باستخدام Saccadometry مع ديب تحفيز الدماغ لدراسة العادية والمرضية وظيفة الدماغ

Summary

تصف هذه الورقة استخدام القياس الكمي لحركات العين جنبا إلى جنب مع تحفيز المناطق البؤرية في الدماغ العميق من أجل دراسة علم وظائف الأعضاء والفيزيولوجيا المرضية وآليات التحفيز العميق للدماغ.

Abstract

يتضمن الجهاز الحركي للعين عددا كبيرا من مناطق الدماغ بما في ذلك أجزاء من العقد القاعدية ، ويمكن أن تؤدي الأمراض التنكسية العصبية المختلفة بما في ذلك مرض باركنسون وهنتنغتون إلى تعطيلها. يميل الأشخاص المصابون بمرض باركنسون ، على سبيل المثال ، إلى زيادة زمن انتقال السكادي. وبالتالي ، حظي القياس الكمي لحركات العين السكادية باهتمام كبير كمؤشر حيوي محتمل للحالات التنكسية العصبية. يمكن معرفة الكثير عن الدماغ في كل من الصحة والمرض من خلال مراقبة ما يحدث لحركات العين عندما تكون وظيفة مناطق معينة في الدماغ مضطربة. التحفيز العميق للدماغ هو تدخل جراحي يستخدم لإدارة مجموعة من الحالات العصبية بما في ذلك مرض باركنسون ، حيث يتم وضع أقطاب كهربائية محفزة في مناطق معينة من الدماغ بما في ذلك عدة مواقع في العقد القاعدية. يمكن بعد ذلك إجراء قياسات حركة العين باستخدام أنظمة التحفيز متوقفة وتشغيل ومقارنة النتائج. مع التصميم التجريبي المناسب ، يمكن استخدام هذا النهج لدراسة الفيزيولوجيا المرضية للمرض الذي يتم علاجه ، والآلية التي يمارس بها DBS آثارا مفيدة ، وحتى جوانب الفيزيولوجيا العصبية الطبيعية.

Introduction

في السنوات الأخيرة كان هناك اهتمام متزايد في استخدام قياسات أوقات رد الفعل كوسيلة الكمية وغير الغازية من الحصول على معلومات حول آليات مستوى عال من صنع القرار ¹ العصبي. نوع واحد من وقت رد الفعل التي تمت دراستها على نطاق واسع هو الوقت الذي يستغرقه لبدء حركة العين على عرض الحوافز البصري، والمعروفة باسم الكمون رمشي. Saccades هي حركات العين السريعة التي تحدث عندما ننتقل بسرعة انظارنا من مكان إلى آخر. وهي النوع الأكثر شيوعا من حركات العين التي نتخذها، التي تحدث على تردد عادة اثنين أو ثلاثة في الثانية الواحدة. كل حركة العين هو في الواقع قرار للنظر في جديلة واحدة في العالم المرئي بدلا من ² آخر.

وقد تم دراسة المسارات العصبية السيطرة على حركات العين على نطاق واسع، وإلى حد ما موثقة جيدا ^3. استخدام المعدات الإلكترونية الحساسة، ويمكن جوانب وظيفة المحرك للعين يكون بدقة وبموضوعيهكميا ذ. هذا يسهل دراسة تفصيلية لحركات العين نفسها ولكن أيضا يسمح لهم لاستخدامها كأداة لتحقيق المناطق الأخرى من علم وظائف الأعصاب والفسيولوجيا المرضية.

قياس حركة العين يمكن أن توفر معلومات مفيدة حول الحالات المرضية. في الآونة الأخيرة، على سبيل المثال، تلقى حركات العين رمشي نفس القدر من الاهتمام المؤشرات الحيوية المحتملة في الاضطرابات العصبية بما في ذلك الأمراض هنتنغتون ^4،5 و ^6،7 باركنسون، وثبت أيضا أن زمن رد الفعل رمشي تميل إلى أن تكون أبطأ من المعتاد في مثل هذه الظروف. وتشمل الاستخدامات المحتملة لقياس رمشي المساعدات للتشخيص وتتبع المرض. وتتراوح مهام رمشي من prosaccade بسيطة (النظر في أسرع وقت ممكن نحو التحفيز البصري التي تظهر فجأة إلى اليسار أو اليمين) إلى مهام أكثر تعقيدا مثل antisaccade (أبحث في أسرع وقت ممكن إلى الجانب المعاكس لحافز البصرية) أو في الذاكرة حركة العين المصحوبة بمرشدين (أبحثنحو موقع تذكرت من الهدف الذي لم يعد هناك).

