Summary
Estereotáxica eletroencefalografia (EEG) é uma técnica cirúrgica utilizada na cirurgia de epilepsia para ajudar a localizar apreensão focos. Ele também oferece uma oportunidade única de investigar a função cerebral. Aqui descrevemos como EEG pode ser utilizado para investigar os processos cognitivos em sujeitos humanos.
Abstract
Estereotáxica eletroencefalografia (EEG) é uma técnica utilizada para localizar focos das crises em pacientes com epilepsia clinicamente intratável. Este procedimento envolve a colocação crônica de múltiplos eletrodos de profundidade em regiões do cérebro normalmente inacessíveis via colocação de eletrodos grade subdural. SEEG proporciona, assim, uma oportunidade única para investigar o funcionamento do cérebro. Neste artigo é demonstrar como SEEG pode ser usado para investigar o papel do córtex cingulado anterior dorsal (DACC) no controle cognitivo. Nós incluímos uma descrição do procedimento SEEG, demonstrando a cirurgia de colocação de eletrodos. Nós descrevemos os componentes e processos necessários para registrar potencial de campo local de dados (LFP) de consentir assuntos enquanto eles estão envolvidos em uma tarefa comportamental. No exemplo citado, os indivíduos desempenham uma tarefa interferência cognitiva, e demonstramos como sinais são registrados e analisados a partir de eletrodos no córtex cingulado anterior dorsal, uma área intimtamente envolvidos na tomada de decisão. Concluímos com outras sugestões de maneiras em que este método pode ser usado para a investigação de processos cognitivos humanos.
Introduction
A epilepsia, uma doença neurológica comum caracterizada por múltiplas crises recorrentes ao longo do tempo, é responsável por 1% da carga mundial de doenças 1. Medicamentos anti-epilépticos não conseguem controlar as crises em 20 - 30% dos pacientes 2,3. Nesses pacientes clinicamente intratável, a cirurgia de epilepsia é muitas vezes indicado 4,5. A decisão de prosseguir com a cirurgia requer localizar o foco de apreensão, um pré-requisito para a formulação de um plano cirúrgico. Inicialmente, técnicas não-invasivas são usadas para lateralizar e localizar o foco de apreensão. Eletroencefalografia (EEG), por exemplo, medidas cortical atividade elétrica gravado a partir de eletrodos colocados sobre o couro cabeludo e muitas vezes pode fornecer informações suficientes sobre a localização do foco de apreensão. Além disso, a ressonância magnética (MRI) pode demonstrar lesões discretas, como a esclerose hipocampal, a patologia clássico visto sob a forma mais comum de epilepsia clinicamente intratável, mesial tA epilepsia do lobo emporal (ELTM).
Frequentemente, no entanto, o processamento não-invasiva é incapaz de identificar um foco de apreensão. Nestes casos, electrocorticografia invasiva (ECoG) com eletrodos intracerebrais é necessário para localizar o foco e orientar ainda mais o tratamento cirúrgico 6. ECoG é uma técnica neurofisiológica usada para medir a atividade elétrica através de eletrodos colocados em contato direto com o cérebro. Grelhas ou tiras de superfície (subdurais) eléctrodos são colocados sobre a superfície do cérebro, um processo que requer uma craniotomia (remoção de uma aba de osso) e grande abertura da dura-máter. Estes eléctrodos de superfície pode ser colocado sobre a área putativo (s) de início das convulsões. As extremidades distais dos eléctrodos são encapsulado através de pequenos orifícios na pele e ligado ao aparelho de controlo na unidade de monitoração epilepsia (UEM). Na UEM, o paciente é monitorado para atividade de apreensão clínica através de vídeo contínuo e gravações de ECoG. Esta i técnicas útil para recolher a longo prazo (dias a semanas) gravações de ictal e descargas elétricas intercríticos sobre relativamente grandes áreas da superfície cortical. Enquanto essas gravações intracranianos são de valor inestimável para a investigação de focos clinicamente e propagação das crises, mas também fornecer-nos com a oportunidade de investigar a função cognitiva e neurofisiologia em seres humanos submetidos a tarefas comportamentais especificamente projetados.
ECoG utilizando eléctrodos em grelha subdurais tem sido utilizado para investigar vários aspectos da função cortical, incluindo o processamento sensorial e linguagem. Tal como um dos muitos exemplos, Bouchard et ai demonstraram a coordenação temporal da musculatura oral na formação de sílabas para a linguagem falada no córtex sensorimotor ventral, uma região identificada como a fala humana córtex sensorimotor 7. Além disso, com a colocação de ECoG grade subdural tem também sido utilizada para estudar os mecanismos pelos quais os seres humanos são capazes de atend para uma voz particular dentro de uma multidão: o chamado 'efeito coquetel' 8,9. Gravações de ECoG demonstrou que existem duas bandas distintas neuronais que controlam dinamicamente fluxos de fala, de baixo fase freqüência e de alta gama flutuações de amplitude, e que existem locais de processamento distintas - um site de "modulação" que controla ambas as colunas, e uma "seleção" site que rastreia o locutor participou 5.
