Summary
Stéréotaxique électroencéphalographie (SEEG) est une technique opératoire utilisé dans la chirurgie de l'épilepsie pour aider à localiser la saisie foyers. Il offre également une occasion unique d'étudier le fonctionnement du cerveau. Ici, nous décrivons comment la SEEG peut être utilisée pour étudier les processus cognitifs chez les sujets humains.
Abstract
Stéréotaxique électroencéphalographie (SEEG) est une technique utilisée pour localiser la saisie foyers chez les patients atteints d'épilepsie réfractaire médicalement. Cette procédure implique la mise en place d'électrodes multiples chronique de profondeur dans des régions du cerveau généralement inaccessible par l'intermédiaire de sous-dural placement de l'électrode de grille. SEEG fournit donc une occasion unique d'étudier le fonctionnement du cerveau. Dans cet article, nous montrons comment la SEEG peut être utilisée pour étudier le rôle de la dorsale cortex cingulaire antérieur (CACD) dans le contrôle cognitif. Nous incluons une description de la procédure SEEG, démontrant la mise en place chirurgicale des électrodes. Nous décrivons les composants et processus nécessaires à l'enregistrement potentiel de champ local (LFP) des données de consentir sujets alors qu'ils sont engagés dans une tâche comportementale. Dans l'exemple fourni, les sujets jouent une tâche d'interférence cognitive, et nous montrent comment les signaux sont enregistrés et analysés à partir d'électrodes dans le cortex cingulaire antérieur dorsal, une région intimment impliqué dans la prise de décision. Nous concluons avec d'autres suggestions de la manière dont cette méthode peut être utilisée pour étudier les processus cognitifs humains.
Introduction
Épilepsie, un trouble neurologique courant caractérisé par de multiples crises récurrentes au fil du temps, représente 1% de la charge mondiale des maladies 1. Les médicaments anti-épileptiques ne parviennent pas à contrôler les crises dans 20 à 30% des patients 2,3. Chez ces patients médicalement intraitables, chirurgie de l'épilepsie est souvent indiquée 4,5. La décision de procéder à une chirurgie nécessite localiser l'objet de saisie, une condition préalable à la formulation d'un plan chirurgical. Initialement, des techniques non invasives sont utilisés pour latéraliser et localiser le foyer de la saisie. Électroencéphalographie (EEG), par exemple, l'activité électrique corticale mesures enregistrées à partir des électrodes placées sur le cuir chevelu et peut souvent fournir suffisamment d'informations sur l'emplacement de l'accent de la saisie. En outre, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut démontrer des lésions discrètes, telles que la sclérose de l'hippocampe, la pathologie classique vu dans la forme la plus courante d'épilepsie médicalement intraitables, mésiale tépilepsie emporal (de MTLE).
Souvent, cependant, le bilan non invasive est incapable d'identifier un accent de saisie. Dans ces cas, électrocorticographie invasive (ECoG) avec des électrodes intracérébrales est nécessaire pour localiser le foyer et orienter la suite traitement chirurgical 6. ECoG est une technique neurophysiologique utilisé pour mesurer l'activité électrique à l'aide d'électrodes placées en contact direct avec le cerveau. Les grilles ou des bandes de surface (sous-duraux) électrodes sont placées sur la surface du cerveau, un processus qui nécessite une craniotomie (ablation d'un volet osseux) et la grande ouverture de la dure-mère. Ces électrodes de surface peuvent être placées sur la zone putatif (s) de début des crises. Les extrémités distales des électrodes sont en tunnel à travers de petites ouvertures dans la peau et connectés à l'appareil de contrôle dans l'unité de surveillance de l'épilepsie (UEM). Dans l'UEM, le patient est surveillé pour l'activité de saisie clinique grâce à la vidéo en continu et des enregistrements ECoG. Cette technique is utile pour recueillir à long terme (quelques jours ou semaines) des enregistrements de ictal et décharges électriques intercritiques sur de relativement grandes zones de la surface corticale. Bien que ces enregistrements intracrâniens sont inestimables cliniquement pour enquêter sur la saisie et la propagation des foyers, ils nous fournissent aussi l'occasion d'étudier la fonction cognitive et la neurophysiologie chez les humains subissant des tâches comportementales spécialement conçus.
