Kombinierte Invasive Subcortical und Nicht-invasive Oberflächenneurophysiologische Aufnahmen zur Beurteilung von kognitiven und emotionalen Funktionen beim Menschen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, kognitive und emotionale Funktionen wechselwirkender Hirnstrukturen durch gleichzeitige Ableitungen sowohl aus tiefen als auch aus oberflächennahen neuronalen Quellen zu bewerten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen der menschlichen Neurophysiologie zu beantworten, beispielsweise den Zusammenhang zwischen Mustern der Hirnaktivität und der Hirnfunktion, insbesondere hinsichtlich tiefliegender, kaum zugänglicher Hirnareale.

Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie den Rahmen von Patienten mit tiefer Hirnstimulation nutzt, um während kognitiver und emotionaler Aufgaben Echtzeitdaten aus kortikalen und subkortikalen Strukturen beim Menschen zu gewinnen. Die Aufnahmeschritte in diesem Abschnitt konzentrieren sich auf einen Patienten mit einer Bewegungsstörung, der eine Flanker-Aufgabe ausführt. Die Analyseschritte im nächsten Abschnitt hingegen beziehen sich auf einen Patienten mit chronischem Bewusstseinsstörung, der einem kognitiven, emotionalen Sprachparadigma lauscht.

Richten Sie zunächst die Elektroenzephalographie (EEG) Ausrüstung im Untersuchungsraum ein. Verbinden Sie den Aufnahmecomputer mit dem EEG-System und starten Sie die EEG-Aufnahmesoftware. Klicken Sie auf Datei und dann auf Neuer Arbeitsbereich, um den Arbeitsbereich in der EEG-Aufnahmesoftware festzulegen, indem Sie eine Abtastrate von fünf Kilohertz, eine niedrige und hohe Grenzfrequenz, EEG-Kanäle gemäß dem internationalen 10-20-System sowie Lokalfeldpotential- (LFP-)Kanäle definieren.

Klicken Sie auf „Monitor“, um zu überprüfen, ob die angegebenen Kanäle nun zur Aufnahme eingerichtet sind. Richten Sie anschließend den Stimulationscomputer ein und überprüfen Sie die Verbindung zum parallelen Port des EEG-Systems. Starten Sie die Stimulationssoftware.

Klicken Sie auf „Ausführen“, um die Funktionalität des Paradigmas auf dem Computermonitor zu überprüfen. Stellen Sie sicher, dass die Trigger vom Stimulationscomputer an das Aufzeichnungssystem gesendet werden, indem Sie deren Anzeige in der EEG-Aufzeichnungssoftware während der Präsentation der Reize sowie während der Reaktion des Probanden kontrollieren. Markieren Sie den Scheitelpunkt des Kopfes des Patienten als Mittelpunkt zwischen Nasion und Inion mit einem Haut-Markerstift.

Markieren Sie anschließend die gewählten EEG-Elektrodenpositionen gemäß dem 10-20-System. Reinigen Sie jede ausgewählte Stelle mit einem Isopropylalkohltupfer und einer abrasiven Paste. Befestigen Sie danach die EEG-Oberflächenelektroden am Kopfhaar.

Alternativ kann, abhängig von Platzbeschränkungen, ein Mehrkanal-EEG-Netz verwendet werden. Eine weitere hochentwickelte Methode zur Beurteilung der oberflächlichen Hirnaktivität wäre die Magnetoenzephalographie, oder MEG. Schließen Sie das perkutane Verlängerungskabel von Tiefenhirnstimulations-, oder DBS-Elektroden, an einen externen Kabelverbinder an.

Verbinden Sie jede vom externen Kabelanschluss bereitgestellte Elektrode gemäß dem EEG-Aufbau mit der EEG-Steuerbox. Schließen Sie die EEG-Skalpelektroden an die EEG-Steuerbox an. Geben Sie anschließend dem Patienten Anweisungen zur Flanker-Aufgabe.

Stellen Sie sicher, dass sich der Patient wohlfühlt, und weisen Sie ihn an, das Experiment bei Unwohlsein jederzeit abzubrechen. Klicken Sie in der Stimulationssoftware auf „Run“, damit der Patient das Paradigma auf dem Monitor sehen kann. Führen Sie eine Trainingssitzung mit dem Patienten durch, bis er sich mit der Aufgabe vertraut fühlt.