تحفيز الدماغ العميق هو علاج فعال للعديد من الحالات العصبية. هو الأكثر شيوعا لعلاج الأعراض الحركية لمرض الشلل الرعاش بما في ذلك الزلزال، وصلابة، بطء الحركة، وخلل الحركة. كما انها تستخدم لاضطرابات الحركة الأخرى بما في ذلك خلل التوتر ورعاش، وأقل شيوعا لآلام الأعصاب، والصرع، والحالات النفسية مثل الوسواس القهري. ذلك هو الإعداد الوحيد الذي العلماء من الحصول الكهربائي المباشر إلى البنى العميقة من الدماغ البشري في الجسم الحي، وبالتالي يوفر فرصة ثمينة لعلم الأعصاب التجريبي. مجموعة متنوعة من الأهداف وحفز تبعا للحالة التي تتم معالجتها، بما في ذلك عدة مواقع في العقد القاعدية، وكثير منها تشارك في مسارات المحرك للعين. وهذا يعني أن مجموعة واسعة من الدراسات يمكن أن تتم باستخدام نظام DBS لتقديم التحفيزإلى موقع دماغية معينة وجهاز تتبع العين لتسجيل وتحليل آثاره. اعتمادا على النموذج التجريبي، قد تسفر عن مثل هذه الدراسات معلومات عن علم وظائف الأعضاء في المنطقة التي حفزت، وآثار هذا المرض، أو الآلية التي تعمل DBS في ذلك وضع معين. توضح هذه المقالة النهج العام لرمشي اختبار حركة العين في المرضى الذين يعانون ديب تحفيز الدماغ.

تتوفر العديد من أنواع مختلفة من المعدات تتبع العين. للبحث الموصوفة في هذا البروتوكول تم استخدام saccadometer المحمولة لتسجيل حركات العين رمشي الأفقية. saccadometers المحمولة لديها ميزة لا تتطلب ضبط النفس الرأس (انظر الشكل 1)، وهو ما يعني أن الجلسات أكثر راحة للمرضى الذين يعانون من مرض باركنسون، وخاصة لأولئك الذين يعانون من خلل الحركة الشديدة. وsaccadometer المستخدمة هنا هي خفيفة الوزن وحوالي 5 سم و 10 سم. في قنينة saccadometerالحركات الدقة العين عن طريق استخدام الأشعة تحت الحمراء تخطيط حركات العين المباشر: مصدر الأشعة تحت الحمراء وأجهزة الاستشعار وضعه أمام سطي ضوء استخدام لحاظ المنعكس من القرنية إلى تحديد موقف التناوب من مقلة العين على فترات ميلي ثانية واحدة. من أجل الحصول على بيانات ذات نوعية جيدة للتحليل يجب أخذ عينات من saccadometer بمعدل لا يقل عن 1 كيلو هرتز مع قرار 12 بت على الأقل. في saccadometer المستخدمة هنا كانت المثيرات البصرية ثلاثة الحمراء 13 قرص م ^-2 بقع الضوء التي تنتجها بني في الليزر منخفض الطاقة، كل بقعة subtending بعض 0.1 درجة، مع بقعة واحدة في خط الوسط واثنين آخرين في ± 10 درجة (أي ، إلى اليمين واليسار).

شنت الشكل 1. Saccadometer. رئيس saccadometer يعلق على شريط مطاطي ويستريح على جسر الأنف. أربعة ليزر مصغرة يستهدف المشروع البصرييتم قياس الصورة إلى سطح لامع، وحركات العين المشارك من قبل التفاضلية محولات انعكاس الأشعة تحت الحمراء على الجانب الأنفي من كل عين. كما تتحرك الأهداف الليزر مع الرأس، وليس مطلوبا من مساند الرأس. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

وافقت لجنة الاخلاق المحلية هذه الدراسة، وأبلغ افقت تم الحصول عليها من المشاركين كما هو موضح أدناه في القسم 1.

1. الموافقة مشارك

1. تزويد المشاركين مع ورقة المعلومات التي تشرح بالتفصيل ما ستتضمن جلسة الاختبار.
2. بعد أن يكون المشاركين الفرصة لقراءة ومناقشة أية أسئلة أو مخاوف أو غيرها من المسائل ذات الصلة على مشاركتها في الدراسة، انتقل من خلال استمارة الموافقة معهم، شرح كل نقطة على استمارة الموافقة ومنحهم الفرصة لطرح أي أسئلة قد يكون لديهم. طرح سؤال على المشاركين لاستكمال النموذج.

