Name: 在接受深部脑刺激手术术中唤醒人类行为任务 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-01-06T16:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 4 s
Description: 了解深部脑刺激手术中利用微电极记录清醒人脑神经元信号的方法。本研究通过风险奖励卡牌任务，分析丘脑底核在决策过程中的神经编码机制，为认知神经科学提供重要见解。

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1. 受试者招募与知情同意
<ol>
<li>在对患者进行临床评估并同意接受丘脑底核（STN）深部脑刺激（DBS）治疗难治性帕金森病后，需复查每位患者的信息，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经机构审查委员会批准的研究方案制定）。</li>
<li>若确定患者符合研究入选标准，研究团队中的一名医师（非手术操作者）将与患者沟通，讨论其参与本研究的可能性。</li>
<li>随后向患者详细解释并逐条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，患者可在任何阶段选择退出研究。此外，还需明确告知患者，其是否参与或退出研究均不会影响其所接受的医疗照护。</li>
<li>若确认患者已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。</li>
</ol>
2. 行为学训练与实验装置设置
<ol>
<li>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）。</li>
<li>在手术前一晚，便携式行为实验装置将被带至受试者的病房。</li>
<li>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。
<ol>
<li>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，受试者需下注（$20 或 $5），判断自己的牌是否高于计算机的牌。该任务旨在检测奖励与风险对丘脑底核（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。</li>
<li>为减少可能的组合数量（及由此产生的混杂因素），仅使用单一花色的偶数牌（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。</li>
<li>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 和 $20。受试者根据其手中牌的相对强弱，通过按键选择下注金额；之后屏幕会显示其牌面和计算机翻开的牌面。最后一个屏幕明确显示赢取或损失的金额。</li>
</ol></li>
<li>允许受试者持续进行游戏，直至其完全理解游戏规则，并能以舒适的状态完成任务。</li>
</ol>
3. 术中 - 实验设置
<ol>
<li>将受试者安置于手术台后，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。装置的摆放位置必须兼顾手术室环境下的正常工作流程以及无菌操作要求。</li>
<li>由于这些装置的各个组件需在每次记录会话前组装并在会话后拆卸，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进行故障排查。
<ol>
<li>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，对应于三个在手术过程中将被推进受试者脑内的旁矢状面方向电极。逐个开启放大器，以确保数据采集系统能够正常接收信号。</li>
<li>使用合适的适配器将显示器固定在手术台上，确保其处于便于观察的位置。</li>
<li>若使用输入设备（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，并确保受试者的手部能舒适地操作该设备。可考虑请麻醉医师将脉搏血氧监测仪固定于另一只手，以确保输入设备的正常操作。本任务中我们使用按钮盒。</li>
<li>启动行为学系统，并确保行为事件标记能够被数据采集装置正确捕获。</li>
<li>开始行为任务，让受试者完成若干次试验。在此期间，确认数据采集系统能够正确捕获按钮盒的输入信号以及行为学装置生成的行为标记。</li>
<li>若所有连接均正常工作，则停止行为任务和数据采集装置。</li>
</ol></li>
</ol>
4.	丘脑底核神经元的分离
<ol>
<li>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电生理记录相结合的方式实现。</li>
<li>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，我们应用Cosman-Roberts-Wells立体定向头架及标记笼，并进行头部CT扫描。将带有标记的CT图像与先前获取的容积脑部MRI图像在神经导航系统（StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN；或BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Germany）上融合。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。将连接至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。</li>
<li>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。</li>
<li>在信号处理系统上开启放大器，评估细胞外信号。此外，在进一步推进电极进入脑组织之前，需检测每个电极的阻抗。</li>
<li>外科医生以缓慢速度（0.05–0.4 mm步进）将电极推进入脑。电极从距离计算目标25 mm处开始，向STN方向推进。该路径使电极依次穿过尾状核、丘脑、束间带，最终进入STN。</li>
<li>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，即可开始行为任务测试。</li>
</ol>
5. 数据采集
<ol>
<li>在开始行为任务之前，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。</li>
<li>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。</li>
<li>启动数据采集系统，并在开始行为任务前至少采集1分钟的基线活动数据。</li>
<li>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。</li>
<li>在本研究中，要求受试者在每个STN深度下完成120次试验。</li>
<li>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，此时行为任务将立即停止，手术继续进行。</li>
<li>研究完成后，数据将被备份并归档，以供后续分析。</li>
</ol>
6. 数据分析
<ol>
<li>首先，使用商用软件将神经信号分辨为单个峰电位的时间戳。</li>
<li>然后解析行为任务编码，并使用Matlab编写的代码对神经活动时间戳进行对齐。</li>
</ol>
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脉冲序列图：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期，以及计算机卡片呈现期。下方图表示分段（50毫秒为一段）的刺激周围时间直方图（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活动显著增强。这种活动持续至计算机卡片显示后，此时放电率下降至基线水平。
 <img src="/files/ftp_upload/2156/2156fig1.jpg" alt="决策任务中基于试验事件的神经激活点阵图和直方图。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 1"> 
图 1. 代表性的 STN 神经元。 上图显示了一个典型单个 STN 神经元在行为相关时间段周围的点阵图（上图）和刺激前后的时程直方图（PSTH）。该神经元的放电活动在受试者按下按钮表示下注决定前后显著增加。

