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Alle Eingriffe mit menschlichen Teilnehmern wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.
>1. Experimentelles Paradigmendesign und Patienteneinwilligung
HINWEIS: Entwerfen Sie ein experimentelles Paradigma oder wählen Sie ein vorhandenes experimentelles Paradigma aus, um einen kognitiven/emotionalen Aspekt von Interesse zu erreichen.
- Wählen Sie Patienten aus, die sich einer THS-Behandlung unterziehen sollen. Fragen Sie, ob der Patient die Einschlusskriterien der Studie erfüllt. Wenn ja, holen Sie eine unterschriebene Einverständniserklärung des Patienten und/oder der Ethikkommission (falls zutreffend) ein, um eine postoperative Aufzeichnung und Anwendung des jeweiligen kognitiven Paradigmas durchzuführen.
Anmerkung: Die postoperative Aufzeichnung erfolgt am nächsten Tag nach der ersten THS-Operation für die Implantation der THS-Elektroden (zusammen mit der entsprechenden Externalisierung aus dem Kopf mittels spezieller Kabel) und vor der zweiten Operation zur dauerhaften Implantation von DBS-Elektroden und Stimulatoren.
- Holen Sie in der Flanker-Aufgabe (Beispiel 1) die unterschriebene Einverständniserklärung eines Patienten mit einer Bewegungsstörung (z. B. Huntington- oder Parkinson-Krankheit) ein, um eine postoperative Aufzeichnung durchzuführen. Ziel des Flanker-Experiments ist es, die Anpassungsfähigkeit des Patienten an Fehlerverhalten zu testen und zu bestimmen, wie sich diese Anpassung in der oszillatorischen Aktivität des Gehirns auf kortikaler und subkortikaler Ebene widerspiegelt.
HINWEIS: Die Wahl eines Patienten wird durch den kognitiven Mechanismus, der angesprochen werden soll, und die Störung des Patienten bestimmt. Im DBS-DOC-Fallbeispiel (Beispiel 2) wurde eine weibliche DOC-Patientin ausgewählt, die im Alter von 38 Jahren eine Kopfverletzung erlitten hatte. Da der Zustand des Patienten die Einwilligungserklärung einschränkte, wurden die THS-Behandlung und die experimentelle Teilnahme ausschließlich von der lokalen Ethikkommission genehmigt. Das Hauptziel der postoperativen DOC-Aufzeichnung bestand darin, festzustellen, ob die Gehirnfunktion in Bezug auf die kognitiv-emotionale Verarbeitung bei einem Patienten mit einer so schweren Bewusstseinsstörung noch intakt war.
- Wählen Sie zwischen der Art des Stimulus, der präsentiert werden soll (auditiv, visuell). Identifizieren Sie die Reihenfolge der Stimuluspräsentation (Block- oder Mischdesign). Wählen Sie die Dauer des Stimulus, das Inter-Stimulus-Intervall (ISI) und die Anzahl der Versuche aus.
- Führen Sie als praktisches Beispiel die Flanker-Aufgabe aus (Beispiel 1, Abbildung 1A), um die Fähigkeit zu untersuchen, das Verhalten als Reaktion auf die Begehung von Antwortfehlern anzupassen. Diese Aufgabe besteht aus visuellen Reizen (flankierte, vertikal angeordnete Pfeilspitzen).
- Flankieren Sie den Zielreiz (Pfeilspitze in der Mitte) mit zwei benachbarten Pfeilen (über und unter dem Ziel), die in die gleiche (kompatible) oder entgegengesetzte (inkompatible) Richtung zeigen. Ziehen Sie außerdem Stoppversuche in Betracht (Kreis in der Mitte).
- Präsentieren Sie das Ziel links oder rechts und bitten Sie den Teilnehmer, mit dem linken oder rechten Daumen eine Antworttaste zu drücken. Weisen Sie die Teilnehmer in den Stoppversuchen an, nicht zu antworten. Präsentiere die Flanker 200 ms vor dem Ziel. Zeigen Sie das Ziel für 300 ms an und stellen Sie das Reaktions-Stimulus-Intervall auf 2.000 ms ein (die verstrichene Zeit wird durch einen Cue-Ton angezeigt). Präsentieren Sie in dieser Aufgabe insgesamt vier Blöcke mit jeweils 120 Reizen. Präsentieren Sie kompatible (60%), inkompatible (20%) und Stop-Trial-Stimuli (20%) nach dem Zufallsprinzip.
Anmerkung: Dieser Wert des Stimulusintervalls wurde gewählt, um eine große Anzahl von verpassten Studien bei der Betrachtung motorisch behinderter Patienten zu vermeiden. Flanker und Ziele wurden gleichzeitig ausgeschaltet und die Patienten angewiesen, so schnell wie möglich zu reagieren.
