Mit Saccadometry mit Deep Brain Stimulation Normale und Pathologische Funktion des Gehirns zu studieren
14. Juli 2016
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.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Auswirkungen der tiefen Hirnstimulation auf sakkadische Augenbewegungen zu messen. Die Kombination von tiefer Hirnstimulation mit Sakkadenmessung bietet ein Werkzeug zur Untersuchung normaler und pathologischer Hirnfunktionen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen zur Pathophysiologie von Erkrankungen der Basalganglien zu beantworten.
Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie quantitativ und präzise ist und eine genaue Erkennung subtiler Anomalien ermöglicht. Dies sind einige der Arten von Stimulatorimplantaten, die bei der tiefen Hirnstimulation verwendet werden. Sie enthalten eine Batterie und eine Elektronik, um einen kleinen elektrischen Reiz zu erzeugen.
Die Reizimpulse werden über Kontakte am Ende eines solchen Drahtes an genaue Zielorte im Gehirn abgegeben. Beginnen Sie damit, die Details der Studie zu erläutern und dem Teilnehmer eine Einverständniserklärung zur Unterschrift zur Verfügung zu stellen. Stellen Sie das Sakkadometer so ein, dass bei jedem Versuch das zentrale Fixationsziel für einen zufälligen Zeitraum von 1,0 bis 2,0 Sekunden angezeigt wird, danach gelöscht wird und eines der peripheren roten Ziele zufällig rechts oder links erscheint.
Bitten Sie den Teilnehmer anschließend, 1,5 Meter von einem flachen, matten Bildschirm entfernt zu sitzen. Platzieren Sie das Sakcadometer so auf dem Kopf des Teilnehmers, dass es auf dem Nasenrücken aufliegt und sichern Sie es mit einem elastischen, verstellbaren Riemen. Stellen Sie sicher, dass die Umgebungsbeleuchtung gedämpft ist, damit die Reize deutlich zu sehen sind.
Weisen Sie den Teilnehmer dann an, dass die 40-minütige Testsitzung aus fünf Blöcken mit einer einminütigen Pause zwischen jedem Block besteht. Weisen Sie den Teilnehmer vor dem ersten Block an, seine Augen so schnell und genau wie möglich zu bewegen, um dem roten Punkt zu folgen, der von der Mitte zur einen oder anderen Seite springt. Erklären Sie, dass sie dies 60 Mal tun müssen.
Stellen Sie das Sakkadometer so ein, dass eine Sequenz von 60 Versuchen generiert wird, und drücken Sie dann die Taste am Gerät, um den ersten Versuchsblock zu starten. Warten Sie nach Abschluss des ersten Blocks eine Minute, bevor Sie den zweiten Block starten. Setzen Sie das Sakkadometer zurück, um eine Sequenz von 40 Versuchen zu generieren.
Weisen Sie den Teilnehmer gegen Ende der einminütigen Pause an, seine Augen so schnell wie möglich in die entgegengesetzte Richtung des roten Punktes zu bewegen. Informieren Sie sie, dass sie dies 40 Mal tun müssen. Starten Sie dann den zweiten Versuchsblock.
Warten Sie nach Abschluss des zweiten Blocks eine Minute und wiederholen Sie dann die Anweisungen aus dem zweiten Block noch zwei Mal für die Blöcke drei und vier. Warten Sie schließlich nach Abschluss des vierten Blocks eine Minute und weisen Sie die Teilnehmer an, ihre Augen so schnell und genau wie möglich zu bewegen, um dem roten Punkt zu folgen, der von der Mitte zur anderen springt, genau wie im ersten Block. Setzen Sie das Sakkadometer zurück, um eine Sequenz von 60 Versuchen zu generieren und den letzten Versuchsblock zu starten.
Hinweis für Teilnehmer mit Tiefenhirnstimulatoren oder DBS-Systemen: Führen Sie Sakkadentests zweimal durch. Einmal mit dem normalen DBS-System und ein zweites Mal mit ausgeschaltetem DBS-System. Um die Off-Stimulationssitzung durchzuführen, lassen Sie ein geschultes klinisches Personal das THS-System 30 Minuten vor dem Test ausschalten.
Führen Sie dann einen Sakkadentest durch. Sobald die Sitzung beendet ist, schalten Sie das DBS-System wieder ein. Um die Daten zu analysieren, laden Sie die Rohdaten vom Sakkadometer auf einen Computer herunter.
Verwenden Sie als Nächstes das Softwareprogramm des Sakkados, um Sakkaden auszuschließen, die durch Blinzeln und Kopfbewegungen verzerrt werden. Berechnen Sie Variablen wie sakkadische Latenzen, Spitzengeschwindigkeiten und Amplituden. Hier werden prosakkadische Latenzergebnisse für einen Parkinson-Patienten nach einer DBS des subthalamischen Kerns gezeigt, wenn die DBS ein- und ausgeschaltet wird.
Die Verteilung der Sakkaden verändert sich, wenn der Stimulator eingeschaltet wird, was eine Verringerung der Anzahl der Sakkaden mit langer Latenz und eine entsprechende Abnahme der mittleren Latenz zeigt. Einmal gemeistert, kann diese Technik in etwa 70 Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, dass das Sakkadometer mittig auf dem Nasenrücken sitzt und das Raumlicht gedämpft ist.