ECoG utilisant des électrodes de grille sous-dural a été utilisé pour étudier divers aspects de la fonction corticale, y compris le traitement sensoriel et de la langue. Comme l'un des nombreux exemples, Bouchard et al démontré la coordination temporelle de la musculature orale dans la formation des syllabes de la langue parlée dans le cortex sensori-ventrale, une région identifiée comme la parole humaine cortex sensorimoteur 7. En outre, ECoG avec le placement de la grille sous-dural a également été utilisé pour étudier les mécanismes par lesquels les humains sont capables de Attend une voix particulière dans une foule: la soi-disant «effet cocktail» 8,9. Enregistrements ECoG démontré qu'il existe deux groupes neuronaux distincts qui suivre dynamiquement les flux de la parole, les fluctuations à la fois faible de phase de fréquence et haute gamma amplitude, et qu'il existe des sites de traitement distinctes - l'une du site «modulation» qui suit les deux haut-parleurs, et une 'sélection' site qui suit le locuteur assisté à cinq.
Une autre application émergente de ECoG avec le placement de l'électrode sous-dural est le potentiel pour une utilisation avec Brain Interfaces ordinateur (BCI), qui "décoder" l'activité neuronale afin de conduire une sortie externe. Cette technologie a le potentiel de permettre patients atteints cérébrale grave ou de blessures de la moelle épinière pour communiquer avec le monde et de manipuler des prothèses 10,11.
Tandis que le placement de la grille sous-dural a grandement contribué à notre compréhension de superaires corticales offi- et est utile pour identifier les foyers épileptogènes corticales, cette technique ne nécessite une craniotomie et ses risques associés, et est généralement limitée à l'étude de la surface externe du cerveau. Électroencéphalographie stéréotaxique (SEEG) est une technique qui permet l'évaluation de foyers épileptogènes profonde 12. Avec une longue histoire d'utilisation en France et en Italie, il est également de plus en plus utilisé aux États-Unis 13. SEEG implique le placement d'électrodes multiples (typiquement 10 à 16) de profondeur dans la substance du cerveau à travers de petites (quelques mm) trous foret de bavures. Avantages de la SEEG sur le placement de la grille sous-dural comprennent sa nature moins invasive, la facilité d'examiner hémisphères bilatéraux lorsque cela est nécessaire, et la capacité de générer des cartes en trois dimensions de la propagation des crises. En outre, ces électrodes permettent l'identification des foyers épileptogènes profonde qui étaient auparavant difficiles à identifier avec des électrodes de surface. Cette procédure a également provides l'occasion d'étudier la neurophysiologie et la fonction des structures corticales profondes, comme le système limbique, le cortex mesoparietal, le cortex mesotemporal, et le cortex orbitofrontal, qui étaient auparavant difficiles à enquêter directement chez l'homme.
Cet article montre comment la SEEG peut être utilisé pour enquêter sur la fonction cognitive dans le cortex cingulaire antérieur dorsal (CACD). Le CACD est une région du cerveau largement étudiés, mais il est aussi l'un des plus mal compris. Considéré comme une région importante pour la cognition humaine, il est probable que le DACC est au cœur du traitement neuronal dynamique de décisions dans le contexte de l'évolution des demandes en continu imposées par l'environnement 14. Les études dans les deux primates et les humains 15,16 17 suggèrent que le DACC intègre les risques potentiels et les avantages d'une action donnée, en particulier dans les situations de conflit simultanée de multiples demandes 18-21, et modulates ces décisions dans le cadre des actions précédentes et leurs résultats 14,22,23.
L'interférence Multi-Source Groupe (MSIT), une tâche comportementale Stroop-like, est fréquemment utilisé pour enquêter sur le traitement des conflits dans le DACC. La tâche MSIT active le DACC en recrutant neurones impliqués dans plusieurs domaines du traitement réglementés par le DACC 24,25. Cette tâche active spécifiquement le DACC par les caractéristiques de la prise de décision, la détection de cible, la détection de nouveauté, la détection d'erreur, la sélection de réponse, et la concurrence stimulus / réponse test. En outre, la tâche MSIT introduit multiples dimensions de l'interférence cognitive, qui sont utilisés dans cette étude pour enquêter DACC réponses de neurones aux stimuli contradictoires simultanées utilisant la SEEG.
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Protocol
Veiller à ce que chaque patient est examiné d'aptitude à l'étude de recherche, et les patients appropriés doit être consenti pour la participation à l'étude selon les procédures de la CISR locales.
1. Sélection des patients pour la SEEG et de la recherche
- Sélection des patients pour la SEEG
Remarque: les patients épileptiques doivent être cliniquement évaluées par une équipe multidisciplinaire composée d'épileptologues, neuropsychologues et les neurochirurgiens.- Veiller à ce que le patient souffre d'épilepsie focale réfractaire au traitement médical, défini comme un échec à répondre à au moins deux essais adéquats de médicaments anti-épileptiques.
- Veiller à ce que des techniques non invasives ont pas réussi à localiser les foyers épileptogène.
- Confirmer avec l'équipe multidisciplinaire que le patient ne est pas adapté pour enquête uniquement avec électrodes de grille sous-dural.