Outra aplicação emergente da ECoG com a colocação do eletrodo subdural é o potencial para o uso com o cérebro Computer Interfaces (BCIS), que "decodificar" a atividade neuronal, a fim de conduzir uma saída externa. Esta tecnologia tem o potencial de permitir que pacientes com cerebral grave ou lesões da medula espinhal para se comunicar com o mundo e manipular próteses 10,11.
Embora a colocação de grade subdural tem contribuído grandemente para a nossa compreensão do super-ofi- áreas corticais e é útil na identificação de focos epileptogénicos corticais, esta técnica requer uma craniotomia e os riscos inerentes, e está geralmente limitado a estudar a superfície externa do cérebro. Eletroencefalografia estereotáxica (SEEG) é uma técnica que permite a avaliação de profunda focos epileptogénica 12. Com uma longa história de uso na França e na Itália, também é cada vez mais utilizada em os EUA 13. SEEG envolve a colocação de eletrodos múltiplos (tipicamente 10-16) nas profundezas da substância do cérebro através de pequenos (poucos mm) buracos torção broca Burr. Vantagens de SEEG sobre a colocação de grade subdural incluem sua natureza menos invasiva, a facilidade de examinar hemisférios bilaterais quando necessário, e a capacidade de gerar mapas tridimensionais de propagação das crises. Além disso, esses eletrodos permitem a identificação de focos profunda epileptogénica que antes eram difíceis de identificar com eletrodos de superfície. Este procedimento também provides a oportunidade de investigar a função de neurofisiologia e estruturas corticais profundas, tais como o sistema límbico, o córtex mesoparietal, o córtex mesotemporal, e o córtex orbitofrontal, todos os quais foram previamente difícil de investigar directamente em seres humanos.
Este artigo demonstra como SEEG podem ser utilizados para investigar a função cognitiva no córtex cingulado anterior dorsal (DACC). O DACC é uma região do cérebro amplamente investigada, mas também é um dos mais mal compreendidos. Considerada uma região importante para a cognição humano, é provável que o DACC é central para o processamento neuronal dinâmico de decisões no contexto de continuamente novas exigências impostas pelo meio 14. Estudos em primatas e humanos 15,16 17 sugerem que o DACC integra os potenciais riscos e benefícios de uma determinada ação, especialmente em situações de conflito simultânea múltiplas demandas 18-21, e modulates estas decisões no âmbito das acções anteriores e os seus resultados 14,22,23.
A Interferência Multi-Source Task (MSIT), uma tarefa comportamental Stroop-like, é freqüentemente usada para investigar o processamento conflito no DACC. A tarefa MSIT ativa o DACC através do recrutamento de neurônios envolvidos em vários domínios de processamento regulamentados pela DACC 24,25. Esta tarefa ativa especificamente o DACC testando recursos de tomada de decisão, a detecção de alvo, detecção de novidades, a detecção de erros, a seleção de resposta, e da concorrência de estímulo / resposta. Além disso, a tarefa MSIT introduz várias dimensões de interferência cognitiva, que são utilizados neste estudo para investigar as respostas a estímulos neurais DACC conflitantes simultâneas utilizando EEG.
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Protocol
Certifique-se de que cada paciente é revisado para adequação ao estudo de pesquisa, e os pacientes apropriados devem ser consentido para a participação no estudo de acordo com os procedimentos do IRB locais.
1. Seleção de Pacientes para SEEG e Pesquisa
- Seleção de Pacientes para SEEG
Nota: Os pacientes com epilepsia devem ser avaliados clinicamente por uma equipe multidisciplinar, composta por Epileptologists, neuropsicólogos e neurocirurgiões.- Certifique-se de que o paciente tem epilepsia focal refratária, definida como a incapacidade de responder a, pelo menos, dois ensaios adequados de medicamentos anti-epilépticos.
- Certifique-se de que as técnicas não invasivas não conseguiram localizar os focos epileptogénica.
- Confirme com a equipe multidisciplinar que o paciente não é adequado para a investigação apenas com eletrodos grade subdural.
- Confirme com a equipe multidisciplinar que há suspeita clínica de uma zona de início das crises profundas.
<li> A seleção dos pacientes para a tarefa de investigação - Certifique-se de que assunto está entre as idades de 13 e 65 anos.
- Obter o consentimento ou aprovação (em conjunto com o consentimento dos pais se abaixo da idade de 18 anos) do paciente.
- Certifique-se de que os indivíduos são capazes de atender à tarefa e cooperar com o teste.
2. Preparação e técnica de implante
- Realizar um T2 volumétrica e contraste aprimorado volumétrica T1 MRI no pré-operatório e transferir as imagens para o software de navegação estereotáxica, de acordo com o protocolo do fabricante.