<ol><li>Benabid, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+%28thalamotomy+and+stimulation%29+stereotactic+surgery+of+the+VIM+thalamic+nucleus+for+bilateral+Parkinson+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Combined (thalamotomy and stimulation) stereotactic surgery of the VIM thalamic nucleus for bilateral Parkinson disease.</a> Appl. Neurophysiol. 50 (1-6), 344-344 (1987).</li>
<li>Deuschl, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+randomized+trial+of+deep-brain+stimulation+for+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22N.+Engl.+J.+Med%22%5BJournal%5D)">A randomized trial of deep-brain stimulation for Parkinson's disease.</a> N. Engl. J. Med. 355 (9), 896-896 (2006).</li>
<li>Gale, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+symphony+to+cacophony%3A+Pathophysiology+of+the+human+basal+ganglia+in+Parkinson+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosci.+Biobehav.+Rev%22%5BJournal%5D)">From symphony to cacophony: Pathophysiology of the human basal ganglia in Parkinson disease.</a> Neurosci. Biobehav. Rev. , (2007).</li>
<li>Williams, Z. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+anterior+cingulate+neurons+and+the+integration+of+monetary+reward+with+motor+responses%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Human anterior cingulate neurons and the integration of monetary reward with motor responses.</a> Nat. Neurosci. 7 (12), 1370-1370 (2004).</li>
<li>Zaghloul, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+substantia+nigra+neurons+encode+unexpected+financial+rewards%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Human substantia nigra neurons encode unexpected financial rewards.</a> Science. 323 (5920), 1496-1496 (2009).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

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...

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;行为学实验装置&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>带双视频输出的计算机</td><td>Dell</td><td>Optiplex 745</td><td></td></tr><tr><td>数字采集板卡</td><td>National Instruments</td><td>PCI-6229</td><td></td></tr><tr><td>连接器板卡</td><td>National Instruments</td><td>BNC-2090a</td><td></td></tr><tr><td>软件</td><td>Mathworks</td><td>Matlab 2007b***</td><td></td></tr><tr><td>行为学实验软件</td><td>Eskandar 实验室</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.Monkeylogic.net">www.Monkeylogic.net&lt;/a&gt;</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;信号采集装置&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>计算机</td><td>Dell</td><td>Optiplex 745</td><td></td></tr><tr><td>数字采集板卡</td><td>Cambridge Electronic Design</td><td>Power 1401</td><td></td></tr><tr><td>软件</td><td>Cambridge Electronic Design</td><td>Spike2</td><td></td></tr><tr><td>信号处理系统</td><td>Alpha-Omega Engineering*</td><td>Micro-Guide Pro</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;数据分析&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>神经信号后处理</td><td>Plexon</td><td>Offline Sorter</td><td></td></tr><tr><td>软件</td><td>Mathworks</td><td>Matlab 2007b</td><td></td></tr><tr><td>按钮盒</td><td>参见&amp;rsquo;按钮组装&amp;rsquo;</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;p class=&quot;jove_content">*表示该项目可用性能相当的设备或软件替代；&lt;br/&gt;** 表示可使用 National Instruments 的替代组件（兼容性信息请参见 &lt;a href=&quot;http://www.Monkeylogic.net">www.Monkeylogic.net&lt;/a&gt;）；&lt;br/&gt;*** 特定所需的 Matlab 工具箱请参见 &lt;a href=&quot;http://www.Monkeylogic.net">www.Monkeylogic.net&lt;/a&gt;。&lt;/p&gt;</td></tr></tbody></table>