Anmerkung: Im DBS-DOC-Fallbeispiel (Beispiel 2, Abbildung 1B) bestand das experimentelle Paradigma aus neutralen, nicht-adressierenden und vertraut-adressierenden Sprachreizen26 in einem Blockdesign. Die Stimulusdauer wurde auf 4 Sekunden eingestellt (mit einem randomisierten Inter-Stimulus-Intervall von 4 bis 5 Sekunden). Insgesamt wurden 80 Studien pro Bedingung in diesem Paradigma berücksichtigt (Abbildung 1B).
- Stellen Sie sich die körperlichen Einschränkungen und Bedürfnisse des Patienten in einer postoperativen Aufzeichnung vor. Stellen Sie insbesondere fest, ob der Patient in der Lage ist, die Computertastatur zu nutzen, indem Sie das Vorhandensein von übermäßigen Chorea-Bewegungen (Huntington-Krankheit) oder Zittern (Parkinson-Krankheit) berücksichtigen.
- Stellen Sie sicher, dass der Patient den Monitor sehen kann (da das Lokalanästhetikum oder der stereotaktische Kopfrahmen, der während der THS-Operation angewendet wird, Schwellungen im Gesicht und um die Augen verursacht haben kann) und während der gesamten Dauer des gesamten Experiments bequem sitzen kann. Führen Sie das Experiment nicht durch, wenn der Patient diese Bedingungen nicht erfüllt.
>2. Aufbau für postoperative subkortikale (lokale Feldpotentiale oder LFPs) und Oberflächenaufzeichnungen (EEG)
- Stellen Sie das EEG-Gerät (siehe Materialien in den Zusatzdateien) in dem Raum auf, in dem das Experiment durchgeführt wird. Verbinden Sie den Aufzeichnungscomputer mit dem EEG-System. Starten Sie die EEG-Aufzeichnungssoftware (siehe "Materialien" in den Zusatzdateien).
- Klicken Sie auf "Datei" und dann auf "Neuer Arbeitsbereich", um den Arbeitsbereich in der EEG-Aufzeichnungssoftware zu definieren, indem Sie Folgendes angeben: eine Abtastfrequenz von 5 kHz, eine niedrige Grenzfrequenz (DC) und eine hohe Grenzfrequenz (1.000 Hz), EEG-Kanäle nach dem internationalen 10/20-System (mindestens: fronto-zentral (Fz), zentro-zentral (Cz), fronto-polare Referenz (Fpz) und Masse (Mastoid) und je nach Paradigma weiterhin parieto-zentral (Pz), okzipito-zentrale (Oz), temporale (T3/T4), fronto-mediale (F3/F4), fronto-laterale (F7/F8) Kanäle (Abbildung 2D) und LFP-Kanäle (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 (linke Hemisphäre, Abbildung 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 und LFPR3 (rechte Hemisphäre)). Klicken Sie auf "Monitor", um zu überprüfen, ob die angegebenen Kanäle jetzt für die Aufnahme eingerichtet sind.
Anmerkung: Der Arbeitsbereich sollte im Voraus vorbereitet werden, um die Experimentierzeit zu minimieren und unerwartete Änderungen in der Konfiguration der Aufzeichnung zu überwachen. Dies gewährleistet die höchste zeitliche Auflösung, die korrekten Filtereinstellungen, eine angemessene Abtastrate und die richtige Auswahl der interessierenden Kanäle.
- Richten Sie den Stimulusrechner ein, indem Sie den Parallelport an das EEG-System anschließen. Starten Sie die Stimulus-Software. Klicken Sie auf "Ausführen", um die Funktionalität des Paradigmas auf dem Monitor des Computers (visuelle Reize) und/oder Lautsprecher (auditive Reize, akustische Hinweise) zu überprüfen. Stellen Sie sicher, dass Marker (Trigger) vom Stimuluscomputer während der Präsentation von Reizen und der Reaktion des Probanden in das Aufzeichnungssystem eingelesen werden, indem Sie deren Aussehen in der EEG-Aufzeichnungssoftware überprüfen.
Anmerkung: Auslöser von Stimulusgeräten müssen eine Dauer von mindestens 200 μsec haben, um vom EEG-System (mit der Abtastrate von 5 kHz) erfasst zu werden. Da Trigger Marker für ereigniskorrelierte Ereignisse oder evozierte Aktivitäten sind, die zu einem bestimmten Zeitraum auftreten, ist ihre Funktion für die posteriore Datenanalyse von entscheidender Bedeutung. Im DBS-DOC-Fallbeispiel (Beispiel 2) bestand das experimentelle Paradigma (Abbildung 1B) aus auditiven Reizen (vertraute und unbekannte Stimmen), so dass Trigger am Anfang und Ende jedes präsentierten Stimulus eingerichtet wurden. Im Fall der Flanker-Aufgabe (Abbildung 1A) wurden die Trigger in dem Moment eingerichtet, in dem 1) die Flanker und Zielreize erschienen, 2) der Patient reagierte und 3) ein Signalton zu hören war, um den Patienten darüber zu informieren, dass die Reaktionszeit abgelaufen war.