- Confirmer avec l'équipe multidisciplinaire qu'il ya suspicion clinique d'une zone saisie de commencement profonde.
<li> La sélection des patients pour la tâche de recherche - Assurez-vous que l'objet est entre les âges de 13 et 65 ans.
- Obtenir le consentement ou l'assentiment (avec le consentement des parents si dessous de l'âge de 18 ans) du patient.
- Veiller à ce que les sujets sont en mesure d'assister à la tâche et à coopérer avec l'essai.
2. Préparation et implantation Technique
- Effectuer un T2 volumétrique et un contraste amélioré volumétrique T1 IRM préopératoire et transférer les images vers le logiciel de navigation stéréotactique, selon le protocole du fabricant.
- Planifier les objectifs d'électrodes de profondeur en fonction de la IRM et suspicion clinique de saisie foyers.
Remarque: Les exemples fournis sont basés sur le logiciel de navigation BrainLab et sont donc propres à ce système. Cependant, ne importe quel logiciel de navigation stéréotactique peut être utilisée pour planifier des trajectoires profondeur d'électrode et le placement. - Définir la région anatomique d'intérêt quele point de cible dans la fonction «planification stéréotaxique" dans le logiciel de navigation stéréotactique.
- Par exemple, utiliser le DACC comme cible d'intérêt. Pour définir sa trajectoire, appuyez sur "nouvelle trajectoire," puis appuyez sur "cible" et cliquez sur le DACC. Centrer la cible dans le milieu de DACC en examinant DACC dans tous les trois plans (axial, frontal et sagittal) et en cliquant sur le milieu de DACC dans chaque plan.
- Définir le point sur le cuir chevelu d'entrée au sein de la fonction «planification stéréotaxique" dans le logiciel de navigation stéréotactique.
- Par exemple, choisir un point sur le cuir chevelu qui semble être le plus court chemin vers l'DACC. Appuyez sur "entrée" et choisissez le point sur le cuir chevelu pour faire le point d'entrée.
- Cliquez et faites glisser les et les points «cible» «entrée» pour modifier la trajectoire définie pour éviter structures corticales et sous-corticales vasculaires ainsi que toute CE éloquente potentielrebral régions.
- Répétez l'opération pour toutes les cibles d'électrodes de profondeur prévues (Figure 1).
- Admettre le patient le matin de la chirurgie, porter à la salle d'opération, et d'induire sous anesthésie générale 26,27.
- Joindre une Cosman-Roberts-Wells (CRW) chevalement stéréotaxique à la tête du patient avec des vis de crâne.
- Obtenir un CT volumétrique avec le chevalement en place.
- Chargez les TDM et d'IRM images volumétriques dans le logiciel de navigation stéréotactique via la fonction "Importer Charger et".
- Cliquez sur la fonction "Localisation" dans le logiciel de navigation stéréotactique.
- Localisez le chevalement CRW en cliquant sur toutes les images définies par le logiciel de navigation stéréotactique contenant le chevalement et puis en poussant le bouton "Affecter LOC".
- Cliquez sur la fonction "AC / PC Localisation" dans le logiciel de navigation stéréotactique.
- Çaentify commissures antérieure et postérieure en fonction de leur emplacement anatomique.
- Désigner les commissures antérieures et postérieures via la fonction «Set AC système / PC" dans le logiciel de navigation stéréotactique.
- Cliquez sur la fonction "Image Fusion" dans le logiciel de navigation stéréotactique.
- Fusionner les images CT avec les images IRM dans le logiciel de navigation stéréotactique 28,29. Cliquez sur le CT volumétrique jumelé et des images IRM sous l'onglet "Fusion" puis cliquez sur "Auto Fusion".
Note: Ceci place la IRM dans les coordonnées stéréotaxiques du cadre. - Cliquez sur la fonction «planification stéréotaxique" dans le logiciel de navigation stéréotactique et confirmer les trajectoires prévues des étapes 2.1.2 - 2.1.6.
- Choisissez le volumétrique CT comme référence stéréotaxique sous l'onglet "Fonctions stéréotaxiques".
- Cliquez sur l'icône «imprimer» dans til colonne verticale d'icônes pour imprimer les coordonnées finales stéréotaxiques pour chaque profondeur électrode trajectoire 30,31.
- Planifier les objectifs d'électrodes de profondeur en fonction de la IRM et suspicion clinique de saisie foyers.
- technique d'implantation
- Retour au patient de la salle d'opération suivant la tomodensitométrie.
- Préparer et draper le champ opératoire en utilisant des méthodes stériles routine 32,33.
- Se assurer qu'un fluoroscope est dans la salle d'opération et drapé avec le reste du champ opératoire.