- Planeje as metas de eletrodos de profundidade com base na ressonância magnética e suspeita clínica de apreensão focos.
Nota: Os exemplos fornecidos são baseados em software de navegação BrainLab e são, portanto, específica para este sistema. No entanto, qualquer software de navegação estereotáxica pode ser usado para planejar trajetórias de eletrodos de profundidade e colocação. - Definir a região anatômica de interesse comoo ponto de destino dentro da função "Planejamento Estereotáxica" no software de navegação estereotáxica.
- Por exemplo, use DACC como o alvo de interesse. Para definir sua trajetória, pressione "nova trajetória", em seguida, pressione "target" e clique no DACC. O centro da meta no meio do DACC examinando DACC em todos os três planos (axial, coronal e sagital) e clicar no meio da DACC em cada plano.
- Definir o ponto de entrada no couro cabeludo dentro da função "Planejamento Estereotáxica" no software de navegação estereotáxica.
- Por exemplo, escolher um ponto sobre o couro cabeludo, que parece ser o caminho mais curto para o DACC. Pressione "entrada" e escolha o ponto sobre o couro cabeludo para fazer o ponto de entrada.
- Clique e arraste o "alvo" e "entrada" aponta para modificar a trajetória definida para evitar estruturas vasculares corticais e subcorticais, bem como qualquer potencial ce eloqüenteregiões rebral.
- Repita o procedimento para todos os alvos de eletrodos de profundidade planejadas (Figura 1).
- Admita o paciente na manhã da cirurgia, trazer para a sala de cirurgia, e induzir sob anestesia geral 26,27.
- Anexar um Cosman-Roberts-Wells (CRW) headframe estereotáxica para a cabeça do paciente com parafusos crânio.
- Obter um CT volumétrica com o headframe no lugar.
- Coloque as imagens volumétricas TC e RM para o software de navegação stereotactic via o "Load e Importação" função.
- Clique na função "Localização" dentro do software de navegação estereotáxica.
- Localize o headframe CRW clicando em todas as imagens definidas pelo software de navegação stereotactic como contendo o headframe e, em seguida, pressionando o botão "Atribuir localizador".
- Clique na função "Localização / PC AC" dentro do software de navegação estereotáxica.
- Identidadeentify comissuras anterior e posterior com base em sua localização anatômica.
- Designar as comissuras anterior e posterior através da função "Definir sistema / PC AC" dentro do software de navegação estereotáxica.
- Clique na função "Imagem de fusão" dentro do software de navegação estereotáxica.
- Mesclar a TC com as imagens de ressonância magnética no software de navegação stereotactic 28,29. Clique no CT volumétrica emparelhado e imagens de ressonância magnética sob a aba "Fusão" e clique em "Auto de fusão".
Nota: Isso coloca o MRI dentro das coordenadas quadro estereotáxico. - Clique na função "Planejamento Estereotáxica" dentro do software de navegação estereotáxica e confirmar as trajetórias planejado desde passos 2.1.2 - 2.1.6.
- Escolha o CT volumétrica como referência estereotáxica sob a guia "Funções estereotáxicas".
- Clique no ícone "print" em tele coluna vertical de ícones para imprimir as coordenadas estereotáxica finais para cada profundidade eletrodo trajetória 30,31.
- Planeje as metas de eletrodos de profundidade com base na ressonância magnética e suspeita clínica de apreensão focos.
- Técnica de implante
- Retorne o paciente à sala de cirurgia após a tomografia computadorizada.
- Prepare e armar o campo cirúrgico utilizando métodos estéreis rotina 32,33.
- Certifique-se de que uma fluoroscope é na sala de cirurgia e colocou junto com o resto do campo cirúrgico.
- Usando as coordenadas estereotáxica impressos a partir do passo 2.1.20, defina as coordenadas para o primeiro eletrodo de profundidade no headframe.
Nota: As coordenadas estereotáxicas são dadas em 3 planos: lateral (x), vertical (y) e ântero-posterior (z). Por exemplo, as coordenadas impressos para um destino no DACC direito são 48,2 milímetros AP, 6,6 mm lateral e 2,2 milímetros Vertical. O headframe é então ajustado para essas coordenadas em conformidade. - Estender a guideblock até a pele e marcar a localização do orifício de trepanação no sCalpe com uma caneta de marcação. Corrigir o guideblock no lugar com base nas coordenadas estereotáxicas e, como tal, não há pontos de referência são necessárias para marcar a incisão.
- Injectar 2 - 3 ml de 0,5% bupivicaína numa diluição de 1: 100.000 epinefrina na incisão marcada.
- Adicione um entalhe no couro cabeludo com um bisturi para baixo para o crânio na incisão marcada.
