清醒患者接受脑深部刺激手术期间的术中行为任务

摘要

深部脑刺激手术为研究清醒人脑中的信息编码提供了独特的机会。本文将描述术中用于执行认知和行为任务的同时，采集生理数据（如肌电图、单个神经元活动和/或局部场电位）的方法。

摘要

脑深部电刺激（DBS）是一种外科手术，通过植入电极向大脑特定靶点持续输送高频电刺激。20世纪80年代末，Benabid 等首次将该技术作为治疗手段应用于临床，当时他采用此方法刺激丘脑腹中间核以治疗震颤¹。目前，该手术主要用于治疗对药物治疗反应不足的帕金森病、肌张力障碍和原发性震颤等疾病患者。已有大样本、随机对照试验证实了该技术在治疗帕金森病方面的有效性²。目前，美国食品药品监督管理局（FDA）已批准DBS用于治疗药物难治性原发性震颤、帕金森病和肌张力障碍。此外，DBS 正在被评估用于治疗其他精神和神经系统疾病，如强迫症、重度抑郁症和癫痫。

脑深部电刺激（DBS）不仅被证实能够改善患者的生活质量，还为研究人员提供了研究和理解人脑的独特机会。在DBS手术过程中，通常会进行微电极记录，以提高解剖定位的精确性。因此，可以在受试者执行行为任务的同时记录单个神经元的放电模式。早期利用这些数据的研究主要关注放电率、簇状放电率和频率调制等描述性特征³。近年来的研究则更多聚焦于行为认知方面与神经元活动之间的关系^4,5。本文将描述在DBS手术期间对清醒患者实施行为任务并记录神经元数据的术中方法。我们对获取电生理数据过程的阐述，将有助于阐明当前术中人体实验的范围与局限性。

方案

1. 受试者招募与知情同意

1. 在对难治性帕金森病患者进行临床评估并获得接受丘脑底核（STN）脑深部电刺激（DBS）治疗的知情同意后，需进一步审查每位患者的信息，以确定其是否符合术中研究的入选标准（该标准依据马萨诸塞州总医院机构审查委员会批准的研究方案制定）。
2. 若确定受试者符合研究入选标准，由研究团队中的一名医师（非手术操作者）向患者说明参与本研究的可能性。
3. 随后，向受试者逐条解释并详细说明参与研究的知情同意书。需特别强调，参与本研究完全出于自愿，受试者可在任何阶段选择退出研究；同时明确告知，无论是否参与或中途退出研究，均不会影响其接受的常规医疗照护。
4. 若确认受试者充分理解研究内容并同意参与，则签署经批准的知情同意书，并正式纳入本研究。

2. 行为学训练与实验装置设置

1. 作为帕金森病深部脑刺激（DBS）手术的一部分，受试者需在手术前一天入院。因此，这为在行为任务上对受试者进行训练提供了机会。该训练至关重要，因为它提供了一段学习时间，使受试者能够掌握任务操作并熟悉其规则，从而消除“学习效应”带来的混杂因素（参见讨论部分）。
2. 在手术前一晚，便携式行为实验装置被带至受试者的病房。
3. 该装置配备有与术中研究当天受试者所需执行完全相同的行为任务。
   1. 在此示例中，要求受试者玩一种类似于“比大小”（war）的纸牌游戏。游戏中，受试者需决定下注金额（20美元或5美元），以猜测自己的牌面是否高于计算机的牌面。该任务旨在检测奖赏与风险对丘脑底核（STN）神经元编码的作用。为了激励受试者，会告知他们将获得其赢取金额的一定比例作为报酬。
   2. 为减少可能的组合数量（及由此产生的混杂因素），仅使用同一花色中的偶数牌（例如黑桃2、4、6、8和10）。因此，该任务的潜在结果和预期值可被轻松计算和分析。
   3. 在每一次试验中，受试者首先看到一个屏幕，显示其随机分配到的牌以及计算机未知牌的背面。随后屏幕显示两个下注选项：5美元和20美元。受试者根据其手中牌的相对强弱，通过按键选择下注金额；之后屏幕会同时展示其牌面和计算机翻开的牌面。最后一个屏幕明确显示其赢得或输掉的金额。
4. 允许受试者持续进行游戏，直至其完全理解游戏规则，并能在舒适水平上稳定执行任务。