- En utilisant les coordonnées stéréotaxiques imprimés de l'étape 2.1.20, définir les coordonnées pour la première électrode de profondeur sur le chevalement.
Remarque: Les coordonnées stéréotaxiques sont donnés dans trois plans: latérale (x), vertical (y) et antéro-postérieur (z). Par exemple, les coordonnées imprimés pour une cible dans le droit DACC sont 48,2 mm AP, 6,6 mm et 2,2 mm latéral vertical. Le chevalement est alors mis à ces coordonnées en conséquence. - Étendre la guideblock jusqu'à la peau et marquer l'emplacement du trou de trépan sur la sCalp avec un marqueur. Fixer le guideblock en place sur la base des coordonnées stéréotaxiques et en tant que telle, sans repères sont nécessaires pour marquer l'incision.
- Injecter 2 - 3 ml de bupivacaïne à 0,5% dans une dilution 1: 100 000 d'adrénaline dans l'incision marquée.
- Faire une entaille dans le cuir chevelu avec un scalpel vers le crâne dans l'incision marquée.
- Cautériser le derme et les tissus profonds en utilisant l'énergie monopolaire dirigé avec un obturateur revêtu afin de minimiser tout saignement par les navires dans la peau ou tissu sous-cutané.
- Percez un trou de trépan utilisant un foret de torsion 2,1 mm au milieu de l'incision.
- Ouvrir la dure-mère avec une sonde d'obturateur rigide. Vissez un boulon d'ancrage dans le crâne. Placer une sonde pré-mesurée stylet à travers le boulon d'ancrage pour faire une piste pour l'électrode.
- Avancer avec précaution l'électrode à la profondeur pré-calculée. Serrer le capuchon de boulon d'ancrage pour fixer le électrode.
- Répétez ce processus pour tousles électrodes de profondeur.
- Placez le fluoroscope en dessous et entourant la tête du patient et dans les deux plans latéraux AP pour obtenir des images fluoroscopiques d'assurer trajectoires de placement adéquat de toutes les électrodes.
- Connectez les électrodes au système EEG clinique pour vérifier impédances appropriées.
- Réveillez le patient de l'anesthésie et de transport à la salle de récupération, et par la suite à l'UEM.
- Dans l'UEM, surveiller le patient par l'intermédiaire de surveillance en circuit fermé pour les crises cliniques et via ECoG des preuves électrographique de convulsions.
3. Groupe comportementale et acquisition de données
- Tâche comportementale
- Ouvrez le logiciel de comportement sur l'ordinateur exclusivement consacré à l'exécution du logiciel comportemental.
Remarque: Les instructions fournies sont basées sur MonkeyLogic, une boîte à outils MATLAB conçu pour la présentation et l'exécution de tâches précises 34,35 psychophysiques temporellement et sont donc specific à cette plate-forme logicielle du comportement. Ce programme est exécuté sur la version 2010a Matlab et exige le «Data Acquisition Toolbox." Cependant, toute plate-forme logicielle de comportement capable de présenter des stimuli visuels et d'enregistrement des données électrophysiologiques pourraient être utilisés. - Réglez le fichier des conditions conçu pour exécuter la tâche MSIT pour inclure tous les quatre types de fréquence égale d'essai.
Remarque: La tâche MSIT consiste à présenter le sujet avec une queue de trois nombres entre 0 et 3, où deux des numéros, les «distracteurs», sont identiques et un numéro, le «cible», est différent.- Demandez l'objet d'identifier la «cible» en appuyant sur le bouton correspondant sur une boîte de bouton. Si '1' est la cible, le bouton gauche est le bon choix. Si «2», le bouton du milieu, et si, le bouton '3' à droite. '0' ne correspond pas à un bouton possible (figure 2).
- Appuyez sur le bouton "Set conditions" et choisissez le fichier souhaité fixer des conditions à l'étape précédente.
Remarque: Il ya deux types d'interférences cognitives qui induisent conflit pendant le processus de prise de décision. Essais d'interférence Flanker se produisent lorsque les distracteurs sont possibles (1, 2, ou 3, au lieu de 0) choix de bouton (par ex., 121), tandis que les essais d'interférence spatiale se produisent lorsque la localisation spatiale de la valeur cible diffère du lieu de l'intervention (par exemple, 200 dans lequel le bouton du milieu est la réponse correcte, malgré le fait que le numéro de cible est dans la position de gauche). Il existe quatre types d'essais basés sur la présence ou l'absence de ces deux types de brouillage. - Testez le moniteur d'affichage comportementale en cliquant sur "Test" dans la zone d'affichage. L'écran d'affichage devrait montrer le test stimulus visuel pour les 2-3 sec.