清醒患者接受脑深部刺激手术期间的术中行为任务

Intra-Operative Behavioral Tasks in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Surgery

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。

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。

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……

脑深部刺激手术为研究清醒人脑中的信息处理与编码机制提供了机会，可通过在执行行为任务的受试者身上进行微电极记录来实现。在此示例中，首先训练受试者玩一种涉及风险与奖赏的简单计算机纸牌游戏。随后，对受试者进行脑深部刺激手术的准备工作，并将微电极插入大脑的目标区域。在此情况下，当受试者重复进行纸牌游戏时，记录其丘脑底核（STN）神经元信号。所收集的数据展示了风险与奖赏在STN神经编码中的作用。尽管实验的目标可能因手术所针对的核团不同而有所差异。最初，丘脑腹中间核（DVS）主要被用于治疗诸如原发性震颤、帕金森病和肌张力障碍等运动障碍疾病。近年来，该靶点正被用于抑郁症和强迫症治疗研究。因此，该任务包含运动和与奖赏相关的两个成分，我们在大脑的运动系统与边缘系统交界处的丘脑底核中记录了这些成分。该患者是一位62岁的女性，非常友善。她患帕金森病已有大约10年。她具有帕金森病的典型特征，包括震颤、肌肉僵硬和运动迟缓。起初她对药物治疗反应良好，这是一个积极的信号，因为这表明她确实患有真正的帕金森病。但在许多情况下，随着时间的推移，药物会逐渐变得不那么有效。基本上，患者的病情会变得不稳定，一旦停药，帕金森病的症状就会变得非常严重。她会出现明显的震颤、肌肉僵直和运动迟缓。当她服用药物后，会出现另一种类型的运动障碍，称为运动障碍症（dyskinesia），表现为过度活动，此时再也无法达到理想的平衡状态。因此，手术干预在此时非常有用，因为它能有效消除显著的“开-关”波动，使患者保持稳定的状态，基本达到仅靠药物所能获得的最佳状态。因此，这就是手术的目标。手术本身可针对大脑中两个潜在可用的部分，其中一个称为丘脑底核。这就是我们今天所做的。其中一个被称为苍白球内侧部。两者的效果大致相当。我们通过多种方法来定位这些靶点。我们采用CT和MRI进行立体定向定位，并通过微电极记录技术进行生理学定位。这些步骤非常重要，因为它们能够以很高的空间分辨率告诉我们核团的边界，包括上下边界，不仅如此，还能确保我们位于核团的运动区域。最后，当我们植入永久性电极时，会再次通过电极进行刺激，以确认位置正确。因此，为了治疗患者，这些步骤都是我们必须完成的。我们本来就要进行微电极记录，因此这恰好为我们提供了一个电极已就位的观察窗口。这是难得的机会，能够研究人类大脑中的神经元活动，而这种情况在其他情况下是无法实现的。既然我们无论如何都要进行记录，电极也已经放置到位，那么我们就会额外花20到30分钟，开展一些我们感兴趣的实验。这些实验通常涉及运动控制、决策、学习或动机等方面。几乎所有的实验都包含一个视频屏幕和一些简单的任务，受试者需要完成诸如移动操纵杆或按按钮之类的操作。在DBS手术期间 routinely 进行微电极记录，这为研究人员提供了独特的机会，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。作为帕金森病深部脑

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Research

科研

JoVE Journal

Medicine

医学

在接受深部脑刺激手术术中唤醒人类行为任务

来源：Selvakumar, T., et al., 丘脑前核深部脑刺激后大鼠海马基因表达变化的分析。 J. Vis. Exp.

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