- Cauterizar a derme e tecido profundo usando cautério monopolar dirigido com um obturador revestido de modo a minimizar qualquer sangramento de vasos na pele ou tecido subcutâneo.
- Faça um furo burr usando um 2,1 milímetros torção broca no meio da incisão.
- Abra a dura com uma sonda rígida obturador. Parafuso um parafuso de fixação no crânio. Coloque uma sonda estilete pré-medidos através do parafuso de fixação para fazer uma trilha para o eletrodo.
- Avançar cuidadosamente o eletrodo para a profundidade pré-calculado. Aperte a tampa parafuso de fixação para baixo para prender o eletrodo.
- Repita esse processo para todosos eléctrodos de profundidade.
- Coloque o fluoroscope por baixo e ao redor da cabeça do paciente, tanto AP e planos laterais para obter imagens da fluoroscopia para assegurar trajetórias de colocação adequada de todos os eletrodos.
- Ligar os eléctrodos ao sistema EEG clínico para verificar impedâncias adequadas.
- Acorde o paciente de anestesia e transporte para a sala de recuperação, e, posteriormente, para a UEM.
- Na UEM, monitorar o paciente por meio de monitoramento de circuito fechado para convulsões clínicas e via ECoG para provas electrographic de convulsões.
3. Behavioral Task e Aquisição de Dados
- Tarefa Behavioral
- Software comportamental aberto no computador dedicado exclusivamente para executar o software comportamental.
Nota: As instruções fornecidas são baseadas em MonkeyLogic, uma caixa de ferramentas MATLAB projetado para a apresentação e execução de tarefas psicofísicas temporalmente precisas 34,35 e são, portanto, specific que a plataforma de software comportamental. Este programa é executado em Matlab versão 2010a e requer a "Aquisição de Dados caixa de ferramentas." No entanto, qualquer plataforma de software comportamental capaz de apresentar estímulos visuais e gravação de dados eletrofisiológicos poderia ser utilizado. - Defina o arquivo condições projetado para executar a tarefa MSIT para incluir todos os quatro tipos de teste de igual freqüência.
Nota: A tarefa MSIT consiste em apresentar o assunto com um taco de três números entre 0 e 3, onde dois dos números, das pegadinhas ', são os mesmos e um número, o' target ', é diferente.- Instrua o assunto para identificar o 'target' pressionando o botão correspondente, de uma caixa de botão. Se '1' é o alvo, o botão esquerdo é a escolha correta. Se '2', o botão do meio, e se, o botão direito do '3'. '0' não corresponde a um possível botão (Figura 2).
- Pressione o botão "Definir condições" e escolha o arquivo desejado condições definido na etapa anterior.
Nota: Existem dois tipos de interferência cognitiva que induzir conflitos durante o processo de tomada de decisão. Ensaios de interferência Flanker ocorrer quando são possíveis os desviadores (1, 2, ou 3, em vez de 0) escolhas de botão (por exemplo., 121), enquanto os testes de interferência espacial ocorrer quando a localização espacial do número de destino diferente do local de resposta (por exemplo, 200 , na qual o botão do meio é a resposta correcta, apesar do facto de que o número de destino está na posição da esquerda). Existem quatro tipos de ensaios com base na presença ou na ausência destes dois tipos de interferência. - Teste o monitor comportamental, clicando em "Test" na caixa de visualização. O monitor deve mostrar o estímulo visual teste para 2-3 sec.
- Conecte o dispositivo de interface de assunto (caixa de botão) para as entradas analógicas sobre os dadosplaca de aquisição no computador dedicado a registrar os dados eletrofisiológicos por três cabos BNC padrão.
- Conecte-se a caixa de botão para uma fonte de energia.
- Ligue a placa de aquisição de dados para o processador de sinal neural 512 canais através de um cabo de divisão fita em 9 fitas. 8 das fitas estão ligados aos portos 0-7 sobre a parte I / O digital da placa de aquisição de dados, enquanto o 9º fita está conectado à porta 0 na porção PFI digitais da placa de aquisição de dados.
Nota: As fitas enviar marcadores de 8 bits digitais (portas 0-7, E / S digital) e um pulso de strobe (porta 0, PFI digital), para o processador de sinal neural. - Definir a taxa de amostragem desejada no software processador de sinal neural.
- Neste exemplo, definir a taxa de amostragem desejada para 50.000 amostras por segundo, aliás e para baixo-amostra online para 1.000 amostras por segundo. Ajuste a taxa de amostragem para atender às metas específicas da tarefa. Sub-milissegundo cronometragem de precisãoexige uma taxa de amostragem extremamente elevado.
- Ligue o amplificador para o processador de sinais neurais através de um cabo de fibra óptica.
- Ligar o processador de sinais neurais para a serpentina de dados e a placa PCI óptico no computador de aquisição de dados neural através do cabo de fibra óptica.
