BackgroundDeep brain stimulation targeting the subcallosal cingulate (SCC-DBS) is a promising therapy for treatment-resistant depression. However, the lack of a consistent, rapid behavioural response to SCC-DBS complicates the selection of optimal stimulation settings following implantation, requiring a prolonged and burdensome trial-and-error process. Immediate biomarkers of effective stimulation could overcome this problem.MethodsIn this proof-of-concept study, three patients with SCC-DBS implants were scanned at 3 T using a block-design paradigm in which stimulation alternated between "ON" and "OFF" states in 30-s cycles during a single 6.5-min acquisition. Scans were performed using participants' clinically optimized parameters. Blood-oxygen-level-dependent (BOLD) response maps were generated by contrasting DBS-ON and DBS-OFF conditions, and exploratory correlations with clinical outcome-indexed by percentage reduction in Hamilton Depression Rating Scale scores at 12 months-were also assessed.ResultsContrasting stimulation settings enabled the identification of regional BOLD signal changes associated with DBS, revealing consistent hemodynamic changes in several brain regions during active stimulation. Specifically, the precuneus, posterior cingulate cortex, middle frontal gyrus, and frontal pole exhibited decreased BOLD responses during active DBS, while the occipital cortex, middle temporal gyrus, inferior parietal lobule, and superior frontal gyrus showed increased BOLD responses. Exploratory analysis further suggested a potential correlation between precuneus BOLD signal change and clinical improvement (R = -0.98, ppermute = 0.09).ConclusionThese findings speak to the utility of block-design fMRI with cycling DBS stimulation as a tool to identify objective, brain-based biomarkers of effective SCC-DBS, potentially expediting stimulation parameter selection and therapeutic optimization.
Contexte: La stimulation cérébrale profonde ciblant le cortex cingulaire subgénual (SCP-CCS) est un traitement prometteur pour la dépression réfractaire. Toutefois, comme il n’est pas possible d’évaluer la réponse comportementale à la SCP-CCS de façon rapide et constante, cela complique la sélection de paramètres de stimulation optimaux après l’implantation et nécessite le recours à un processus d’essais et d’erreurs long et fastidieux. L’identification de biomarqueurs immédiats de l’efficacité de la stimulation permettrait de surmonter ce problème.
Méthodologie: Dans le cadre de cette étude de validation, trois patients portant des implants de SCP-CCS ont fait l’objet d’examens d’IRM 3 T selon une méthode en blocs faisant alterner des périodes de stimulation (« ON ») et des périodes sans stimulation (« OFF ») par cycles de 30 ses au cours d’une seule période d’acquisition de 6,5 min. Les examens d’imagerie ont été réalisés à l’aide des paramètres cliniques optimisés des participants. La cartographie de la réponse a été réalisée par la méthode BOLD (de l’anglais Blood-oxygen-level-dependent) en comparant les conditions durant les périodes SCP-ON et SCP-OFF ainsi qu’en vérifiant les corrélations provisoires avec les résultats cliniques, en fonction du pourcentage de réduction des scores de l’échelle de dépression de Hamilton à 12 mois.
Résultats: La comparaison entre les paramètres de stimulation a permis de cibler les variations régionales de signal BOLD associées à la SCP, révélant des changements hémodynamiques constants dans plusieurs régions du cerveau durant la stimulation active. Plus précisément, le précunéus, le cortex cingulaire postérieur, le gyrus frontal moyen et le pôle frontal ont présenté une diminution du signal BOLD durant la SCP active, alors que le cortex occipital, le gyrus temporal moyen, le lobule pariétal inférieur ainsi que le gyrus frontal supérieur ont présenté une augmentation du signal BOLD. Une analyse provisoire a en outre indiqué une possible corrélation entre la variation du signal BOLD dans la région du précunéus et l’amélioration clinique (R = -0,98, pperm. = 0,09).
Conclusion: Ces résultats témoignent de l’utilité de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) en blocs à l’aide de la SCP cyclique comme outil permettant de cibler des biomarqueurs cérébraux objectifs de l’efficacité de la SCP-CCS, ce qui pourrait accélérer la sélection des paramètres de stimulation et l’optimisation du traitement.
Keywords: deep brain stimulation; depression; fMRI; precuneus; programming; subcallosal cingulate.
Tracking Rapid Brain Responses to Deep Brain Stimulation for DepressionPlain Language SummaryThis proof-of-concept study explored whether real-time brain imaging could help identify immediate effects of deep brain stimulation (DBS) in patients with treatment-resistant depression. DBS targeting the subcallosal cingulate (SCC) is a promising therapy, but it currently lacks fast, reliable markers to guide optimal stimulation settings. As a result, programming DBS settings involves a slow, trial-and-error process. To address this, we tested a method called “cycling fMRI” in three patients who had previously received SCC-DBS. During a 6.5-minute brain scan, each patient’s stimulation settings were alternated between “on” and “off ” every 30 seconds. Using functional MRI (fMRI)—a technique that measures changes in blood oxygen levels as an indirect marker of neural activity—we compared brain responses between these alternating stimulation states. Results showed that switching the stimulation on caused immediate changes in several brain areas. The precuneus, posterior cingulate, and frontal regions showed reduced activity, while occipital and temporal areas became more active. These patterns suggest that DBS can rapidly influence brain networks involved in depression. Notably, the precuneus —a region associated with self-reflection and part of the brain’s default mode network —showed changes that may relate to clinical improvement. Exploratory analysis showed that stronger reductions in precuneus activity could be linked to better treatment outcomes. The study confirms that cycling fMRI can detect rapid brain changes during DBS and may help identify useful brain-based biomarkers. If validated in larger studies, this approach could speed up DBS programming and improve outcomes by personalizing treatment more efficiently. Overall, this research opens the door to using real-time brain imaging as a guide for optimizing psychiatric neuromodulation therapies.