Mit Saccadometry mit Deep Brain Stimulation Normale und Pathologische Funktion des Gehirns zu studieren

Zusammenfassung

Dieser Artikel beschreibt die Verwendung der quantitativen Messung von Augenbewegungen in Verbindung mit der Stimulation von Fokusbereichen des tiefen Gehirns, um die Physiologie, Pathophysiologie und die Mechanismen der tiefen Hirnstimulation zu untersuchen.

Zusammenfassung

Das okulomotorische System umfasst eine große Anzahl von Gehirnbereichen, einschließlich Teilen der Basalganglien, und verschiedene neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson und Huntington können es stören. Menschen mit Parkinson neigen zum Beispiel zu erhöhten sakkadischen Latenzen. Daher hat die quantitative Messung sakkadischer Augenbewegungen als potenzieller Biomarker für neurodegenerative Erkrankungen große Aufmerksamkeit erhalten. Man kann viel mehr über das Gehirn sowohl bei Gesundheit als auch bei Krankheit lernen, wenn man beobachtet, was mit den Augenbewegungen passiert, wenn die Funktion bestimmter Hirnareale gestört ist. Die Tiefe Hirnstimulation ist ein chirurgischer Eingriff zur Behandlung einer Reihe von neurologischen Erkrankungen, einschließlich der Parkinson-Krankheit, bei dem Stimulationselektroden in bestimmten Gehirnbereichen, einschließlich mehrerer Stellen in den Basalganglien, platziert werden. Mit aus- und eingeschalteten Stimulatorsystemen können dann Augenbewegungsmessungen durchgeführt und die Ergebnisse verglichen werden. Bei geeignetem Versuchsdesign kann dieser Ansatz verwendet werden, um die Pathophysiologie der zu behandelnden Krankheit, den Mechanismus, durch den die THS ihre positiven Wirkungen ausübt, und sogar Aspekte der normalen Neurophysiologie zu untersuchen.

Einleitung

In den letzten Jahren gab es bei der Verwendung von Messungen von Reaktionszeiten als quantitative und nicht-invasive Art und Weise zu gewinnen , Informationen über die hohen Ebene Mechanismen der neuronalen Entscheidung zunehmendes Interesse ¹ zu machen. Eine Art von Reaktionszeit, die intensiv untersucht worden ist, ist die Zeit für eine Sakkaden bei Vorlage eines visuellen Stimulus zu initiieren, wie Sakkaden Latenz bekannt. Sakkaden sind die schnellen Augenbewegungen, die auftreten, wenn wir schnell unseren Blick von einem Ort zum anderen zu verschieben. Sie sind die häufigste Art von Augenbewegungen machen wir bei einer Frequenz auftreten, von typischerweise zwei oder drei pro Sekunde. Jeder Sakkaden ist in der Tat eine Entscheidung auf ein Stichwort in der visuellen Welt zu betrachten und nicht als eine andere ^2.

Die Nervenbahnen Augenbewegungen zu steuern wurden ausführlich untersucht und sind recht gut ³ dokumentiert. Mit empfindlichen elektronischen Geräten, können Aspekte der oculomotor Funktion sein präzise und objectively quantifiziert. Dies erleichtert die detaillierte Untersuchung der Augenbewegungen selbst, sondern ermöglicht es auch, sie als Werkzeug verwendet werden, um andere Bereiche der Neurophysiologie und Pathophysiologie zu untersuchen.

Augenbewegungsmessung können alle notwendigen Informationen über Krankheitszustände liefern. Sakkadische Augenbewegungen kürzlich zum Beispiel viel Aufmerksamkeit als potentielle Biomarker in neurodegenerativen Erkrankungen einschließlich ^{Huntington-4,5} und Parkinson-Krankheiten ^6,7, und es ist bekannt, dass sakkadische Reaktions mal langsamer zu sein neigen als normal in diesen Bedingungen. Einsatzmöglichkeiten von Sakkaden Messung umfassen Hilfsmittel zur Diagnose und Krankheit Verfolgung. Sakkadische Aufgaben reichen von der einfachen prosaccade (Suche so schnell wie möglich in Richtung auf eine plötzlich visuellen Reizes nach links oder rechts erscheine) zu komplexeren Aufgaben wie die Antisakkaden (Suche so schnell wie möglich auf die andere Seite auf einen visuellen Reiz) oder Gedächtnis- geführte Sakkaden (Blickin Richtung der zu merkenden Ort eines Ziels, das nicht mehr da ist).

