本实验方案旨在通过同步记录局部场电位和非侵入性脑皮层活动（EEG），评估基底神经节的认知-情绪功能。本方案以包含具有情绪色彩言语刺激的实验范式或涉及认知控制的Flanker任务为例进行说明。
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摘要
摘要
尽管非侵入性脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）和功能性磁共振成像（fMRI）在提取人类大脑机制的关键信息方面已取得成功，但这些方法仍不足以提供反映皮层下水平认知与情绪功能的生理过程信息。在此背景下，现代人类临床侵入性技术（如深部脑刺激（DBS））为记录皮层下脑活动——即来自基底神经节或丘脑局部区域的神经元集合协同活动所形成的局部场电位（LFPs）——提供了巨大可能性。尽管人类的侵入性方法仅在具有明确医学指征时才得以应用，因而所记录的数据对应于已改变的脑回路，但这些数据仍可为理解完整脑功能的存在、脑振荡活动以及在实验性认知范式下疾病病理生理机制提供宝贵见解。目前，越来越多针对帕金森病（PD）患者的DBS研究不仅关注运动功能，还涉及情绪、决策、注意力、记忆和感觉知觉等高级认知过程。近期的临床试验也强调了DBS作为治疗从强迫症（OCD）到慢性意识障碍（DOC）等多种神经精神疾病替代疗法的重要作用。因此，本研究聚焦于结合侵入性（LFP）与非侵入性（EEG）人脑记录技术，通过实验范式（e.g. 具有情绪色彩的言语刺激或Flanker任务等认知控制范式），评估接受DBS治疗患者中皮层-皮层下结构在认知与情绪加工中的作用。
引言
人类侵入性神经生理记录可追溯到早期针对癫痫手术和肿瘤研究期间从大脑皮层区域及小脑获取脑皮层电图记录的开创性研究1。此类记录技术进一步发展的关键里程碑是立体定向技术的引入，该技术可安全高效地进入人脑深部结构2。除临床治疗外，人类脑部侵入性方法为研究大脑功能与外部刺激调节下的记录活动模式之间的关系提供了极为独特的机会，特别是在接受深部脑刺激（DBS）手术的患者中进行的术中和术后侵入性记录。DBS 的适用性和有效性已在多种神经疾病和神经精神疾病中得到探讨，包括从帕金森病（PD）到强迫症（OCD），以及慢性意识障碍（DOC）等病症。
特别是，脑深部电刺激（DBS）已应用于帕金森病3,4,5、原发性震颤6、原发性/全身性节段性肌张力障碍7,8,9、亨廷顿病10,11、难治性抑郁症12,13、尼古丁和酒精成瘾14、阿尔茨海默病15,16、抽动秽语综合征17以及慢性意识障碍（DOC）18,19,20的治疗。
在神经精神病学领域，脑深部电刺激（DBS）已被批准/获得CE认证，用于治疗以终末内囊前肢（ALIC）为靶点的强迫症（OCD），同时也正在研究以腹侧内囊/腹侧纹状体/腹侧尾状核（VC/VS）、伏....
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方案
该DBS手术及侵入性记录已获得德国杜塞尔多夫大学医院伦理委员会的批准。
1. 实验范式设计与患者的知情同意
注意：设计一个实验范式，或选择一个现有的实验范式，以针对感兴趣的认知/情绪方面。
- 选择将接受脑深部电刺激（DBS）治疗的患者。确认该DBS患者是否符合研究的纳入标准。如符合，请获取患者本人和/或伦理委员会（如适用）签署的知情同意书，以进行术后记录及相应认知范式的应用。
注意：术后记录在初次DBS手术后的次日进行，该手术用于植入DBS电极（并通过特殊导线将电极引出至头皮外），且在进行第二次手术永久植入DBS电极和刺激器之前完成。- 在Flanker任务（示例1）中，需获得患有运动障碍疾病（例如亨廷顿病或帕金森病）的患者的书面知情同意，以开展术后记录。Flanker实验的目标是评估患者对错误行为的适应能力，并确定此类适应在皮层和皮层下水平的脑振荡活动中的反映方式。
注意：患者的选择取决于所要研究的认知机制及其具体疾病类型。在DBS-DOC案例示例（示例2）中，选择了一位38岁时因头部外伤导致意识障碍（DOC）的女性患者。由于该患者病情限制了其提供知情同意的能力，DBS治疗及实验参与仅由当地伦理委员会批准。DOC术后记录的主要目标是确定在如此严重的意识障碍患者中，与认知-情绪处理相关的大脑功能是否仍然保持完整。
- 在Flanker任务（示例1）中，需获得患有运动障碍疾病（例如亨廷顿病或帕金森病）的患者的书面知情同意，以开展术后记录。Flanker实验的目标是评估患者对错误行为的适应能力，并确定此类适应在皮层和皮层下水平的脑振荡活动中的反映方式。
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结果
对于DBS-DOC病例（示例2），我们现在提供有关DBS植入靶点定位的数据、LFP电极和EEG装置的示意图、EEG和LFP活动的示例记录（原始数据）以及代表性分析结果：
图2A显示了计划的穿刺路径（黑线）投影在解剖图谱36第30冠状切面上，位于前连合（AC）后方10.7 mm处（红线：AC-PC平面）。红色圆圈标记了目标区域的最下部15 mm范围（图谱网格大小：10 mm），其中iml表示丘脑内髓板，Rt表示丘脑网状核。VA = 丘脑腹前核，AV = 丘脑前腹核，AM = 丘脑前内侧核，Fa = 束状核，IthA = 丘脑间粘合。
图2B 显示了在三维图谱上可视化显示的中央丘脑最终电极位置37。在将三维图谱与CT扫描通过图.......