2. إعداد Saccadometer

1. وضع الجهاز على رأس المريض، مضمونة حزام مرنة قابلة للتعديل ويستريح على جسر الأنف. لأن المحفزات تتحرك بالضبط مع الرأس، أي وجها لضبط النفس ضروري والجهاز هو مريح للالتحالف الإنجيليص.
2. نطلب من المريض أن يجلس في 1.5 متر من الشاشة ماتي مسطحة.
3. تأكد من أن الإضاءة المحيطة معتمة بحيث ينظر إلى المنبهات (بقع الضوء الأحمر) بشكل واضح.

3. تسجيل جلسة رمشي

ملاحظة: وكمثال على ذلك يوصف بروتوكول قياسي ان الاختبارات على حد سواء prosaccades وantisaccades ⁸ هنا. يتكون هذا البروتوكول من خمس كتل: 60 prosaccades، 40 antisaccades × 3، و 60 prosaccades مع فاصل من 1 دقيقة بين الكتل. الدورة تدوم حوالي 40 دقيقة.

1. إعداد saccadometer بحيث لكل محاكمة يتم عرض الهدف تثبيت المركزي لالصدارة فترة عشوائية من 1،0-2،0 ثانية، وبعد ذلك يتم انطفأ واحد من الأهداف المحيطية يظهر، بشكل عشوائي إلى اليمين أو اليسار ^9.
   ملاحظة: الأهداف الثلاثة هي بقع من الضوء الأحمر المتوقعة على الشاشة أمام المشاركين (انظر 2.2) بواسطة أشعة الليزر تعمل بالطاقة المنخفضة في صلب saccadometer. والتسليم saccadometerمفاتيح omatically الليزر وخارجها لعرض / إطفاء أهداف في التسلسل اللازم.
2. إرشاد المشاركين إلى أن الاختبار يتكون من خمس كتل مع استراحة دقيقة واحدة بين الكتل.
3. قبل المربع الأول إرشاد المشاركين إلى نقل عيونهم بسرعة وبدقة ممكن لمتابعة النقطة الحمراء القفز من الوسط إلى جانب واحد أو الآخر، ويأمرهم أن تفعل هذا 60 مرات.
4. تعيين saccadometer لتوليد سلسلة من 60 تجربة. اضغط على الزر الموجود في saccadometer لبدء الكتلة الأولى من التجارب (prosaccades).
5. بعد الانتهاء من المربع الأول، وترك فجوة دقيقة واحدة قبل كتلة الثاني. إعادة تعيين saccadometer لتوليد سلسلة من 40 تجربة، وقرب نهاية الفجوة دقيقة واحدة، إرشاد المشاركين لكتلة المقبل لتحريك عيونهم في أسرع وقت ممكن في الاتجاه المعاكس لنقطة حمراء، وشرح أنهم سيفعلون هناك حاجة للقيام بذلك 40 مرة. بدء ثانيةكتلة أندو المحاكمات (antisaccades).
6. بعد الانتهاء من الكتلة الثانية، وترك فجوة مزيد من 1 دقيقة، وتكرار التعليمات في الخطوة 3.5 وبدء كتلة الثالث من التجارب (antisaccades).
7. بعد الانتهاء من كتلة الثالث، وترك فجوة مزيد من 1 دقيقة، وتكرار التعليمات في الخطوة 3.5 وبدء كتلة الرابع من تجارب (antisaccades).
8. بعد الانتهاء من كتلة الرابع، وترك فجوة مزيد من 1 دقيقة، وشرح أن لكتلة النهائي للتجارب يطلب من المشاركين على المضي عيونهم بسرعة وبدقة ممكن لمتابعة النقطة الحمراء القفز من الوسط إلى جانب واحد أو البعض، تماما كما فعلوا في المربع الأول.
9. إعادة تعيين saccadometer لتوليد سلسلة من 60 تجربة، والبدء في كتلة النهائي للتجارب (prosaccades).