- Connectez le dispositif d'interface de l'objet (boîte de bouton) pour les entrées analogiques sur les donnéescarte d'acquisition sur l'ordinateur consacrée à l'enregistrement des données électrophysiologiques via trois câbles BNC standard.
- Connectez la boîte de bouton à une source d'alimentation.
- Connectez la carte d'acquisition de données au processeur de signal neuronal 512 canaux via un câble split ruban dans neuf rubans. 8 des rubans sont connectés aux ports 0-7 sur la partie E / S numérique de la carte d'acquisition de données tandis que le 9 e ruban est connecté au port 0 sur la partie numérique de PFI de la carte d'acquisition de données.
Remarque: Les rubans envoient des marqueurs numériques de 8 bits (ports 0-7, numérique I / O) et une impulsion d'échantillonnage (port 0, PFI digital), au processeur de signal neuronal. - Régler le taux d'échantillonnage souhaité dans le logiciel de traitement du signal neural.
- Dans cet exemple, régler le taux d'échantillonnage désirée pour 50 000 échantillons par seconde, alias et bas-échantillon en ligne pour 1000 échantillons par seconde. Ajustez le taux d'échantillonnage pour répondre aux objectifs spécifiques de la tâche. Chronométrage de précision sous-millisecondeexige un taux d'échantillonnage extrêmement élevé.
- Branchez l'amplificateur pour le processeur de signal neuronal via un câble de fibre optique.
- Connecter le processeur de signal neural au serpentin de données et la carte PCI optique dans l'ordinateur d'acquisition de données via un câble de neurones à fibres optiques.
- L'acquisition des données
- Utiliser la plate-forme de recherche pour électrophysiologie UEM contenant un processeur de signal neural 512 canaux pour le traitement et le filtrage numérique, pré-amplifié des signaux électriques à partir des électrodes de profondeur.
Note: Bien qu'il existe 512 chaînes de traitement, dans la pratique, il n'y a jamais plus de 15 à 20 électrodes placées à des fins cliniques. Par conséquent, nous vous recommandons d'enregistrer à partir autant d'électrodes que possible que la taille des données et la résolution spatiale ne est jamais un problème. - Transports la plate-forme à la chambre du patient, placer le moniteur de comportement devant le patient sur une table portable et se connecter à l'ordinateur de contrôle comportementalexécutant le logiciel comportementale aide d'un câble DVI standard.
- Placez la plate-forme d'enregistrement derrière ou sur le côté du lit du patient afin de rester le plus discret possible.
- Connectez le système de recherche de la zone de séparation qui sépare l'enregistrement du système de recherche clinique.
- paramètres d'enregistrement de commande en utilisant le logiciel de traitement de signal neuronal 34,35.
Remarque: Ce système permet un contrôle sous-milliseconde sur les événements comportementaux 34,35. La synchronisation entre les données de neurones et de comportements, peut être réalisée soit avec des impulsions analogiques codant pour des événements de tâche ou des marqueurs numériques. Les deux signaux peuvent être envoyés soit à partir des sorties numériques ou analogiques sur la carte d'acquisition de données à l'entrées analogiques ou numériques sur le processeur de signal neural. - Distribuez le patient le dispositif d'interface de l'objet (boîte de touche) et donner des instructions de travail.
- Cliquez sur "Exécuter" pour exécuter la tâche.
- Permettre au patient decompléter deux blocs de 150 essais chacun.
- Utiliser la plate-forme de recherche pour électrophysiologie UEM contenant un processeur de signal neural 512 canaux pour le traitement et le filtrage numérique, pré-amplifié des signaux électriques à partir des électrodes de profondeur.
4. Analyse des données
- Logiciel ouvert qui permet la visualisation des données électrophysiologiques.
Remarque: Les instructions fournies ci-dessous sont spécifiques à la version 2010a Matlab, mais un logiciel qui permet la visualisation et la manipulation des données électrophysiologiques peuvent être utilisés. - Fichier .edf ouverte contenant des données électrophysiologiques premières de la session d'essai.
- Visualisez signaux SEEG de la session pour se assurer qu'il ne ya pas de artefact visible comme décharges épileptiformes ou mouvement artefact (figure 3A).
- Superposer les impulsions de synchronisation de la tâche comportementale sur la trace LFP bruts (figure 3B) pour illustrer comment impulsions analogiques peuvent délimiter la structure de procès.
- En utilisant les impulsions de synchronisation, d'aligner la trace SEEG à la présentation de repère pour chaque essai (figure 3C).
- Retirer les valeurs aberrantes (> 4 écarts-types)et des traces d'artefacts (Figure 3D).
- Enregistrer tous les essais alignés dans une matrice pour d'autres analyses (20 essais présentés empilés dans la figure 3E).