Im Anschluss an dieses Verfahren können weiterführende sakkadische Aufgaben verwendet werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, z. B. wie die kognitive Kontrolle der Augenbewegungen durch die Tiefe Hirnstimulation beeinflusst wird. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Psychodomemetrie bei Probanden mit tiefen Hirnstimulatorsystemen einsetzt. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern gefährlich sein kann und Sie darauf achten sollten, dass sowohl die Teilnehmer als auch der Experimentator nicht direkt in die Laserstrahlen blicken.
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Überblick
Diese Studie untersucht die Auswirkungen der tiefen Hirnstimulation auf sakkadische Augenbewegungen und liefert Erkenntnisse über normale und pathologische Hirnfunktionen. Durch die Kombination von Stimulation mit präzisen Messtechniken zielt die Forschung darauf ab, das Verständnis von Erkrankungen, die mit den Basalganglien in Zusammenhang stehen, zu verbessern.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Elektrophysiologie
- Pathophysiologie
Hintergrund
- Die tiefe Hirnstimulation ist eine therapeutische Technik, die bei verschiedenen neurologischen Störungen eingesetzt wird.
- Sakkadische Augenbewegungen sind schnelle Augenbewegungen, die für die visuelle Wahrnehmung entscheidend sind.
- Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen diesen beiden kann wichtige physiologische Erkenntnisse liefern.
- Diese Methode ermöglicht quantitative und präzise Messungen von Augenbewegungen.
Zweck der Studie
- Die Auswirkungen der tiefen Hirnstimulation auf sakkadische Augenbewegungen zu messen.
- Die Pathophysiologie von Erkrankungen, die mit den Basalganglien in Zusammenhang stehen, zu erforschen.
- Ein präzises Instrument für die Untersuchung der Hirnfunktion zu entwickeln.
Verwendete Methoden
- Quantitative Messung von Augenbewegungen.
- Stimulation von fokalen Bereichen im tiefen Hirn.
- Verwendung verschiedener Stimulator-Implantate, die elektrische Reize erzeugen.
- Kombination von Stimulations- und Messtechniken.
Hauptergebnisse
- Die Technik ermöglicht eine genaue Erkennung subtiler Anomalien in Augenbewegungen.
- Die gewonnenen Erkenntnisse können zum Verständnis normaler und pathologischer Hirnfunktionen beitragen.
- Die Ergebnisse tragen zum Wissen über die Mechanismen der tiefen Hirnstimulation bei.
Schlussfolgerungen
- Diese Methode ist wertvoll für die Untersuchung der Physiologie und Pathophysiologie des Gehirns.
- Sie bietet einen Rahmen für zukünftige Forschungen zu Erkrankungen, die mit den Basalganglien in Zusammenhang stehen.
- Quantitative Analyse verbessert das Verständnis der Hirnfunktion.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Quantitative measurement of saccadic eye movements provides a translational biomarker for basal ganglia-related neurodegenerative diseases, enabling objective assessment of disease progression and therapeutic intervention effects. This approach supports mechanistic de-risking in target validation by linking deep brain stimulation outcomes to functional oculomotor readouts, improving predictive confidence in preclinical and early clinical decision-making. The method enhances portfolio relevance by offering a cross-functional, reproducible readout applicable across Parkinson's, Huntington's, and other basal ganglia disorders.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying how basal ganglia perturbation affects saccadic latency and velocity.
- Operational Value: Provides a precise, quantitative readout for functional target validation in disease-relevant neural circuits.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by correlating stimulation parameters with eye movement biomarkers, reducing ambiguity in pathway engagement.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized, reproducible measurements of saccadic latency, peak velocity, and amplitude for compound or intervention screening.
- Quantitative Output: Enables detection of subtle abnormalities in eye movement distributions, supporting assay sensitivity for early efficacy signals.
- Platform Scalability: Supports repeated testing sessions (on/off stimulation) to assess consistency and reliability across experimental conditions.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Directly models pathophysiological features of Parkinson's disease, such as increased saccadic latency, in a quantifiable manner.
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by providing a biomarker translatable from animal models to human studies.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by quantifying functional recovery or deterioration following neuromodulation.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, offering a functional biomarker that tracks modulation of basal ganglia circuitry.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by measuring how deep brain stimulation alters saccadic parameters, clarifying circuit-level pathophysiology.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative outputs (latency, velocity, amplitude) that enable reliable comparison across stimulation states or genetic models.
- Analytics: Provides statistical distributions of saccadic metrics, facilitating group comparisons and effect size quantification for decision-making.
- Translational Research: Connects neuromodulation effects to clinically relevant oculomotor endpoints, supporting biomarker qualification efforts.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform for assessing diverse neuromodulatory interventions across multiple basal ganglia targets.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in how neuromodulation affects brain function.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through fixed trial structures, stimulus timing, and head-mounted tracking.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of ineffective targets, reducing late-stage failure risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by quantifying target engagement and functional modulation in disease-relevant systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in oculomotor testing, neurostimulation systems, and clinical trial coordination for implanted device studies.
- Dependent on saccadometer hardware and software for stimulus delivery, eye tracking, and data exclusion of blink- or movement-artifacts.
- Necessitates cross-team standardization between neurology, neurosurgery, and research staff for consistent DBS on/off testing protocols.
- Involves adaptation considerations when applying to different model systems or saccadic task variants (e.g., prosaccade vs. antisaccade).
- Limited by participant availability, stimulator accessibility, and the need for controlled lighting and seating distance to ensure data quality.