Starten Sie abschließend die gleichzeitige Aufzeichnung der subkortikalen LFP- und kortikalen EEG-Hirnaktivität, während der Patient die Flankeraufgabe durchführt. Öffnen Sie zunächst die EEG-Analyse-Software. Klicken Sie auf „Neu“, um die aufgezeichneten Daten aus dem emotional-kognitiven Sprachparadigma anzuzeigen, indem Sie die Ordnerpfade und den Datennamen angeben.

Klicken Sie auf „Kanäle bearbeiten“, um die Kanäle von Interesse auszuwählen. Klicken Sie dann auf „Kanal-Preprocessing“ und anschließend auf „Neue Referenz“, um benachbarte DBS-Kontakte neu zu referenzieren, wodurch eine virtuelle bipolar konfigurierte Ableitung für die linke und rechte Hemisphäre entsteht. Klicken Sie auf „Rohdateninspektion“, um die Daten auf physiologische und gerätebedingte Artefakte zu überprüfen, wobei besonderes Augenmerk auf motorischem Zittern und Störungen durch die Ausrüstung liegt.

Markieren Sie Segmente, in denen Artefakte vorhanden sind. Klicken Sie anschließend auf Datenfilterung und dann auf IIR-Filter, um einen Sperrfilter zu definieren, und wählen Sie Butterworth-Nullphasenfilter, indem Sie die Parameter für untere und obere Grenzfrequenz festlegen. Klicken Sie auf Abtastrate ändern, um die Aufzeichnungssignale auf eine bestimmte Frequenz herunterzutakten, und geben Sie dabei auch den Interpolationstyp an.

Exportieren Sie die gewünschten bipolaren Kanäle, indem Sie auf „Export“ und anschließend auf „Generic Data“ klicken. Exportieren Sie die Datenauslöser, indem Sie auf „Export“ und dann auf „Markers“ klicken. Benennen Sie die zu exportierenden Dateien, indem Sie ein T-X-T-Format auswählen.

Als Nächstes starten Sie MAT lab und klicken Sie auf „Set Path“, um den Pfad der Exkursionsordner hinzuzufügen. Berechnen Sie die spektrale Leistung des LFP für die gewünschten Kanäle, indem Sie in Skript eins zunächst den Pfad und den Namen der EEG- und LFP-Dateien angeben und dieses Skript ausführen, um eine Datei mit der von Skript zwei benötigten Datenstruktur zu erzeugen. Führen Sie danach Skript zwei aus, nachdem Sie die Parameter für die spektrale Analyse festgelegt haben, wie beispielsweise die spektrale Methode, Frequenz, Zeitbereich von Interesse und Basislinienkorrektur, sowie statistische Parameter wie die Art der Analyse und den P-Wert.

Dann berechnen Sie die Kohärenz zwischen subkortikalen und kortikalen Hirnsignalen, indem Sie Skript drei ausführen, nachdem Sie zuvor Länge des Abschnitts, Überlappungsprozent, Frequenzen von Interesse und Art der Analyse festgelegt haben. Schließlich berechnen Sie die Phasen-Amplituden-Kopplung zwischen Frequenzen, indem Sie die Software-Implementierung ausführen, die als ergänzende Datei in der hier angegebenen Referenz verfügbar ist. Dieses Protokoll bewertete emotionale kognitive Funktionen im Thalamus während des hier gezeigten Paradigmas.

Bei Reizen mit neutraler, nicht adressierender Sprache und vertrauter, adressierender Sprache. Hier zeigte die stimulusgekoppelte Modulation oszillatorischer Aktivität im zentralen Thalamus eine rechtsseitige Zunahme der Beta-Power innerhalb der ersten Sekunde beim Vergleich der Bedingungen neutraler versus vertrauter Ansprache. Die Analyse der Leistungsänderung entsprechend dem LFP zwei drei ergab eine frühe Zunahme im Beta-Bereich innerhalb der ersten Sekunde sowie eine späte Datenmodulation.

Außerdem zeigte sich eine signifikante Zunahme des Theta-Rhythmus bei 4 bis 6,5 Hertz und im Zeitraum von 2,6 bis 2,8 Sekunden bei der vertrauten Ansprechbedingung auf dem LFP 23. Sobald die Methode beherrscht ist, kann sie innerhalb einer Stunde durchgeführt werden, sofern sie ordnungsgemäß ausgeführt wird. Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig zu beachten, dass die räumliche Auflösung der mit dieser Technik erzielten Aufzeichnungen auf der Ebene lokaler Feld- und EEG-Potentiale liegt.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man kombinierte invasive und nicht-invasive neurophysiologische Ableitungen beim Menschen durchführt, um kognitive und emotionale Funktionen zu untersuchen.