Tiefe Hirnstimulation ist eine wirksame Behandlung für mehrere neurologische Zustände. Es wird am häufigsten zur Behandlung der motorischen Symptome der Parkinson-Krankheit, einschließlich Tremor, Rigor, Bradykinesie und Dyskinesie verwendet. Es ist auch für andere Bewegungsstörungen einschließlich Dystonie und essentiellem Tremor, und weniger häufig für neuropathische Schmerzen, Epilepsie und psychiatrischen Erkrankungen wie Zwangsstörungen eingesetzt. Es ist die einzige Einstellung , in denen Wissenschaftler einen direkten elektrischen Zugang zu tiefen Strukturen des menschlichen Gehirns in vivo und bietet somit eine wertvolle Gelegenheit für experimentelle Neurologie haben. Eine Vielzahl von Zielen auf der Bedingung stimulierte abhängig, die behandelt, einschließlich mehreren Stellen in den Basalganglien, von denen viele in oculomotor Wegen beteiligt sind. Dies bedeutet, dass ein breites Spektrum von Studien können mit dem DBS-System durchgeführt werden Stimulation zu liefernzu einem bestimmten Gehirn Lage und ein Eye-Tracking-Gerät aufzeichnen und seine Auswirkungen zu analysieren. Je nach experimentellen Paradigmen können solche Studien liefern Informationen über die Physiologie der Region stimuliert wird, die Auswirkungen der Krankheit oder der Mechanismus, durch den DBS wird in dieser bestimmten Umgebung zu arbeiten. Dieser Artikel beschreibt einen allgemeinen Ansatz zu Sakkaden Augenbewegung in Deep Brain Stimulation Patienten.

Mehrere verschiedene Arten von Eye-Tracking-Geräte stehen zur Verfügung. Für die Forschung in diesem Protokoll beschrieben wurde ein tragbares saccadometer verwendet horizontale Sakkaden Augenbewegungen aufzuzeichnen. Tragbare saccadometers haben den Vorteil , nicht Kopfstütze erforderlich ist (siehe Abbildung 1), was bedeutet , dass die Sitzungen sind bequemer für Patienten mit Parkinson-Krankheit, vor allem für diejenigen mit schweren Dyskinesien leiden. Der hier verwendete saccadometer ist leicht und etwa 5 cm breit und 10 cm hoch. Die saccadometer measures Augenbewegungen durch die Verwendung von direkter Infrarot Okulographie: einer Infrarotquelle und vor dem medialen Augenwinkel Gebrauch Licht reflektiert positioniert Sensor von der Hornhaut in Millisekunden-Intervallen um die Drehposition des Augapfels zu etablieren. Um eine gute Qualität Daten für die Analyse zu erwerben die saccadometer sollte mit mindestens einem 12-Bit-Auflösung mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 kHz abzutasten. Im saccadometer hier die visuellen Reize verwendet wurden , waren drei rote 13 cd m ^-2 Lichtflecken durch im Low - Power - Laser gebaut erzeugt, wobei jeder Punkt ein paar 0,1 Grad, mit einem Punkt in der Mittellinie und die beiden anderen bei ± 10 Grad aufspannt (dh nach rechts und links).

Abbildung 1. Die Saccadometer. Kopf montiert saccadometer an einem elastischen Band und ruht auf der Brücke der Nase. Vier Miniaturlaser projizieren visuelle Ziels auf eine matte Oberfläche, und die Augenbewegungen des Teilnehmers durch Differentialinfrarotreflexions Wandler auf der nasalen Seite jedes Auges gemessen. Da die Laser Ziele mit dem Kopf bewegen, Kopfstützen sind nicht erforderlich. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Protokoll

Die Ethikkommission genehmigte diese Studie und informierte Zustimmung wurde von den Teilnehmern erhalten, wie unten beschrieben in Abschnitt 1.