- Aquisição de dados
- Use o equipamento de pesquisa para eletrofisiologia UEM contendo um processador de sinal neural 512 canais para processamento e filtragem digitalizados, pré-amplificada sinais elétricos a partir dos eletrodos de profundidade.
Nota: Enquanto há 512 canais para o processamento, na prática, nunca há mais de 15 - 20 eletrodos colocados para fins clínicos. Por isso, recomendamos a gravação do maior número de eletrodos como viável como o tamanho dos dados e resolução espacial nunca é um problema. - Transportar o equipamento para o quarto do paciente, coloque o monitor de comportamento na frente do paciente em uma mesa portátil e se conectar ao computador de controle comportamentalexecutar o software comportamental por meio de um cabo padrão DVI.
- Coloque o equipamento de gravação para trás ou para o lado da cama do paciente, a fim de permanecer o mais discreto possível.
- Ligue o sistema de pesquisa para a caixa separadora que delimita a gravação de pesquisa a partir do sistema clínica.
- Parâmetros de gravação de controle usando o software processador de sinal neural 34,35.
Nota: Este sistema permite o controle de sub-milissegundos sobre eventos comportamentais 34,35. A sincronização de dados entre neurais e comportamentais pode ser realizado tanto com pulsos analógicos que codificam para eventos de tarefas ou marcadores digitais. Ambos os sinais podem ser enviados a partir de qualquer das saídas digitais ou analógicas no placa de aquisição de dados para o entradas analógicas ou digitais no processador de sinal neural. - Distribua o paciente o dispositivo de interface assunto (caixa de botão) e dar instruções de tarefas.
- Clique em "Executar" para executar a tarefa.
- Permitir que o pacientecompletar dois blocos de 150 ensaios cada.
- Use o equipamento de pesquisa para eletrofisiologia UEM contendo um processador de sinal neural 512 canais para processamento e filtragem digitalizados, pré-amplificada sinais elétricos a partir dos eletrodos de profundidade.
Análise 4. Dados
- Pacote de software aberto que permite a visualização dos dados eletrofisiológicos.
Nota: As instruções fornecidas a seguir são específicas para a versão Matlab 2010a mas qualquer software que permite a visualização e manipulação de dados electrofisiológicos pode ser utilizado. - Abrir arquivo .edf contendo dados eletrofisiológicos matérias da sessão de julgamento.
- Visualizar a partir do sinal de EEG sessão para assegurar que não é visível nenhum artefacto tal como descargas epilépticas ou artefacto de movimento (Figura 3A).
- Overlay os impulsos de temporização da tarefa comportamental para o traço LFP cru (Figura 3B) para ilustrar como pulsos analógico pode delinear estrutura julgamento.
- Usando os impulsos de temporização, alinhar o traço SEEG à apresentação de sugestão para cada ensaio (Figura 3C).
- Remover discrepantes (> 4 desvios padrão)e vestígios de artefatos (Figura 3D).
- Salve todos os ensaios alinhados em uma matriz para as análises (20 ensaios mostrados empilhados na Figura 3E).
- Média de atividade LFP entre os ensaios para reduzir efeito do ruído, artefato, ou atividade EEG não relacionados aos estímulos apresentados, e para aumentar o sinal de interesse (Figura 3F).
- Crie o, espectrograma média-trial cru utilizando análise espectral multi-cônico 36-38.
Nota: análise tempo-freqüência pode ser usado, a fim de investigar a dinâmica espectro-temporais específicos em ensaios únicos ou múltiplos. Este método permite a investigação de oscilações neuronais em diferentes frequências ao longo do tempo. - Pad o sinal de cada julgamento com zeros para a próxima maior potência de 2 para evitar efeitos de borda.
- Aplicar uma janela deslizante de 800 ms com 5 velas principais e uma vez que o produto de largura de banda de 9 a cada 10 ms durante a duração do sinal para criar a especificaçãotrogram (Figura 4A).
- Multiplique o log do espectrograma por 10 e normalizar para exibir informações de freqüência mais alta.
Nota: Os espectrogramas pode ser normalizada por uma distribuição de frequência teórica (ou seja, cada valor de frequência elevada à segunda potência negativa) (Figura 4B), o espectro médio de alguma actividade basal (Figura 4C), ou dividindo pela média e subtraindo o desvio-padrão dos valores em cada faixa de freqüência (Figura 4D). Este procedimento permite o exame de faixas de frequências específicas em ambas as formas cruas e normalizados ao longo do tempo para alterações específicas para a tarefa. Por exemplo, a activação de alta gama banda (70 - 150 Hz), que é mostrada na Figura 3E, é pensado de modo a reflectir a actividade excitatória locais da população neuronal locais em torno do eléctrodo 39,40.
- Software comportamental aberto no computador dedicado exclusivamente para executar o software comportamental.