- LFP activité moyenne dans les essais pour réduire les effets du bruit, artefact, ou d'une activité EEG ne sont pas liées aux stimuli présentés, et d'augmenter le signal d'intérêt (figure 3F).
- Créez le, spectrogramme d'essai de moyenne brute utilisant l'analyse spectrale multi-conique 36-38.
Remarque: l'analyse temps-fréquence peut être utilisée pour étudier la dynamique spectro-temporelle spécifiques à travers des essais simples ou multiples. Cette méthode permet l'enquête des oscillations neuronales à des fréquences différentes au fil du temps. - Pad le signal provenant de chaque essai avec des zéros à la prochaine plus grande puissance de 2 pour éviter les effets de bord.
- Appliquer une fenêtre glissante de 800 ms à 5 principaux des cônes et un produit temps-largeur de bande de neuf toutes les 10 ms grâce à la durée du signal pour créer la spécificationtrogram (figure 4A).
- Multiplier le journal du spectrogramme de 10 normaliser et pour afficher des informations de fréquence plus élevée.
Nota: Les spectrogrammes peuvent être normalisés par une distribution de fréquence théorique (ce est à dire, chaque valeur de fréquence élevée à la deuxième puissance négative) (figure 4B), le spectre moyen d'une activité de référence (Figure 4C), ou en divisant par la moyenne et soustraction de la écart-type des valeurs dans chaque bande de fréquences (figure 4D). Cette procédure permet à l'examen des bandes de fréquences spécifiques dans les deux premières formes normalisées et plus de temps pour les changements spécifiques à la tâche. Par exemple, une activation à haute gamma-bande (70 à 150 Hz), ce qui est représenté sur la figure 3E, on pense que le reflet de l'activité excitatrice locale de la population neuronale locale entourant l'électrode 39,40.
- Ouvrez le logiciel de comportement sur l'ordinateur exclusivement consacré à l'exécution du logiciel comportemental.
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Representative Results
Une fois qu'un patient est sélectionné pour le placement des électrodes SEEG, il / elle subit une T2 et T1 contraste IRM volumétrique accrue. SEEG trajectoires d'électrode sont alors prévus navigation stéréotactique utilisant des séquences d'IRM volumétriques (figure 1). Cette technique permet de recueillir des potentiels de champ locales de structures profondes dans le cortex dorsal tels que le cortex cingulaire antérieur (trajectoire de couleur orange clair, figure 1) qui ne serait pas possible avec typique positionnement des électrodes de surface. En post-opératoire dans l'UEM, le patient effectue le Multi-Source interférences Groupe (Figure 2), conçu pour activer les neurones DACC. Après un nombre suffisant d'essais, les données locales sur le terrain potentiels des électrodes SEEG dans DACC sont prétraitées afin d'aligner les données LFP à la présentation de repère pour l'analyse significative ultérieure (Figure 3). En outre, une fois alignés, les données de LFP peuvent être moyennées pour examiner chaNGES dans la réponse électrophysiologique moyenne entre les types d'essais (figure 3F). Par la suite, spectrogrammes multi-coniques sont faites pour étudier les changements dans les bandes de fréquences au fil du temps (figure 4). Comme les études le cuir chevelu de l'EEG ont impliqué différentes bandes de fréquences dans l'activité vu dans DACC, analyse temps-fréquence est une méthode importante pour relier les changements électrophysiologiques DACC comportement.