1. Teilnehmer Zustimmung

1. Den Teilnehmern ein Informationsblatt, das im Detail erklärt, was die Test-Session enthalten wird.
2. Nachdem die Teilnehmer die Möglichkeit haben, zu lesen und zu Fragen, Bedenken oder anderen Angelegenheiten ihrer Teilnahme an der Studie, gehen durch die Zustimmung Form mit ihnen zu erklären, jeden Punkt auf der Einverständniserklärung und geben ihnen die Möglichkeit zu diskutieren, Fragen zu stellen sie haben könnte. Bitten Sie den Teilnehmer das Formular auszufüllen.

2. Einrichten des Saccadometer

1. Stellen Sie das Gerät auf den Kopf des Patienten, durch einen verstellbaren Gummiband befestigt und ruht auf der Brücke der Nase. Da die Reize genau mit dem Kopf zu bewegen, keine Kopfstütze ist notwendig, und das Gerät ist bequem zu wear.
2. Fragen Sie den Patienten bei 1,5 m von einer flachen Mattscheibe zu sitzen.
3. Stellen Sie sicher, dass das Umgebungslicht schwach ist, so dass die Stimuli (rote Lichtpunkte) deutlich zu sehen sind.

3. Aufnahme eines Sakkadische Session

Hinweis: Als Beispiel ein Standardprotokoll , das sowohl prosaccades und Antisakkaden testet ⁸ wird hier beschrieben. Dieses Protokoll besteht aus fünf Blöcken: 60 prosaccades, 40 Antisakkaden x 3 und 60 prosaccades mit einer Pause von 1 min zwischen den Blöcken. Die Sitzung dauert etwa 40 min.

1. Stellen Sie die saccadometer, so dass für jeden Versuch die zentrale Fixierungsziel für eine zufällige Vorder Zeitraum von 1,0 angezeigt - 2,0 sec, nach dem es ausgelöscht wird und eine der peripheren Zielen angezeigt wird , zufällig nach rechts oder ⁹ verlassen.
   Hinweis: Die drei Ziele Flecken auf dem Bildschirm vor dem Teilnehmer projiziert rotes Licht sind (siehe 2.2) durch niedrige Leistungslasern in die saccadometer gebaut. Die saccadometer automatically schaltet der Laser ein- und ausgeschaltet Anzeige / Ziele in der notwendigen Reihenfolge löschen.
2. Weisen Sie den Teilnehmer, der die Prüfung besteht aus fünf Blöcken mit einer Minute Pause zwischen den Blöcken.
3. Vor dem ersten Block den Teilnehmer anweisen, ihre Augen so schnell und genau wie möglich zu bewegen, den roten Punkt von der Mitte springt zu folgen, um eine oder die andere Seite und sie anweisen, diese 60-mal zu tun.
4. Stellen Sie die saccadometer eine Folge von 60 Studien zu generieren. Drücken Sie die Taste auf der saccadometer den ersten Block von Studien (prosaccades) zu starten.
5. Nach Abschluss des ersten Blocks, lassen eine Minute Lücke vor dem zweiten Block. Setzen Sie die saccadometer eine Folge von 40 Studien zu erzeugen, und gegen Ende des einen winzigen Spalt, weisen Sie den Teilnehmer für den nächsten Block, um ihre Augen so schnell wie möglich in die entgegengesetzte Richtung zu dem roten Punkt bewegen, und zu erklären, dass sie werden benötigt, um diese 40-mal zu tun. Starten Sie die Sekond Block von Studien (Antisakkaden).
6. Nach Abschluss des zweiten Blocks, eine weitere 1 min Lücke lassen, wiederholen Sie die Anweisung im Schritt 3.5 und den dritten Block von Studien (Antisakkaden) starten.
7. Nach Abschluss des dritten Blocks, eine weitere 1 min Lücke lassen, wiederholen Sie die Anweisung im Schritt 3.5 und den vierten Block von Studien (Antisakkaden) starten.
8. Nach Beendigung des vierten Blocks, eine weitere 1 min Lücke lassen, und dass für den letzten Block von Tests erklären bitten die Teilnehmer, um ihre Augen so schnell und so genau wie möglich bewegen Sie den roten Punkt von der Mitte zu folgen, um eine Seite springen oder die andere, genau so, wie sie in dem ersten Block haben.
9. Setzen Sie die saccadometer eine Folge von 60 Studien zu generieren, und starten Sie den letzten Block von Studien (prosaccades).