الشكل 2. مهام حركة العين. illustrati تخطيطيعلى إظهار مثالين من المهام رمشي. تمثل بقعة زرقاء الصلبة الهدف وتمثل الدائرة الزرقاء المنقطة مجال تثبيت. LEFT يظهر مهمة prosaccadic حيث يتم دفع هذا الموضوع إلى التطلع نحو الهدف. يظهر الحق على antisaccade حيث يطلب هذا الموضوع لننظر بعيدا من التحفيز البصري . وهذا يتطلب تثبيط الاستجابة prosaccade أكثر طبيعية وجيل من حركة العين في الاتجاه المعاكس. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. إعدادات أعماق الدماغ تحفيز

ملاحظة: للمشاركين مع التحفيز والتشجيع الدماغ العميق إجراء التجارب حتى الآن مع نظام التحفيز والتشجيع ويعمل بشكل طبيعي، أي تم الحصول على "على التحفيز" مجموعة البيانات. يحتاج الاختبار الآن لتكرارها مع تحول النظام مشجعا قبالة (للمشاركين السيطرة صحي بدون نظم DBS وسيكون هذا القسم لا تنطبق).

1. تبديل نظام DBS خارج. هل هذا من قبل الكادر الطبي المدربين. سماح 30 دقيقة قبل إجراء الاختبار.
2. كرر الاختبار رمشي (الخطوات 3،2-3،9) للحصول على كامل 'قبالة التحفيز "مجموعة البيانات.
3. تبديل نظام DBS مرة أخرى على (مرة أخرى ينبغي أن يتم ذلك من خلال الكادر الطبي مدربين تدريبا مناسبا).

تحليل 5. البيانات

ملاحظة: للمشاركين مع التحفيز والتشجيع الدماغ العميق إجراء التجارب حتى الآن مع نظام التحفيز والتشجيع ويعمل بشكل طبيعي، أي تم الحصول على "على التحفيز" مجموعة البيانات. يحتاج الاختبار الآن لتكرارها مع تحول النظام مشجعا قبالة (للمشاركين السيطرة صحي بدون نظم DBS سوف يتم تطبيق هذا القسم).

1. تحميل البيانات الخام من saccadometer إلى جهاز كمبيوتر لتحليلها.
2. استخدام برنامج حاسوبي لsaccadometer لاستبعاد saccades distorتيد بواسطة يومض وحركات الرأس، ولحساب المتغيرات بما في ذلك الإختفاء رمشي، سرعات الذروة، وسعة.
   ملاحظة: تتم إزالة السجلات الملوثة حركات الرأس المفرطة أو يومض تلقائيا من قبل البرنامج.
   1. إزالة saccades مع كمون أقل من 80 مللي ثانية أو أكبر من 1000 ميللي ثانية.
      ملاحظة: الكمون رمشي يتم حسابها تلقائيا باستخدام خوارزمية الكشف عن حركة العين على أساس السرعة والتسارع. وحددت بداية لحركة العين كنقطة عندما تتجاوز سرعة العين عتبة 5 درجات / ثانية.

Results

ويبين الشكل 3 مثال على رمشي مسارات حركة العين، من المصاب بمرض باركنسون مع نواة نظام DBS تحت المهاد زرعها. الرسوم البيانية اثنين من مؤامرة prosaccades المريض مع النظام مشجعا مغلقا (الرسم البياني العلوي) وتحولت على (أسفل الرسم البياني). كل أثر على الرسوم البيانية ويبين مسار وحركة العين واحدة، أي كيف يمكن للموقف العين في درجة بعيدا عن خط الوسط (ذ محور) يختلف بوصفها وظيفة من الزمن (المحور س). كلاهما أظهرت saccades اليساري والي...

Discussion

العامل الأكثر أهمية في الحصول على بيانات رمشي نوعية جيدة هو ضمان أن التعليمات أعطيت للمشارك واضحة ودقيقة. على سبيل المثال، إذا كانت تعليمات للقيام بهذه المهمة antisaccadic ليست واضحة تماما، ومن المرجح أن تنفيذ prosaccades بدلا المشارك. قد تكون التسجيلات أيضا مدلل إذا المشارك لا يمكن أن نرى بوضوح المنبهات أو saccadometer لا يمكن قياس بدقة موقف العين. وبالتالي إذا تظهر البيانات أن تكون ذات نوعية منخفضة المجرب يجب التحقق من أن الإضاءة المحيطة ليست مشرقة جدا وأن saccadometer يجلس بشكل...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
جهاز Saccadometer	Ober Consulting Poland
الكمبيوتر مع برنامج بيئة
Windows ، مقياس الكمون لتنزيل البيانات الأولية من مقياس السكادومتر