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讨论
与头皮脑电图（scalp-EEG）和脑磁图（MEG）等非侵入性脑记录技术相比，所提出的侵入性与非侵入性神经生理记录相结合的框架为提取与认知-情绪任务相关的皮层及皮层下区域信息提供了显著机会。此类信息通过与脑功能相关的多个频段和不同组织层次上的脑振荡活动得以体现44。在本记录框架中相关的脑振荡模式包括：皮层下振荡活动（局部场电位，LFPs）、特定频段上皮层与皮层下区域活动之间线性相关性变化所反映的皮层-皮层下相干性变化、皮层下相位-幅度耦合（PAC）以及相位-相位耦合（PPC）。尤其值得注意的是，PAC和PPC的重要性在于，不同频段振荡之间的关系与相互作用已被证明有助于理解脑功能。在PAC中，低频振荡的相位与高频振荡的功率相关，从而导致快速节律的幅度包络与慢速节律的相位同步。PPC则表示高频振荡的n个周期与低频振荡的m个周期之间存在的与幅度无关的相位锁定45。以DBS-DOC案例为例（示例2），针对熟悉称呼语音条件下的皮层/皮层下记录数据分析显示，中央丘脑内β和θ频段的振荡活动出现调制，同时θ频段丘脑-皮层相干性增强。此外，丘脑局部还表现出明显的θ相位-γ幅度.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本研究得到了德国ERA-NET NEURON/BMBF（TYMON）的资助。出版费用由杜塞尔多夫大学医院的资助项目承担。 本研究所用的Flanker任务是在Prof. C. Beste及其团队最初编写的版本基础上修改而成47。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| BrainAmp 放大器 | Brain Products GmbH，德国吉尔兴 | 数量：2 | |
| BrainVision Recorder 软件 | Brain Products GmbH，Gilching，德国 | 1 个许可证 | |
| BrainVision Analyzer 软件 | Brain Products GmbH，德国吉尔兴 | 1 个许可证 | |
| 光纤电缆和USB连接器 | Brain Products GmbH，Gilching，德国 | 这些随附上述所列设备 | |
| 电极输入框（64通道） | Brain Products GmbH，Gilching，德国 | 数量：1 | |
| 脑电图凝胶 | Natus 公司 | 数量：1 | |
| 异丙醇 | Schülke & Mayr GmbH，德国 | 数量：1 | |
| 皮肤准备凝胶 | Weaver and Co，美国 | 数量：1 | |
| MATLAB | Math-Works，美国马萨诸塞州纳蒂克 | 1 个许可证 | |
| FieldTrip 工具箱 | http://www.fieldtriptoolbox.org/ | 开源 | |
| 宏电极（型号 3387 四极 DBS 电极） | 美敦力公司，明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国 | 数量：2 | |
| 无菌经皮延长导丝（型号 3550-05） | 美敦力公司，美国明尼苏达州明尼阿波利斯 | 数量：2 | |
| 扭锁电缆（型号 3550-03） | 美敦力公司，美国明尼苏达州明尼阿波利斯 | 数量：2 | |
| 定制连接器转DIN 428029防触电连接器 | 数量：2 | ||
| Vercise 电极套件 DB -2201 | 波士顿科学公司 | 数量：2 | |
| 接触延伸套件 NM-3138 | 波士顿科学公司 | 数量：2 | |
| O.R. cabel & 延伸模块 SC-4100 A | 波士顿科学公司 | 数量：2 | |
| 连接器 防触碰 | Twente Medical Systems International B.V. | 数量：2 | |
| CT 扫描仪型号 PQ2000（术后 CT 扫描） | 飞利浦医疗保健有限公司汉堡分公司 | 数量：1 | |
| 演示软件（Flanker任务） | Neurobehavioral Systems 公司 | 1 个许可证 | |
| MEG 系统 | Elekta Neuromag 公司 | 或者 | |
| 高密度脑电图传感器网（128 或 256 通道） | 美国 Electrical Geodesics Inc (EGI) | 或者 |
参考文献
- Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
- Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 34....
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