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Representative Results
Uma vez que um paciente for selecionado para a colocação do eletrodo SEEG, ele / ela passa por uma volumétrica T2 e T1 contraste RM. SEEG trajetórias de eléctrodos são então planejado usando a navegação stereotactic das seqüências de RM volumétricos (Figura 1). Esta técnica permite a recolha de potenciais de campo locais de estruturas profundas dentro do córtex, como dorsal córtex cingulado anterior (luz laranja trajetória, a Figura 1), que não seria possível com a colocação típica eletrodo de superfície. No pós-operatório na UEM, o paciente realiza o Multi-fonte de interferência de tarefas (Figura 2), projetado para ativar neurônios DACC. Depois de um número adequado de ensaios, o campo de dados locais potenciais dos eletrodos SEEG em DACC são pré-processados, a fim de alinhar os dados LFP para apresentação de sugestão para análise significativa subsequente (Figura 3). Além disso, uma vez alinhados, os dados LFP pode ser feita a média para examinar chaNGES na resposta eletrofisiológica média entre os tipos de ensaios (Figura 3F). Posteriormente, espectrogramas multi-cônicos são feitas para investigar as mudanças na faixas de frequência ao longo do tempo (Figura 4). Como os estudos de EEG implicaram diferentes bandas de freqüência na atividade visto no DACC, análise tempo-freqüência é um método importante para ligar as alterações eletrofisiológicas em DACC com comportamento.
Figura 1. planejadas SEEG Eletrodo Trajetórias Usando estereotáxica Navegação Volumétrica T1 contraste melhorado painel esquerdo MRI. Top. Cubra abaixo da vista do rosto tridimensionalmente reconstruído com sobrepostas planejadas trajetórias eletrodo SEEG. Superior direito, inferior esquerdo, e painéis de canto inferior direito. Axial, sagital e coronal de planejados trajetórias eletrodo SEEG sobreposta MRI do paciente. Laranjatrajetórias de eletrodos representam implantação no córtex cingulado anterior bilateralmente. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. A interferência Tarefa Multi-Fonte. Inicialmente, o sujeito se fixa sobre uma cruz no meio da tela antes da sinalização ser mostrado. A sinalização é apresentada e, em seguida, o sujeito tem de identificar o número de "alvo", que é um número diferente do dos outros dois números apresentados. O assunto indica a escolha com um empurrão botão: botão esquerdo se o destino for "1", meio se "2" e à direita se "3." Neste exemplo, se o assunto pressiona o botão do meio, ele / ela é mostrada a número "2" no verde, indicando que ele / ela feza escolha correta. Se ele / ela escolhe qualquer um dos outros botões, "2" é mostrada em vermelho, indicando uma escolha errada. Os indivíduos também passam por ensaios em que eles não recebem o feedback valência sobre sua escolha, caso em que o "2" é mostrado em azul, independentemente de a escolha está correta ou não. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. O pré-processamento de dados SEEG. (A) Todos os dados gravados a partir de um único canal no DACC. (B) A gravação do córtex cingulado anterior com pulsos de tempo sobrepostas para a tarefa comportamental de um minuto. (C) Os dados para cada tentativa alinhado à apresentação de sinalização. (D) Os dados para cadajulgamento alinhado à apresentação de sugestão com outliers e vestígios de artefatos removidos. (E) LFP de 20 ensaios alinhados com base na apresentação de sugestão e empilhados. F. Média LFP alinhado apresentação sugestão de um eletrodo pré-frontal medial. As linhas a tracejado representam o início do ponto de fixação. As linhas tracejadas representam o início de sinalização. Dash-linhas pontilhadas representam o tempo médio de resposta. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Análise Espectral. (A) Raw média-trial multi-cone espectrograma alinhados na sugestão. (B) O mesmo espectrograma em A normalizada por 1 / f 2. (C) O mesmo espectrograma de um espectro normalizado pela média de 500 milissegundos antes da suaè A sugestão. (D) O mesmo espectrograma em (A) normalizada por banda de frequência. (E) Média poder gammaband alta para espectros normalizados e unnormalized. Em todos os gráficos, linhas a tracejado representam o início do ponto de fixação, as linhas tracejadas representam o surgimento de sinalização, e linhas a traço-pontilhada representa o tempo de resposta médio. Barras coloridas indicam as bandas de alta gama utilizado em (E). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Neste trabalho SEEG foi utilizada para investigar a atividade de populações neuronais locais no DACC durante uma tarefa de tomada de decisões em humanos. Os trabalhos anteriores investigaram a atividade de neurônios individuais no DACC usando gravações microelectode intra-operatórias 14 e demonstraram que a atividade DACC é modulado pela atividade anterior. Estudos microeletrodos possibilitar a investigação da atividade spiking de neurônios individuais. SEEG mede LFPs, que estão relacionados com os potenciais sinápticos somados através de uma grande população de neurônios. Portanto SEEG permite a oportunidade de investigar simultaneamente atividade neuronal população de várias regiões do cérebro.