Figure 1. prévues SEEG électrodes Trajectoires Utilisation stéréotaxique navigation volumétrique T1 contraste amélioré IRM. Haut panneau de gauche. De haut en bas vue du visage en trois dimensions reconstruite avec superposées trajectoires d'électrodes SEEG prévues. En haut à droite, en bas à gauche, et des panneaux en bas à droite. Axial, vues sagittal et coronal de trajectoires prévues d'électrodes SEEG superposées sur l'IRM du patient. Orangetrajectoires d'électrodes représentent implantation dans le cortex cingulaire antérieur bilatéral. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. L'interférence de Groupe Multi-Source. Initialement, le sujet fait une fixation sur une croix dans le milieu de l'écran avant de la queue étant montré. Le repère est ensuite présenté et le sujet doit identifier le nombre "cible", qui est le seul numéro différent des deux autres chiffres présentés. Le sujet indique le choix d'un bouton poussoir: bouton gauche si la cible est "1", milieu si «2» et à droite si "3." Dans cet exemple, si le sujet appuie sur le bouton du milieu, il / elle est montrée la numéro "2" en vert, il indique / elle a faitle bon choix. Si il / elle choisit l'une des autres boutons, "2" se affiche en rouge, indiquant un mauvais choix. Sujets subissent également des essais dans lesquels ils ne reçoivent pas de rétroaction valenced propos de leur choix, auquel cas le "2" se affiche en bleu, que le choix est correct ou non. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. prétraitement des données SEEG. (A) Toutes les données enregistrées à partir d'un seul canal dans le DACC. (B) d'enregistrement d'une minute tout au long de cortex cingulaire antérieur avec des impulsions de synchronisation superposés pour la tâche comportementale. (C) Les données pour chaque essai aligné sur la présentation de repère. (d) Les données pour chaqueprocès aligné sur la présentation de repère les valeurs aberrantes et des traces d'artefacts retirés. (E) LFP de 20 essais alignés sur présentation de repère et empilés. F. Averaged LFP aligné sur présentation de repère d'une électrode préfrontal médian. Les lignes en pointillé représentent le début du point de fixation. Les lignes pointillées représentent l'apparition de repère. Dash-pointillés représentent le temps de réponse moyen. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. Analyse spectrale. (A) Raw multi-cône spectrogramme d'essai de moyenne aligné sur la sélection. (B) Le même spectrogramme dans A normalisée par 1 / f 2. (C) La même spectrogramme en un spectre normalisé par le moyen de 500 millisecondes before la queue. (D) Le même spectrogramme en (A) normalisée par bande de fréquence. (E) Puissance moyenne de gammaband haute pour les spectres normalisé et non normalisé. Dans toutes les parcelles, des lignes pointillées représentent le début du point de fixation, lignes pointillées représentent l'apparition de repère, et les lignes en tirets et points représentent le temps de réponse moyen. Barres de couleur indiquent les bandes gamma élevées utilisées dans (E). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Discussion
Dans cet article, la SEEG a été utilisé pour étudier l'activité des populations neuronales locales dans le DACC pendant une tâche de prise de décision chez les humains. Des travaux antérieurs ont étudié l'activité de neurones individuels dans le DACC en utilisant des enregistrements de microelectode peropératoires 14 et démontré que l'activité DACC est modulée par l'activité précédente. études de microélectrodes permettent l'enquête de l'activité de dopage des neurones individuels. SEEG mesure LFP, qui sont liés à des potentiels synaptiques sommées sur une grande population de neurones. SEEG permet donc l'occasion d'étudier simultanément l'activité neuronale de la population de plusieurs régions du cerveau.
Lorsque vous utilisez une technique clinique tels que la SEEG pour enquêter sur des questions scientifiques, il est essentiel de d'abord se assurer que les plans de fonctionnement et de recherche sont alignés. Le problème clinique à résoudre consiste à déterminer la zone et wi saisie de commencement du patientll toujours préséance. Parce que le plan opérationnel est dictée par le besoin clinique, il ne sera pas toujours possible d'étudier le même problème de recherche avec tous les cas. Ainsi, nous avons développé une série de tâches visant à répondre à des questions scientifiques distinctes qui peuvent être adaptées aux plan opérationnel du patient selon les régions interrogés avec des électrodes.
Dans cette étude, les données SEEG LFP a été utilisé pour enquêter sur le contrôle cognitif sur le comportement objectif réalisé dans le cortex cingulaire antérieur dorsal, une structure corticale profonde dans la région médial préfrontal qui est difficile à étudier chez l'homme. Acquisition de données LFP peut être effectuée avec de nombreux systèmes différents. Un aspect crucial à considérer est la fréquence d'échantillonnage que celle-ci doit être suffisamment élevé pour acquérir les signaux dans lesquels le chercheur est intéressé. En général, la fréquence d'échantillonnage doit être quatre fois plus élevée que la bande de fréquence la plus élevée en cours d'examen. Par exemple, si la rechercheer est intéressé à regarder potentiels évoqués (<50 Hz), la fréquence d'échantillonnage doit seulement être autour de 200 échantillons / s. Toutefois, si la question scientifique consiste à examiner l'activité gamma élevé (de 60 à 200 Hz), la fréquence d'échantillonnage doit être au moins 500 échantillons / s. En outre, le système devrait être en mesure d'enregistrer suffisamment électrodes qui sont implantés, et les filtres de matériel sur le système d'acquisition de données ne devrait pas exclure les bandes de fréquences d'intérêt. Par exemple, de nombreux systèmes ne enregistrent pas les signaux à courant continu. Si le chercheur se intéresse à l'étude des signaux très lents, il / elle doit utiliser un système d'enregistrement avec un faible approprié filtre matériel passe-haut. Au cours de la phase d'analyse des données, il est important d'enlever les essais avec de très grandes ou rapides transitoires et supprimer des chaînes ou des essais qui présentent une activité épileptique que la physiologie normale est très difficile d'étudier dans la présence d'une activité épileptique.