3. 术中 - 实验设置

1. 受试者被安置在手术台上后，将包含行为学、数据采集和信号处理设备的装置移入手术室。装置的定位必须考虑手术室环境下的正常工作流程以及无菌操作相关问题。
2. 由于这些装置的各个组件在每次记录会话中都需要组装和拆卸，因此检查所有设备连接至关重要。因此，每当一个组件连接到数据采集系统时，都必须检查数据的完整性。这些步骤应在手术早期完成，以避免在关键的记录阶段出现故障需要排查。
   1. 首先启动数据采集和信号处理设备。将信号处理装置的输出端连接至数据采集装置的输入端。在本研究中，我们将采集三个细胞外动作电位通道，对应于三个在手术期间插入受试者脑内的旁矢状面方向电极。逐个打开放大器，以确保数据采集系统正在接收信号。
   2. 使用合适的适配器将显示器固定在手术台上，调整至便于观察的位置。
   3. 如果使用输入设备（如操纵杆、按钮盒、键盘等），应根据记录脑区的侧别合理放置该设备，并确保受试者的手能舒适地操作输入设备。可考虑请麻醉医师将脉搏血氧监测仪固定于另一只手，以确保设备正常运行。本任务中我们使用按钮盒。
   4. 启动行为学系统，并确保行为事件标记正被数据采集装置捕获。
   5. 开始行为任务，让受试者完成若干次试验。在此期间，确认数据采集系统正在正确记录按钮盒输入信号以及行为装置生成的行为标记。
   6. 如果所有连接均正常工作，则停止行为任务和数据采集装置。

4. 丘脑底核神经元的分离

1. 手术的目标是将慢性深部脑刺激（DBS）电极植入丘脑底核（STN）的运动区域。该定位通过立体定向成像与神经生理记录相结合的方式实现。
2. 立体定向规划及手术操作的具体细节在不同医疗机构之间可能有所差异，但总体流程相似。在本机构，我们使用Cosman-Roberts-Wells立体定向头架及标记笼，并获取头部CT扫描图像。将带有标记的CT图像与先前获得的全脑容积MRI图像在神经导航系统（StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN；或BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Germany）上进行融合。目标脑区（本例中为STN）的坐标被转换为基于头架的坐标。在手术室中，患者取半卧位舒适安置，并采用标准外科技术进行皮肤准备和铺巾。将左侧STN的坐标输入头架，头架固定于患者头部。切开并牵开皮肤，钻取颅骨孔，制造小的硬脑膜开口。将连接微驱动装置的套管置于预定位置，并推进至套管尖端距离目标上方25 mm处。
3. 当套管进入脑组织后，移除内部针芯，并插入高阻抗（0.3 - 1 兆欧姆）微电极（FHC, Bowdoin, ME）。将信号处理系统的前置放大器连接至各电极，差分参考通道连接至外部套管。
4. 在信号处理系统上开启放大器，评估细胞外信号。此外，在进一步推进电极前，需检测每个电极的阻抗。
5. 外科医生以缓慢速度（0.05–0.4 mm步进）将电极推进入脑组织。电极从距离计算目标25 mm处开始推进，朝向STN方向。该路径使电极依次穿过尾状核、丘脑、束间带，最终进入STN。
6. 当电极进入STN后，生理学家通过操作患者的对侧肢体，以判断神经元信号是否具有运动反应性。当外科医生与实验人员对电极位置满意后，即可开始行为学任务。