Ao usar uma técnica clínica como SEEG para investigar questões científicas, é fundamental para a garantia de que os planos operacionais e de pesquisa estão alinhados. O problema clínico a ser resolvido consiste em determinar zona início da apreensão do paciente e wivai sempre prevalecer. Uma vez que o plano cirúrgico é ditada pela necessidade clínica, não será sempre possível investigar o mesmo problema de pesquisa com cada caso. Assim, temos desenvolvido uma série de tarefas destinadas a responder a perguntas científicas distintas que podem ser adaptados para o plano operatório do paciente, dependendo das regiões a ser interrogado com eletrodos.
Neste estudo, os dados de EEG LFP foi utilizada para investigar o controlo sobre meta comportamento cognitivo dirigido no córtex cingulado anterior dorsal, uma estrutura cortical profunda na região pré-frontal medial, que é difícil de investigar, em seres humanos. Aquisição de dados LFP pode ser realizado com diversos sistemas diferentes. Um aspecto importante a considerar é a taxa de amostragem, como este deve ser alta o suficiente para adquirir os sinais em que o pesquisador está interessado. Em geral, a taxa de amostragem deve ser quatro vezes mais elevada do que a banda de frequência mais elevada a ser examinado. Por exemplo, se a pesquisaer é interessado em olhar para potenciais evocados (<50 Hz), a taxa de recolha apenas precisa de ser em torno de 200 amostras / s. No entanto, se a questão envolve a análise científica elevada actividade de gama (60-200 Hz), a velocidade de amostragem deve ser de pelo menos 500 amostras / s. Além disso, o sistema deve ser capaz de gravar eletrodos suficientes como são implantados e filtros de hardware no sistema de aquisição de dados não deve excluir as bandas de freqüência de interesse. Por exemplo, muitos sistemas não gravar sinais de corrente contínua. Se o pesquisador está interessado em estudar sinais muito lentos, ele / ela deve usar um sistema de gravação com um filtro de hardware apropriadamente baixa passa-alta. Durante a fase de análise dos dados, é importante para remover os ensaios com transientes muito grandes ou rápidas e remover canais ou ensaios que exibem atividade epileptiforme como fisiologia normal é muito difícil de estudar na presença de atividade epileptiforme.
O papel do DACC na previsão de erro 23,41 15 e na adaptação comportamental no contexto de demandas concorrentes 18-21, respostas conflitantes 42 e atividade anterior 14,22,23, está bem estabelecida. No entanto, uma teoria unificada e integrada para os mecanismos neurais específicos pelos quais o DACC modula controle cognitivo é ainda sujeito a conjectura, devido à falta de evidências empíricas de estudos em humanos que investigam esses domínios simultaneamente 43,44. SEEG oferece a oportunidade de investigar a atividade neural no DACC humano e, portanto, contribuir para uma compreensão integrada da função DACC.
SEEG oferece a oportunidade de investigar outras áreas corticais que podem ser de difícil acesso com eletrodos de superfície, tais como o córtex orbitofrontal (OFC), cujo envolvimento nos aspectos emocionais e baseada em recompensa de tomada de decisão tem sido explorado em estudos utilizando uma única unidade gravações em mon macaquechaves 45 e estudos de conectividade em seres humanos usando ponderada em difusão de imagens tractography 46. Embora esses estudos tenham contribuído para a teoria da função OFC em humanos 47 de tomada de decisão, há uma escassez de literatura em humanos que estudam função OFC especificamente 48. SEEG oferece a oportunidade de resolver esta lacuna do conhecimento. Além disso, EEG pode ser utilizado para demonstrar a função de diferentes regiões do sistema límbico, um conjunto de estruturas profundas corticais e subcorticais envolvidas no processamento de emoções, dor, medo e efeito negativo. Um estudo SEEG tal estudar a resposta do sistema límbico para rostos expressivos demonstrou que o hipocampo e amígdala conter populações neuronais específicas que distinguem feliz de rostos com medo, enquanto as populações neuronais amígdala parecem acompanhar o julgamento subjetivo dessas faces emocionais 49. Disfunção nessas regiões é acreditado para ser implicado em anxidistúrbios nizações da 50 incluindo transtorno obsessivo-compulsivo 51, e estudos SEEG oferecem a oportunidade de entender as vias neurais afetadas e fisiopatologia desses distúrbios em mais detalhes.
Além disso, SEEG pode ser utilizado para investigar a precuneus, um site que é frequentemente alvo durante as investigações epilepsia Seeg, mas raramente coberto com implantes grade subdural. A função desta região do lobo parietal postero-medial é mal compreendida, principalmente por causa de sua localização anatômica no fundo da fissura inter-hemisférica. Estudos de imagem funcional mostraram que o precuneus está ativo no modo 'default' ou estado de repouso consciente 52, em auto de processamento de 53-55, e no processamento da memória episódica, inclusive para memórias autobiográficas 56,57. No entanto, uma vez que estas conclusões são baseadas em estudos limitados em primatas e seres humanos não-humanos, a nossa compreensão do neurocognitive importância desta região ainda está em sua infância 58. Com SEEG, agora temos o potencial para investigar a atividade neuronal dentro do precuneus em humanos acordados, o que pode proporcionar novos insights sobre a função desta região do cérebro.