Abbildung 2. Augenbewegungsaufgaben. Schematic illustratiauf zwei Beispiele von Sakkaden-Aufgaben. Der feste blauen Fleck stellt das Ziel und die gestrichelte blaue Kreis stellt den Bereich der Fixierung. LEFT eine prosaccadic Aufgabe zeigt , wo das Subjekt aufgefordert wird , auf das Ziel zu suchen. RECHTS ein Antisakkaden zeigt , wo die Versuchsperson gebeten wird vom visuellen Reiz zu schauen weg . Dies erfordert die Hemmung der natürlichen prosaccade Reaktion und die Erzeugung eines Sakkaden in die entgegengesetzte Richtung. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

4. Deep Brain Stimulator-Einstellungen

Hinweis: Für Teilnehmer mit tiefen Hirnstimulatoren die Tests durchführen bisher mit Stimulator System normal läuft, dh ein 'auf Stimulation' Datensatz entnommen wurde. Testen muss nun mit der Stimulator System ausgeschaltet wiederholt werden (für gesunde Kontrollpersonen ohne DBS-Systeme werden in diesem Abschnitt gelten nicht).

1. Schalten Sie das DBS-System ab. Tun Sie dies durch einen ausgebildeten Klinikpersonal. Lassen Sie 30 Minuten vor dem Test.
2. Wiederholen Sie die Sakkaden-Tests (Schritte 3,2 bis 3,9), um eine vollständige 'off Stimulation' Daten-Set zu erhalten.
3. Schalten Sie das DBS-System wieder auf (wieder sollte diese durch entsprechend geschultes Klinikpersonal durchgeführt werden).

5. Datenanalyse

Hinweis: Für Teilnehmer mit tiefen Hirnstimulatoren die Tests durchführen bisher mit Stimulator System normal läuft, dh ein 'auf Stimulation' Datensatz entnommen wurde. Testen muss nun mit der Stimulator System ausgeschaltet wiederholt werden (für gesunde Kontrollpersonen ohne DBS Systeme dieser Abschnitt nicht gelten).

1. Laden Sie sich die Rohdaten von der saccadometer an einen Computer für die Analyse.
2. Verwenden Sie die Software-Programm saccadometer auszuschließen Sakkaden Verzerrungented durch blinkt und Kopfbewegungen, einschließlich zu berechnen Variablen saccadische Latenzen, Spitzengeschwindigkeiten und Amplituden.
   Hinweis: Die Aufnahme erfolgt kontaminiert durch übermäßige Kopfbewegungen oder blinkt, werden automatisch von der Software entfernt.
   1. Entfernen Sie Sakkaden mit Latenz von weniger als 80 ms oder größer als 1000 ms.
      Hinweis: Sakkadische Latenz berechnet wird automatisch unter Verwendung eines Sakkade-Erfassungsalgorithmus basierend auf Geschwindigkeit und Beschleunigung. Der Beginn eines Sakkade wird als der Punkt identifiziert, wenn das Auge Geschwindigkeit eine Schwelle von 5 Grad / sec überschreitet.

Ergebnisse

Figur 3 zeigt ein Beispiel von sakkadischen Augenbewegungsbahnen von einer Parkinson-Krankheit Patienten mit einem Nucleus subthalamicus DBS - System implantiert. Die beiden Diagramme der prosaccades des Patienten Plots mit dem Stimulator System (obere Grafik) ausgeschaltet und eingeschaltet (untere Grafik). Jede Spur auf dem Graphen zeigt die Trajektorie eines einzelnen Sakkade, dh wie die Augenposition in Grad von der Mittellinie (y - Achse) weg als Funktion d...

Diskussion

Der wichtigste Faktor in der guten Qualität saccadische Daten zu erhalten, ist sicherzustellen, dass die dem Teilnehmer gegebenen Anweisungen sind klar und präzise. wenn die Anweisungen für die antisaccadic Aufgabe Zum Beispiel sind nicht ganz klar, ist der Teilnehmer wahrscheinlich prosaccades stattdessen auszuführen. Aufzeichnungen können auch verdorben sein, wenn der Teilnehmer nicht eindeutig die Reize oder die saccadometer können Augenposition nicht genau messen zu sehen. So, wenn die Daten als von niedriger Qualit...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Sakkadometer Gerät	Ober Consulting Polen
Computer mit Windows-Umgebung
Software, Latenzmesser zum Herunterladen der Rohdaten vom Sakkadometer