Intra-operatoria tareas comportamiento en seres humanos sometidos a cirugía Awake Estimulación Cerebral Profunda

Resumen

La cirugía de estimulación cerebral profunda ofrece una oportunidad única para examinar codificación de la información en el cerebro humano despierto. En este artículo se describen intraoperatoria métodos utilizados para llevar a cabo tareas cognitivas y de comportamiento al mismo tiempo que la adquisición de datos fisiológicos tales como la actividad EMG de una sola unidad neuronal y / o potenciales de campo local.

Resumen

La estimulación cerebral profunda (DBS) es un procedimiento quirúrgico que dirige la estimulación crónica, eléctrica de alta frecuencia para objetivos específicos en el cerebro a través de electrodos implantados. La estimulación cerebral profunda se implementó por primera vez como una modalidad terapéutica por Benabid et al. A finales de 1980, cuando se utiliza esta técnica para estimular el núcleo ventral intermedio del tálamo para el tratamiento del temblor ^1. Actualmente, el procedimiento se utiliza para tratar a los pacientes que no responden adecuadamente al tratamiento médico para enfermedades como el Parkinson, la distonía y el temblor esencial. La eficacia de este procedimiento para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson se ha demostrado en bien alimentados, los ensayos controlados aleatorios ^2. En la actualidad, la Administración de Drogas y Alimentos de EE.UU. ha aprobado DBS como tratamiento para pacientes con temblor esencial médicamente refractaria, la enfermedad de Parkinson, y la distonía. Además, el DBS está siendo evaluado para el tratamiento de otros trastornos psiquiátricos y neurológicos, como el trastorno obsesivo-compulsivo, trastorno depresivo mayor y la epilepsia.

DBS no sólo se ha demostrado para ayudar a las personas por mejorar su calidad de vida, sino que también proporciona a los investigadores una oportunidad única para estudiar y comprender el cerebro humano. Grabaciones de microelectrodos se realizan rutinariamente en la cirugía de estimulación cerebral profunda con el fin de mejorar la precisión de la focalización anatómica. Los patrones de activación de las neuronas individuales por lo tanto, se puede grabar mientras el sujeto realiza una tarea de comportamiento. Los primeros estudios con estos datos se centró en los aspectos descriptivos, incluyendo el despido y las tasas de ráfaga, y modulación de frecuencia ^3. Los estudios más recientes se han centrado en los aspectos cognitivos de la conducta en relación con la actividad neuronal ^4,5. En este artículo se proporcionará una descripción de los métodos intra-operatorio para realizar tareas de comportamiento neuronal y el registro de datos con los pacientes despiertos durante casos DBS. Nuestra exposición del proceso de adquisición de datos electrofisiológicos se iluminará el alcance y las limitaciones del comercio intra-operatorio experimentos con seres humanos.

Protocolo

1. El reclutamiento de sujetos y consentimiento

1. Tras la evaluación clínica y el consentimiento para el núcleo subtalámico (STN) la estimulación cerebral profunda (DBS) de refractarios enfermedad de Parkinson, la información de cada paciente es revisado para determinar si él / ella cumple con los criterios para el estudio intraoperatorio (Definido en una revisión institucional Junta aprobó el protocolo en el Hospital General de Massachusetts).
2. Si se determina que el sujeto cumple con los criterios del estudio, un miembro médico del grupo de estudio (no el cirujano) se acerca a la paciente para discutir la posibilidad de participar en el estudio.
3. El formulario de consentimiento para participar en el estudio se revisa y se explica con el tema. Es importante destacar que la explicación del estudio destaca que la participación en el estudio es voluntaria y que en cualquier momento que él / ella tiene la opción de retirarse de la participación. Además, se subrayó a continuación que su discusión a participar o retirarse en el estudio no tiene ningún impacto sobre la atención médica que él / ella va a recibir.
4. Si se determina que el sujeto entiende y está de acuerdo en participar en el estudio, él / ella firma el consentimiento informado aprobado y está inscrito en el estudio.