Tal como acontece com qualquer técnica, SEEG tem limitações em sua aquisição e utilização. Como uma técnica clínica, que é necessariamente limitada pela selecção tanto do paciente e a natureza clínica da epilepsia do paciente. Enquanto os pesquisadores podem projetar uma série de tarefas para contornar esta limitação, as regiões anatômicas estudadas será sempre limitado pelo plano operativo. Além disso, como mencionado anteriormente, ficha EEG locais potenciais de campo, que representam os potenciais sinápticos somados de muitos neurónios. Assim, esta técnica não tem a resolução espacial de técnicas de gravação único neurônio e não pode fornecer dados sobre spiking atividade ou ação potenciais formas de onda. Como tal, ao projetar tarefas para averiguare questões científicas, é importante para garantir que os dados LFP pode responder à questão de interesse.
Neste trabalho, SEEG foi utilizada para investigar profundamente as estruturas corticais e subcorticais que antes eram difíceis de estudar em seres humanos despertos. Estes estudos têm o potencial de melhorar a nossa compreensão dos processos cognitivos humanos. Como SEEG está cada vez mais incorporada como uma ferramenta dentro do arsenal de programas de epilepsia, a oportunidade de neurocientistas para aproveitar seu potencial para estudar o cérebro humano vai crescer significativamente.
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Disclosures
Os autores não têm qualquer conflito de interesse de divulgar.
Acknowledgments
Os autores não têm reconhecimentos ou divulgações financeiras.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Trigger I/O cable | Natus Medical Inc. | 5029 | PS2 to BNC cable |
| BNC cables for analog pulses | Can be ordered from most electronics stores. | ||
| Power strip with surge protection and battery backup | Tripp Lite | SMART500RT1U UPC | Power source and backup |
| National instruments multifunctional daq data acquisition box NI PCIe-6382 DAQ cards | National Instruments | PCIe-6382 w/ BNC 2090A | PCI cards for behavioral control interface |
| Custom made button box - human interface device | Any human interface device with three buttons may be used. Alternatively, 3 keyboard buttons may be used. | ||
| Xltek 128 channel clinical intracranial EEG monitoring system EMU128FS | Natus Medical Inc. | 002047c | Clinical recording system |
| Subject monitor and associated cables for visual stimulus presentation | Dell | U2212HMc | Most Monitors are adequate here. |
| Personal comptuer running behavioral software with DAQ cards installed | Superlogics | SL-2U-PD-Q87SLQ-BA | Computer for recording neural data |
| Mains cable for monitor | Usually comes with the monitor, can be purchased at any electronics store. | ||
| Monkey Logic software which runs on Matlab 2010A | Free from MonkeyLogic website | ||
| MATLAB 2010a software with data acquisition toolbox | Mathworks | Matlab software | |
| sEEG electrodes AD TECH or PMT | AD TECH | 2102-##-101 | Platinum tip, diameter (0.89 mm, 1 mm, 1.1 mm), uninsulated length 2.3 mm; The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16) |
| Cabrio connectors | PMT | 2125-##-01 | The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16) |
| Tucker Davis Technologies Amplifier | Tucker Davs Technologies | PZ5 | preamplifier for neural data |
| Tucker Davis Technologies processor | Tucker Davs Technologies | RZ2 | Neural signal processor for neural data |
| TuckerDavis Technologies data streamer | Tucker Davs Technologies | RS4 | Data streamer and storage |
| Fiber optics cables to connect TDT systems | Tucker Davs Technologies | F05 | Fiber optic cables for connecting Tucker Davis Technologies' prodcuts. |
| ribbon cable and snap serial connector for digital markers | Can be ordered from ost electronics stores. | ||
| personal computer fro running TDT RPvdsEx and OpenEx software | Superlogics | SL-2U-PD-Q87SLQ-BA | computer for behavioral control |
| middle atlantics server cabinet with casters | Middle Atlantic Products | PTRK-21 | Server case to house all of the research items |
| Tucker Davis Technologies splitter box to split clinical and research recrodings | Tucker Davs Technologies | This splitter box is a semi-custom device. Researchers should consult the attending neurologists about splitting the research and clinical recordings in a way that doesn't interfere with clinical care. | |
| Researcher monitor with requisite cables | Dell | U2212HMc | Most Monitors are adequate here. |
| button box power source - 5 volts, 2 amperes | Can be purchased at any electronics store. | ||
| TDT optical interface PCI card | Tucker Davs Technologies | P05 |
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