. Nach MN-PAS21.5 oder UN-PAS21.5 stieg die Amplitude der MEPs bei den gesunden Probanden nur in den Muskeln, die homotope externe PAS Stimulation erhalten hatten (APB Zielmuskel für MN; ADM für UN), nicht aber in Muskeln, die nicht homotop stimuliert worden waren. Im Gegensatz dazu stiegen bei Schreibkrampf-Patienten nach MN-PAS21.5 oder UN-PAS21.5 die Amplituden der APB und ADM-MEPs unabhängig von dem Ort der peripheren oder zentralen Stimulation. Bei Schreibkrampf-Patienten war eine frühere, stärkere und längere Zunahme der kortikalen Exzitabilität im Vergleich zu den Kontrollen zu verzeichnen. Qualitativ ähnliche Beobachtungen konnten in umgekehrtem Sinne (frühere und längere Abnahme der Exzitabilität im homo- und heterotopen Muskel) nach MN-PAS10 gemacht werden. LTP- und LTD-ähnliche Plastizität ist bei Schreibkrampf-Patienten demnach gesteigert und die normale strenge topographische Spezifität PAS-induzierter Plastizität aufgehoben. Diese maladaptive Plastizität könnte ein Bindeglied zwischen repetitiven Bewegungen und gestörter sensomotorischer Repräsentation darstellen, damit zu einem besseren Verständnis der Pathophysiologie der Dystonie beitragen und letztendlich mögliche therapeutische Konsequenzen implizieren.
DYT-TOR1A is the most common inherited dystonia caused by a three nucleotide (GAG) deletion (dE) in the TOR1A gene. Death early after birth and cortical anomalies of the full knockout in rodents underscore its developmental importance. We therefore explored the timed effects of TOR1A-wt and TOR1A-dE during differentiation in a human neural in vitro model. We used lentiviral tet-ON expression of TOR1A-wt and -dE in induced neural stem cells derived from healthy donors. Overexpression was induced during proliferation of neural precursors, during differentiation and after differentiation into mature neurons. Overexpression of both wildtype and mutated protein had no effect on the viability and cell number of neural precursors as well as mature neurons when initiated before or after differentiation. However, if induced during differentiation, overexpression of TOR1A-wt and -dE led to a pronounced reduction of mature neurons in a dose dependent manner. Our data underscores the importance of physiological expression levels of TOR1A as crucial for proper neuronal differentiation. We did not find evidence for a specific impact of the mutated TOR1A on neuronal maturation.
Background
Deep brain stimulation (DBS) is an effective evidence‐based therapy for dystonia. However, no unequivocal predictors of therapy responses exist. We investigated whether patients optimally responding to DBS present distinct brain network organization and structural patterns.
Methods
From a German multicenter cohort of 82 dystonia patients with segmental and generalized dystonia who received DBS implantation in the globus pallidus internus, we classified patients based on the clinical response 3 years after DBS. Patients were assigned to the superior‐outcome group or moderate‐outcome group, depending on whether they had above or below 70% motor improvement, respectively. Fifty‐one patients met MRI‐quality and treatment response requirements (mean age, 51.3 ± 13.2 years; 25 female) and were included in further analysis. From preoperative MRI we assessed cortical thickness and structural covariance, which were then fed into network analysis using graph theory. We designed a support vector machine to classify subjects for the clinical response based on individual gray‐matter fingerprints.
Results
The moderate‐outcome group showed cortical atrophy mainly in the sensorimotor and visuomotor areas and disturbed network topology in these regions. The structural integrity of the cortical mantle explained about 45% of the DBS stimulation amplitude for optimal response in individual subjects. Classification analyses achieved up to 88% of accuracy using individual gray‐matter atrophy patterns to predict DBS outcomes.
Conclusions
The analysis of cortical integrity, informed by group‐level network properties, could be developed into independent predictors to identify dystonia patients who benefit from DBS.