- Markieren Sie den Scheitelpunkt des Kopfes des Patienten als Mittelpunkt zwischen Nasion und Inion mit einem Hautmarker und befolgen Sie den Rat eines erfahrenen Neurologen oder EEG-Spezialisten. Markieren Sie zusätzlich ausgewählte EEG-Elektrodenpositionen mit dem 10-20-System. Befestigen Sie EEG-Oberflächenelektroden an der Kopfhaut, indem Sie zuerst jede ausgewählte Stelle mit einem Isopropylalkohol-Pad reinigen und dann eine Scheuerpaste verwenden.
Anmerkung: Solche Aktionen werden durch das Anlegen von Verbänden am Kopf des DBS-Patienten eingeschränkt. Ein erfahrener Neurologe sollte jedoch in der Lage sein, für jede Elektrode/jeden Kanal eine geeignete (ungefähre) Position zu definieren. Um den richtigen Kontakt zu gewährleisten, schieben Sie das Haar aus dem Weg (falls zutreffend). Aufgrund ihrer einfachen Platzierung können selbstklebende Elektroden verwendet werden, die mit chirurgischem Klebeband gesichert sind.
- Verbinden Sie externalisierte DBS-Elektroden mit einer perkutanen Verlängerung. Verbinden Sie die perkutane Verlängerung mit dem externen Kabelstecker. Verbinden Sie jede Elektrode, die über den externen Kabelstecker bereitgestellt wird, gemäß der EEG-Aufzeichnungseinrichtung an die EEG-Steuerbox. Verbinden Sie die EEG-Kopfhautelektroden mit der EEG-Steuerbox, indem Sie zuerst Masse und Referenz einstecken.
- Befestigen Sie EMG-Elektroden (Referenz- und Aktivelektroden) an bestimmten Muskeln, indem Sie den Bereich zuerst mit einem Isopropylalkohol-Pad reinigen. Schließen Sie dann die EMG-Elektroden an die EEG-Steuerbox an.
Anmerkung: Dieser Schritt ist optional und wird hauptsächlich durchgeführt, wenn motorische Aufgaben im Paradigma berücksichtigt werden oder wenn eine Überwachung der Muskelaktivität erforderlich ist, wie im Fall von Patienten mit motorischen Störungen.
- Klicken Sie auf "Überwachen", um die Daten zu visualisieren. Stellen Sie sicher, dass die auf dem Monitor angezeigten EEG- und EMG-Signale artefaktfrei sind, indem Sie das Vorhandensein von Jittering und überlagerten hochfrequenten Komponenten erkennen. Informieren Sie sich über die Art von Artefakten und andere Faktoren im Zusammenhang mit der Aufzeichnung elektroenzephalographischer Signale35 und/oder bitten Sie einen erfahrenen Neurologen oder Neurowissenschaftler um technischen Rat, bis Sie sich mit der Art der Störungen vertraut gemacht haben, die in solchen physiologischen Aufzeichnungen auftreten.
Anmerkung: Dieser Schritt ist wichtig, um qualitativ hochwertige Signale für die Offline-Datenanalyse zu gewährleisten.
>3. Aufzeichnung der postoperativen subkortikalen (LFPs) und Oberflächen- (EEG) Gehirnaktivität
- Geben Sie dem Patienten Anweisungen. Stellen Sie sicher, dass sich der Patient wohl fühlt, und weisen Sie ihn an, den Versuch jederzeit zu beenden, wenn er sich unwohl fühlt.
- Klicken Sie in der Stimulus-Software auf "Run", damit der Patient das Paradigma auf dem Monitor sehen und/oder die Cue-Töne und -Klänge hören kann. Führen Sie eine Trainingseinheit mit dem Patienten durch, bis er sich mit der Aufgabe vertraut gemacht hat. Starten Sie die gleichzeitige Aufzeichnung der subkortikalen (LFP) und kortikalen (EEG) Gehirnaktivität, während der Patient die experimentelle Aufgabe ausführt.
Anmerkung: Im Fall des DBS-DOC-Fallbeispiels (Beispiel 2) bestand das Paradigma aus auditiven Reizen in einem Blockdesign, wie in (Abbildung 1B) beschrieben. Im Fall der Flanker-Aufgabe (Abbildung 1A) wurden visuelle Reize, die drei Bedingungen (kompatibel (60%), inkompatibel (20%) und Stop-Trial (20%) entsprachen), zufällig innerhalb jedes Blocks präsentiert (gemischtes Design), jeder Block bestand aus 120 Stimuli und das Paradigma bestand aus insgesamt vier Blöcken. Nachdem die Aufgabe abgeschlossen ist, werden die Daten auf der Festplatte des Aufzeichnungscomputers für ein späteres Offline-Screening und eine quantitative Analyse gespeichert.