Le rôle de la DACC dans la prédiction d'erreur 23,41 15 et dans l'adaptation comportementale dans le contexte de demandes concurrentes 18-21, 42 réponses contradictoires et l'activité précédente 14,22,23, est bien établi. Cependant, une théorie unifiée et intégrée pour les mécanismes neuronaux spécifiques par lequel le module la DACC contrôle cognitif est encore soumise à des conjectures en raison d'un manque de preuves empiriques d'études sur l'homme d'enquêter sur ces domaines simultanément 43,44. SEEG fournit l'occasion d'étudier l'activité neuronale dans le DACC humaine et donc contribuer à une compréhension intégrée de la fonction DACC.
SEEG offre la possibilité d'enquêter sur d'autres aires corticales qui peuvent être difficiles d'accès avec des électrodes de surface, tels que le cortex orbitofrontal (OFC), dont l'implication dans les aspects émotionnels et fondé sur la récompense de la prise de décision a été explorée dans les études utilisant une seule unité enregistrements dans mon macaque45 clés et des études de connectivité chez l'homme en utilisant la diffusion pondérée imagerie tractographie 46. Bien que ces études ont contribué à la théorie de la fonction OFC chez l'homme 47 de prise de décision, il ya une pénurie de la littérature chez les humains qui étudient la fonction OFC spécifiquement 48. SEEG fournit l'occasion d'aborder cette lacune. En outre, la SEEG peut être utilisé pour démontrer la fonction des différentes régions du système limbique, une collection de structures corticales et sous-corticales profondes impliquées dans le traitement émotion, la douleur, la peur et l'affect négatif. Une telle étude SEEG étudier la réponse du système limbique aux visages expressifs a démontré que l'hippocampe et l'amygdale contiennent populations neuronales spécifiques qui le distinguent heureux de visages craintifs, alors que les populations neuronales amygdale semblent suivre le jugement subjectif de ces visages émotionnels 49. Dysfonctionnement dans ces régions est censé être impliqué dans Anxitroubles ETY 50 y compris le trouble obsessionnel-compulsif, et 51 études SEEG offrent la possibilité de comprendre les voies nerveuses touchées et physiopathologie de ces troubles plus en détail.
En outre, la SEEG peut être utilisée pour étudier la precuneus, un site qui est souvent la cible lors de la SEEG enquêtes de l'épilepsie, mais rarement couvert avec des implants de la grille sous-dural. La fonction de cette région du lobe pariétal postéro-interne est mal comprise, principalement en raison de sa localisation anatomique profondément dans la fissure interhémisphérique. Des études d'imagerie fonctionnelle ont montré que la precuneus est actif dans le «mode par défaut» ou consciente état de repos 52, dans l'auto traitement 53-55, et dans le traitement de la mémoire épisodique, y compris pour les souvenirs autobiographiques 56,57. Toutefois, puisque ces résultats sont basés sur des études limitées chez les primates et les humains non humains, notre compréhension de la Neurocognitive importance de cette région est encore à ses débuts 58. Avec la SEEG, nous avons maintenant la possibilité d'enquêter sur l'activité neuronale dans le precuneus chez l'homme éveillé, qui peut fournir un nouvel aperçu de la fonction de cette région du cerveau.
Comme avec ne importe quelle technique, la SEEG a des limites à la fois l'acquisition et l'utilisation. En tant que technique clinique, il est nécessairement limité à la fois par la sélection des patients et de la nature de l'épilepsie clinique du patient. Bien que les chercheurs peuvent concevoir un certain nombre de tâches à contourner cette limitation, les régions anatomiques étudiés seront toujours limitées par le plan opérationnel. En outre, comme mentionné précédemment, fiche SEEG potentiels de champ locaux, qui représentent les potentiels synaptiques sommés de nombreux neurones. Ainsi, cette technique ne possède pas la résolution spatiale des techniques d'enregistrement de neurones simples et ne peut pas fournir des données sur l'activité de dopage ou d'action des formes d'onde possibles. Ainsi, les tâches lors de la conception à examinationquestions scientifiques e, il est important de se assurer que les données LFP peuvent répondre à la question de l'intérêt.
Dans cet article, la SEEG a été utilisé pour étudier les structures corticales et sous-corticales profondes qui étaient auparavant difficiles à étudier chez des sujets humains éveillés. Ces études ont le potentiel d'améliorer notre compréhension des processus cognitifs humains. Comme SEEG est de plus en plus comme un outil intégré au sein de l'arsenal de programmes épilepsie, la possibilité de neuroscientifiques à exploiter son potentiel pour étudier le cerveau humain va croître de façon significative.
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Disclosures
Les auteurs ne ont aucun conflit d'intérêt à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs ne ont aucun accusés de réception ou de l'information financière.
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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