Therapeutic electrical stimulation of the central nervous system

Abstract

The electrical effects on the nervous system have been known for long. The excitatory effect has been used for diagnostic purposes or even for therapeutic applications, like in pain using low-frequency stimulation of the spinal cord or of the thalamus. The discovery that High-Frequency Stimulation (HFS) mimics the effect of lesioning has opened a new field of therapeutic application of electrical stimulation in all places where lesion of neuronal structures, such as nuclei of the basal ganglia, had proven some therapeutic efficiency. This was first applied to the thalamus to mimic thalamotomy for the treatment of tremor, then to the subthalamic nucleus and the pallidum to treat some advanced forms of Parkinson's disease and control not only the tremor but also akinesia, rigidity and dyskinesias. The field of application is increasingly growing, currently encompassing dystonias, epilepsy, obsessive compulsive disease, cluster headaches, and experimental approaches are being made in the field of obesity and food intake control. Although the effects of stimulation are clear-cut and the therapeutic benefit is clearly recognized, the mechanism of action of HFS is not yet understood. The similarity between HFS and the effect of lesions in several places of the brain suggests that this might induce an inhibition-like process, which is difficult to explain with the classical concept of physiology where electrical stimulation means excitation of neural elements. The current data coming from either clinical or experimental observations are providing elements to shape a beginning of an understanding. Intra-cerebral recordings in human patients with artefact suppression tend to show the arrest of electrical firing in the recorded places. Animal experiments, either in vitro or in vivo, show complex patterns mixing inhibitory effects and frequency stimulation induced bursting activity, which would suggest that the mechanism is based upon the jamming of the neuronal message, which is by this way functionally suppressed. More recent data from in vitro biological studies show that HFS profoundly affects the cellular functioning and particularly the protein synthesis, suggesting that it could alter the synaptic transmission by reducing the production of neurotransmitters. It is now clear that this method has a larger field of application than currently known and that its therapeutical applications will benefit to several diseases of the nervous system. The understanding of the mechanism has opened a new field of research, which will call for reappraisal of the basic effects of electricity on the living tissues. To cite this article: A.-L. Benabid et al., C. R. Biologies 328 (2005). Les effets de l'électricité sur le système nerveux sont connus depuis longtemps. Les effets excitateurs ont été utilisés dans un but diagnostique et même pour des applications thérapeutiques, telles que le traitement de la douleur, en utilisant une stimulation à basse fréquence de la moelle épinière ou du thalamus. La découverte que la stimulation à haute fréquence (SHF) mime les effets des lésions a ouvert un nouveau champ aux applications thérapeutiques de la stimulation électrique dans toutes les zones du cerveau où la lésion de structures neuronales, telles que les noyaux de la base, pouvait avoir une certaine efficacité thérapeutique. Ceci fut appliqué pour la première fois dans le thalamus pour mimer les effets de la thalamotomie dans le traitement du tremblement, puis au niveau du noyau subthalamique et du pallidum pour traiter certaines formes avancées de la maladie de Parkinson et contrôler non seulement le tremblement, mais aussi l'akinésie, la rigidité et les dyskinésies. Le champ d'application de la SHF s'élargit régulièrement, comprenant à ce jour les dystonies, épilepsie, les troubles obsessifs compulsifs, les algies vasculaires de la face, tandis que des approches expérimentales sont faites dans le domaine de l'obésité et du contrôle de l'alimentation. Bien que les effets de la stimulation soient évidents et que le bénéfice thérapeutique soit clairement reconnu, le mécanisme d'action de la SHF reste actuellement méconnu. La similitude entre la SHF et les effets des lésions en différents endroits du cerveau suggèrent qu'elle pourrait induire un processus de type inhibition difficile à expliquer dans le cadre du concept classique de la physiologie où stimulation électrique est synonyme d'excitation des éléments nerveux. Les données actuelles en provenance, soit des observations cliniques, soit des éléments expérimentaux, fournissent des éléments permettant de façonner le début d'une explication. Les enregistrements intracérébraux chez des patients humains en utilisant des techniques de suppression d'artefacts tendent à montrer qu'il existe un arrêt de l'électrogenèse dans les endroits enregistrés. L'expérimentation animale, que ce soit in vitro in vivo, montre des patterns complexes associant des effets inhibiteurs et des activités en burst induites par la stimulation à haute fréquence qui suggérerait que le mécanisme est en partie fondé sur le brouillage d'un message neuronal, qui est de cette façon fonctionnellement supprimé. Des données plus récentes d'études biologiques in vitro montrent que la stimulation haute fréquence affecte profondément le fonctionnement cellulaire, et particulièrement la synthèse protéique, suggérant qu'elle pourrait altérer la transmission synaptique en réduisant la production de neurotransmetteurs. Il est maintenant clair que cette méthode possède un champ d'application plus large que celui actuellement connu et que les applications thérapeutiques bénéficieront à de multiples maladies du système nerveux. La compréhension des mécanismes a ouvert un nouveau champ de recherche, qui va réévaluer les effets fondamentaux de l'électricité sur les tissus vivants. Pour citer cet article : A.-L. Benabid et al., C. R. Biologies 328 (2005).