5. 数据采集

1. 在开始行为学任务之前，必须记录微电极的植入深度以及分离出的单个或多个神经元的运动反应性。
2. 随后向受试者说明任务即将开始。确保按钮盒仍处于舒适位置，且显示器完全可见。
3. 启动数据采集系统，并在开始行为学任务前至少采集1分钟的基线活动数据。
4. 在受试者执行任务过程中，必须持续监控所采集的数据。一旦出现采集中断，应立即停止任务并排除故障。
5. 在本研究中，要求受试者在每个STN深度下完成120次试验。
6. 每个STN深度可重复进行多次任务；然而，术中研究的持续时间存在一定的限制（详见讨论部分）。我们将实验记录时间限制在30分钟以内，以避免患者不适并防止手术时间过度延长。此外，受试者可在任何时间拒绝继续记录，此时行为学任务将立即停止，手术继续进行。
7. 研究完成后，数据将被备份并归档，以供后续分析。

6. 数据分析

1. 首先，使用 commercially available software 将神经信号分辨为单个峰电位的时间戳。
2. 然后解析行为任务代码，并使用 Matlab 编写的代码对神经活动时间戳进行对齐。

代表性结果：

图1展示了在上述“战争”游戏任务中记录的一个单个丘脑底核（STN）神经元的代表性结果。上方图显示了以任务中四个行为相关时期为中心的神经放电序列图：每次试验前的注视期、受试者卡片呈现期、受试者按下按钮表示下注的时刻，以及计算机卡片呈现期。下方图表示分段（50毫秒为一段）的刺激前-后时间直方图（PSTH）。该神经元对受试者卡片的呈现无明显反应，但在按钮按下前后其放电频率显著增加。这种活动持续至计算机卡片显示后，此时放电频率下降至基线水平。

图1. 典型的丘脑底核（STN）神经元。 图示为一个典型的单个STN神经元在行为相关时段周围的神经放电事件图（上图）和刺激前-后时间直方图（PSTH）。该神经元的放电活动在受试者按下按钮表示下注决策的时间点附近显著增加。

讨论

脑深部电刺激手术为研究人脑中单个神经元的活动提供了宝贵的机会。迄今为止，这一机会已促成了大量描述性研究，用以表征不同深部核团的活动特征。近年来，术中任务设计日趋复杂，以探究行为与认知的多个方面。本方案旨在为成功实施术中行为任务提供指导。任务的目标和研究目的将根据手术所针对的特定核团而有所不同。鉴于脑深部电刺激手术的应用日益增多，相应的靶点种类也不断扩展，我们预期在单个神经元水平上研究人脑功能的机会将迅速增加。

在实施术中研究时，需要考虑多个因素和关键步骤。首先，此类研究存在显著的时间限制，导致每位受试者能够收集的行为试验数量有限。因此，在设计任务时，应审慎减少任务中的条件数量，以确保有足够的统计效能来观察到效应。有多种方法可以克服这一限制：可以尝试减少试验条件的组合数量、简化试验序列的复杂性，和/或直接收集更多数据。此类研究的第二个重大限制是神经生理数据的质量。由于单个神经元的分离是在手术室环境中而非实验室中进行，因此很难获得稳定且高信噪比的记录。如果在行为实验早期神经信号质量即下降，建议停止当前任务并重新分离新的神经元。最后一个关键步骤是给予患者充足的时间以充分掌握行为任务。若...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
行为学实验装置
带双视频输出的计算机	Dell	Optiplex 745
数字采集板卡	National Instruments	PCI-6229
连接器板卡	National Instruments	BNC-2090a
软件	Mathworks	Matlab 2007b***
行为学实验软件	Eskandar 实验室	www.Monkeylogic.net
信号采集装置
计算机	Dell	Optiplex 745
数字采集板卡	Cambridge Electronic Design	Power 1401
软件	Cambridge Electronic Design	Spike2
信号处理系统	Alpha-Omega Engineering*	Micro-Guide Pro
数据分析
神经信号后处理	Plexon	Offline Sorter
软件	Mathworks	Matlab 2007b
按钮盒	参见’按钮组装’
*表示该项目可用性能相当的设备或软件替代； ** 表示可使用 National Instruments 的替代组件（兼容性信息请参见 www.Monkeylogic.net）； *** 特定所需的 Matlab 工具箱请参见 www.Monkeylogic.net。