2. Configuración del comportamiento de Capacitación y Rig

1. Como parte de la cirugía de estimulación cerebral profunda para la enfermedad de Parkinson, los sujetos son ingresados ​​en el hospital un día antes de la cirugía. Por lo tanto, esto ofrece la oportunidad de entrenar a los sujetos en la tarea de comportamiento. Esta formación es esencial, ya que proporciona un período de tiempo durante el cual el sujeto puede aprender a realizar la tarea y desarrollar la comodidad de sus normas, la eliminación de "los efectos de aprendizaje" confunde (Refiérase a la discusión).
2. Un equipo portátil de conducta es llevada a la habitación del hospital del sujeto en la noche antes de la cirugía.
3. Este equipo está equipado con la misma tarea exacta del comportamiento que se requiere el tema para llevar a cabo el día del estudio intra-operatorio.
   1. En este ejemplo, el sujeto se le pide a un juego de cartas similar al juego de "guerra". En este juego, el sujeto está obligado a apostar (ya sea $ 20 o $ 5) en cuanto a si su tarjeta es mayor que la de la computadora. La intención de esta tarea es la de ensayo de la función de la recompensa y el riesgo sobre la codificación neuronal en el STN. Con el fin de incentivar la materia que se les dice que se le pagará un porcentaje de sus ganancias.
   2. Como una forma de reducir las combinaciones posibles (y confunde resultantes), sólo las tarjetas con números pares de un solo palo se utilizan (por ejemplo, 2, 4, 6, 8 y 10 de picas). Por lo tanto, los posibles resultados y las expectativas de la tarea puede ser fácilmente calculado y analizado.
   3. En cada ensayo, el primer sujeto ve una pantalla que muestra la tarjeta al azar tratado, y la parte posterior de la tarjeta de la computadora desconocido. La pantalla muestra las dos opciones de apuesta, $ 5 y $ 20. Sobre la base de la fuerza relativa de su / su tarjeta, el tema indica que la apuesta con sólo pulsar un botón, después de que la pantalla muestra su / su tarjeta y la tarjeta de la computadora reveló el. La pantalla final muestra explícitamente la cantidad ganada o perdida.
4. El sujeto se le permite jugar el juego hasta que son plenamente conscientes de las reglas del juego y llevar a cabo a un nivel cómodo.

3. Intra-operatoria - Experimental de configuración

1. Una vez que el tema ha sido colocado en la mesa de operaciones, la plataforma que contiene la adquisición de conducta, datos y equipos de procesamiento de la señal se pone en la sala de operaciones. Posicionamiento de plataformas debe tener en cuenta el flujo de trabajo normal y problemas de esterilidad relacionados con el quirófano.
2. Como componentes de estos equipos se montan y desmontan para cada sesión de grabación, es vital para comprobar todas las conexiones de los equipos. Por lo tanto, ya que cada componente está conectado al sistema de adquisición de datos, se debe comprobar la integridad de los datos. Estos procedimientos deben realizarse a principios de la cirugía para evitar tener que solucionar estos problemas durante el tiempo de grabación crítico.
   1. En primer lugar, la adquisición de arranque y el equipo de procesamiento de señales. Conecte las salidas de la plataforma de procesamiento de señales a las entradas de la plataforma de adquisición. En el caso de este estudio, será la adquisición de tres extracelular canales de potencial de acción que corresponden a tres para-sagital orientado a los electrodos que se adelanta en el cerebro del sujeto durante la cirugía. Encienda el amplificador a la vez para asegurar que el sistema de adquisición es la adquisición de las señales.
   2. Asegure el monitor a la mesa de operaciones en posición cómoda para la vista usando un adaptador apropiado.
   3. Si un dispositivo de entrada (joystick, botón de caja, teclado, etc) se emplea, la posición de este dispositivo, con especial atención a la lateralidad en relación con la parte del cerebro a partir de grabaciones que se obtendrá. Asegúrese de que la mano del sujeto es una posición cómoda para operar el dispositivo de entrada. Plantéese la posibilidad de anestesiólogo para secure el monitor de oxigenación del pulso en la otra mano para asegurar el correcto funcionamiento del dispositivo. En esta tarea se utiliza una caja de botones.
   4. Arrancar el sistema de comportamiento y garantizar que los marcadores de comportamiento evento están siendo capturados por el equipo de adquisición.
   5. Iniciar la tarea de comportamiento y permitir que el tema de jugar unos pocos ensayos de la tarea. Durante este tiempo, asegúrese de que el sistema de adquisición es la captura de las entradas de caja de botones y los indicadores de comportamiento generados por la plataforma de comportamiento.
   6. Si todas las conexiones son funcionales, detener la tarea de la conducta y la adquisición de equipo de perforación.

