清醒患者接受脑深部刺激手术期间的术中行为任务

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刺激（DBS）手术的一部分，患者需在手术前一天入院。这为术前训练患者完成行为任务提供了机会。当行为任务在认知上具有挑战性时，这一机会显得尤为宝贵。

手术当天，需为受试者搭建便携式行为测试装置。若受试者在手术前夜已接受训练，则该装置配备与术前完全相同的任务，供受试者在术中执行。在本示例中，要求受试者玩一种类似于“战争”游戏的纸牌游戏。游戏中，受试者需下注20或5，以判断其手中的牌是否高于计算机的牌。

该任务的目的是通过检测奖励和风险在眼动核神经编码中的作用，以减少潜在的组合数量及由此产生的混杂因素。每次试验仅使用同一花色的偶数编号卡片。受试者首先会看到一个屏幕，显示其随机分到的卡片以及计算机未知卡片的背面。

随后，屏幕会根据参与者所持卡片的相对强度显示两个下注选项：5 和 20。参与者通过按键选择下注金额，之后屏幕会显示其卡片以及计算机揭示的卡片。最后一屏明确显示赢得或输掉的金额。

允许受试者玩游戏，直到他们完全理解规则并能够以舒适的水平进行操作。现在让我们来看一下训练后第二天的术中实验设置。一旦受试者被安置在手术台上，将包含行为数据采集和信号处理设备的装置推入手术室。

在放置设备时，必须考虑手术室环境中的常规工作流程以及无菌操作相关问题。由于这些设备的各个组件需要在每次记录前进行组装，并在记录后拆卸，因此检查所有设备连接至关重要。因此，在将每个组件连接到数据采集系统时，应首先检查数据的完整性、采集系统以及信号处理设备的运行状态。

将信号处理设备的输出端连接到数据采集设备的输入端。本研究中采集了三个细胞外动作电位通道，对应于手术过程中插入受试者大脑的三个成对排列的电极。依次打开放大器，以确保采集系统正在接收信号。

使用合适的适配器，将显示器固定在手术室台面上，调整至便于观察的位置。确保受试者的手部处于舒适位置，以便在任务过程中操作输入设备。现在启动行为记录系统，并确认采集设备正在接收行为事件标记。

开始行为学任务，并在此期间允许受试者进行数次任务练习。确保采集系统能够同步记录按钮盒输入信号以及行为装置产生的行为标记，同时完成实验设置并做好准备。接下来，让我们观察如何通过手术分离 STN 神经元。

手术的目的是将慢性深部脑刺激（DBS）电极植入丘脑底核（STN）的运动区域。在麻省总医院，通过立体定向成像与神经生理记录相结合的方式实现精确定位。首先安装Cosman Roberts Wells立体定向框架及标记笼，然后进行头部CT扫描。

在神经导航系统上，将带有标记物的CT图像与先前获取的全脑容积MRI图像进行融合。在手术室内，将患者舒适地置于半卧位，采用标准外科技术进行术前准备和铺巾。将左侧丘脑底核（STN）的坐标输入定位框架中，并将该框架置于患者头部。

外科医生切开并牵拉皮肤。钻出骨孔，并制造一个小的硬脑膜开口。将连接至微型驱动装置的套管就位，并推进至套管尖端位于目标位置上方25毫米处。

将套管插入脑内后，移除内部的针芯，并换上高阻抗的微电极。将信号处理设备和前置放大器连接至每个电极，差分参考通道连接至外层套管。在信号处理设备上打开放大器，检测细胞外信号或电信号。

此外，在将电极进一步推进入脑部之前，需检查每个电极的阻抗。在所有项目均检查无误后，外科医生以 0.05 至 0.4 毫米的步进距离缓慢推进电极进入脑部。电极从计算目标位置起始，距目标 25 毫米处开始推进，方向指向 S St N。该路径使电极依次穿过尾状核八核、丘脑、束状带，最终进入 SDN。

当电极进入丘脑腹外侧核（SDN）后，生理学家通过操纵患者对侧肢体，以判断神经信号是否具有运动反应性。当外科医生和实验者对电极位置满意后，即可开始行为任务。在启动行为任务之前，必须记录微电极的植入深度以及所分离神经元的运动反应性。

接下来，指导受试者任务即将开始。确保按钮盒仍处于舒适的位置，且显示器完全可见。启动数据采集，并在开始行为任务之前至少采集一分钟的基线活动数据。

在受试者执行任务时，必须监控采集到的数据。一旦采集过程中出现任何中断，应立即停止任务并排除问题。每个深度的任务可重复多次。

然而，在丘脑底核（STN）中，实验性记录仅限于30分钟，以防止患者不适并避免手术时间过度延长。我们开始吧。请您戴上灯泡，然后为我张开和闭合您的手吗？

很好。我们将你的右脚转一圈。跟着我说：我爱木薯布丁。

我乘坐火车前往堪萨斯州托皮卡。此处展示的是在战争游戏期间记录的一个单个丘脑底核（STN）神经元的代表性结果。RA图以任务中四个行为相关时期为中心，分别为每次试验呈现受试者卡片前的注视期、受试者按下按钮表示下注的时刻，以及计算机卡片呈现的时刻，此处显示的是按每个刺激时间绘制的直方图。

该神经元在受试者卡片呈现时反应不强烈，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被揭示，随后放电降至基线水平。该技术用于测量大脑中单个神经元的反应。

该技术还可与其他测量神经活动的方法结合使用，这些方法可测量群体反应，例如功能性磁共振成像或脑磁图。一旦掌握，该技术可在25分钟内在手术室中完成设置并实施。在手术室中进行人体操作存在诸多限制，包括无菌操作时间，以及最重要的患者安全与福祉。

因此，在研究的各个阶段都应牢记这些要点。