4. El aislamiento de las neuronas del núcleo subtalámico

1. Los objetivos de la cirugía son el lugar DBS crónica conduce a la región del NST. Esta colocación se realiza a través de una combinación de imágenes y grabaciones neuophysiological estereotáctica.
2. Los detalles de la planificación estereotáxica y el procedimiento quirúrgico en sí, por supuesto, varían según las instituciones, pero el proceso general es similar. En nuestra institución, un marco estereotáxico Cosman-Roberts-Wells y la jaula fiduciales se aplica y se obtuvo una TC de la cabeza. La TC con fiduciales se combina con una previa del cerebro MRI volumétrica en un sistema neuro-navegación (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN, o VectorVision BrainLab, Feldkirchen, Alemania). Las coordenadas de la región del cerebro objetivo (STN en este caso) se convierten en marco basado en las coordenadas. En el quirófano, el paciente se coloca cómodamente en una posición semi-reclinada, y preparado y se cubre con la técnica quirúrgica estándar. Las coordenadas de la izquierda STN están programadas en el marco, que se coloca sobre el paciente. La piel se hace una incisión y se retractó. Trepanaciones se colocan, y creó una pequeña apertura dural. Cánulas conectado a un microdrive se ponen en posición y se avanza hasta la punta de la cánula de 25 mm por encima del objetivo.
3. Una vez que las cánulas son avanzados en el cerebro, los estiletes internos son removidos y reemplazados con alta impedancia (0,3 a 1 mega-ohmios) microelectrodos (FHC, Bowdoin, ME). La plataforma de procesamiento de la señal de pre-amplificadores están conectados a cada electrodo y el canal de referencia diferencial está conectada a la cánula exterior.
4. En la plataforma de procesamiento de señales de los amplificadores están encendidos y la señal extracelular es evaluado. Además, la impedancia de cada electrodo se verifica antes de avanzar más en el cerebro.
5. El cirujano avanza lentamente los electrodos (.05-0.4 pasos mm) en el cerebro. Los electrodos están avanzadas a partir de 25 mm de la meta calculada para el STN. Esta trayectoria resultados en el electrodo de pasar por el núcleo caudado, el tálamo, el INSERTA zona, y finalmente en el STN.
6. Una vez que los electrodos han entrado en el STN, el fisiólogo manipula extremidades contralateral del paciente como un medio para establecer si la señal neuronal es sensible motor. Cuando el cirujano y el experimentador está satisfecho con la posición de los electrodos, la tarea de comportamiento se puede iniciar.

5. Adquisición de Datos

1. Antes de comenzar la tarea de comportamiento, es importante documentar la profundidad de los microelectrodos y la capacidad de respuesta del motor de la neurona aislada (s).
2. El tema es entonces instruyó a que la tarea va a comenzar. Asegúrese de que la caja de botones es todavía una posición cómoda y que el monitor completamente visible.
3. Iniciar la adquisición de datos y adquisición de la actividad basal de al menos 1 minuto antes de comenzar la tarea de comportamiento.
4. A medida que el sujeto realiza la tarea es importante para controlar los datos capturados. Con cualquier trastorno en la adquisición, la tarea debe ser detenido y rectificar el problema.
5. En el estudio actual, el sujeto se le pide llevar a cabo 120 ensayos para cada profundidad de STN.
6. Las tareas se pueden realizar varias veces para cada profundidad en el STN, sin embargo, hay limitaciones a la duración de estos estudios intraoperatorios (descrito más adelante en la discusión). Nosotros limitamos el tiempo de grabación experimental de 30 minutos para evitar las molestias del paciente y la prolongación indebida de la cirugía. Por otra parte, el sujeto tiene la oportunidad de rechazar más grabaciones en cualquier momento, en cuyo caso la tarea de comportamiento se detiene y se reanuda la operación.
7. Una vez que se complete el estudio, los datos son copiados y archivados para su posterior análisis.

6. Análisis de Datos

1. En primer lugar, las señales neuronales son objeto de discriminación en cada pico de las marcas de tiempo mediante un software comercial.
2. Los códigos de conducta son la tarea a continuación se analiza, y las marcas de tiempo de actividad neuronal se alinean utilizando el código de secuencias de comandos en Matlab.

Los resultados representativos:

La Figura 1 muestra los resultados representante de una sola neurona STN registrados durante el Juego de Guerra se ha descrito anteriormente. El tpaneles op representar tramas en torno a cuatro épocas comportamiento relevante en la tarea: el período de fijación antes de cada prueba, la presentación de la tarjeta del sujeto, al pulsar el botón que indica el tema de la apuesta, y la presentación de la tarjeta de la computadora. Los paneles inferiores representan agrupadas (50 contenedores ms) peri-estímulo histogramas tiempo (PSTHs). Esta neurona no responder con firmeza a la presentación de la tarjeta del sujeto, pero aumenta su despido de manera significativa en todo el pulsador. Esta actividad dura hasta que la tarjeta de la computadora se pone de manifiesto, en la que puesto de tiro disminuye a los niveles basales.

Figura 1. Representante STN neurona. Rasters (paneles superiores) y peri-estímulo tiempo histogramas (PSTHs) centrado en el comportamiento épocas relevantes están representados por un solo representante de neuronas STN. Este disparo de neuronas se incrementa de manera significativa en la época de los pulsadores con indicación del objeto de la apuesta.

Discusión

La cirugía de estimulación cerebral profunda ofrece una valiosa oportunidad para examinar la actividad de neuronas individuales en el cerebro humano. Hasta la fecha esta oportunidad ha permitido a numerosos estudios descriptivos que caracterizan las actividades de los diferentes núcleos profundos. Más recientemente, el intra-operatorio tareas se han vuelto más sofisticados con el fin de abordar diversos aspectos de la conducta y la cognición. El objetivo del protocolo es proveer una guía para implementar con éxito las t...

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