Registro de la actividad neuronal cortical y subcortical mediante sistemas de electrodos

Resumen

Fuente: Trenado, C., et al. Registros neurofisiológicos de superficie invasivos y no invasivos combinados para la evaluación de las funciones cognitivas y emocionales en humanos. J. Vis. Exp. (2016).

Este video muestra el proceso de registro de la actividad neuronal cortical y subcortical utilizando electroencefalografía (EEG) y electrodos de estimulación cerebral profunda (DBS) durante una prueba de estimulación visual basada en la atención.

Protocolo

Todos los procedimientos que involucran participantes humanos se han realizado de acuerdo con las directrices institucionales, nacionales e internacionales para el bienestar humano y han sido revisados por la junta de revisión institucional local.

1. Diseño de paradigma experimental y consentimiento del paciente

NOTA: Diseñe un paradigma experimental o seleccione un paradigma experimental existente para apuntar a un aspecto cognitivo/emocional de interés.

1. Seleccionar a los pacientes que se someterán al tratamiento de DBS. Pregunte si el paciente cumple con los criterios de inclusión del estudio. En caso afirmativo, obtener el consentimiento informado firmado por el paciente y/o la comisión de ética (si aplica) para realizar un registro postoperatorio y aplicación del paradigma cognitivo respectivo.
   nota: El registro postoperatorio tiene lugar al día siguiente de la realización de una primera cirugía de ECP para la implantación de electrodos de DBS (junto con su correspondiente externalización desde la cabeza mediante cables especiales) y antes de que se realice una segunda cirugía de implantación permanente de electrodos y estimuladores de DBS.
   1. En la tarea de Flanker (Ejemplo 1), obtenga el consentimiento informado firmado de un paciente con un trastorno del movimiento (por ejemplo, enfermedad de Huntington o Parkinson) para realizar un registro postoperatorio. El objetivo del experimento de Flanker es probar la capacidad del paciente para adaptarse a la conducta de error y determinar cómo dicha adaptación se refleja en la actividad oscilatoria del cerebro a nivel cortical y subcortical><. NOTA: La elección de un paciente está dictada por el mecanismo cognitivo que se va a tratar y el trastorno del paciente. En el ejemplo del caso DBS-DOC (Ejemplo 2), se seleccionó una paciente femenina con DOC que sufrió un traumatismo craneoencefálico a la edad de 38 años. Debido a que la condición del paciente limitaba el consentimiento informado, el tratamiento con ECP y la participación experimental fueron aprobados únicamente por la comisión de ética local. El objetivo principal del registro postoperatorio del DOC fue determinar si la función cerebral en relación con el procesamiento cognitivo-emocional seguía intacta en un paciente con un trastorno de la conciencia tan grave.
2. Elegir entre el tipo de estímulo a presentar (auditivo, visual). Identificar el orden de presentación de los estímulos (diseño en bloque o mixto). Seleccione la duración del estímulo, el intervalo entre estímulos (ISI) y el número de intentos.
   1. Como ejemplo práctico, realice la tarea Flanker (Ejemplo 1, Figura 1A), para examinar la capacidad de adaptar el comportamiento en respuesta a la comisión de errores de respuesta. Esta tarea consiste en estímulos visuales (puntas de flecha flanqueadas dispuestas verticalmente).
   2. Flanquea el estímulo objetivo (punta de flecha en el centro) por dos flechas adyacentes (por encima y por debajo del objetivo) que apuntan en la misma dirección (compatible) u opuesta (incompatible). Además, considere la posibilidad de detener los ensayos (encierre un círculo en el centro).
   3. Presente el objetivo a la izquierda o a la derecha y pida al participante que presione un botón de respuesta con el pulgar izquierdo o derecho. En las pruebas de detención, indique a los participantes que no respondan. Presenta a los flanqueadores 200 mseg antes del objetivo. Muestre el objetivo durante 300 mseg y establezca el intervalo de estímulo de respuesta en 2.000 mseg (el tiempo transcurrido se indica mediante un tono de señal). Presentar un total de cuatro bloques de 120 estímulos cada uno en esta tarea. Presentar estímulos compatibles (60%), incompatibles (20%) y stop-trial (20%) de forma aleatoria.
      nota: Este valor del intervalo estímulo se eligió para evitar un gran número de ensayos perdidos al considerar pacientes con discapacidad motora. Los flancos y los objetivos se apagaron simultáneamente, y se instruyó a los pacientes para que respondieran lo más rápido posible.
      nota: En el ejemplo de caso de DBS-DOC (Ejemplo 2, Figura 1B), el paradigma experimental consistió en estímulos de habla neutros no direccionamiento y direccionamiento familiar26 en un diseño de bloques. La duración del estímulo se estableció en 4 segundos (con un intervalo aleatorio entre estímulos de 4 a 5 segundos). En este paradigma se consideraron un total de 80 ensayos por condición (Figura 1B).
3. Visualice las limitaciones y necesidades físicas del paciente en un registro postoperatorio. Específicamente, determine si el paciente es capaz de hacer uso del teclado de la computadora considerando la presencia de movimientos excesivos de la corea (enfermedad de Huntington) o temblores (enfermedad de Parkinson).
   1. Asegúrese de que el paciente pueda ver el monitor (ya que el anestésico local o el marco estereotáctico de la cabeza aplicado durante la cirugía de ECP pueden haber causado hinchazón en la cara y alrededor de los ojos) y sentarse cómodamente durante todo el experimento. No realice el experimento si el paciente no cumple con estas condiciones.

>2. Configuración para registros postoperatorios subcorticales (potenciales de campo local o LFPs) y de superficie (EEG)

1. Instale el equipo de EEG (ver Materiales en los archivos complementarios) en la sala donde se llevará a cabo el experimento. Conecte la computadora de registro al sistema de EEG. Inicie el software de registro de EEG (consulte "materiales" en los archivos complementarios).
2. Haga clic en "Archivo" y luego en "Nuevo espacio de trabajo" para definir el espacio de trabajo en el software de registro de EEG especificando: una frecuencia de muestreo de 5 kHz, una frecuencia de corte baja (DC) y una frecuencia de corte alta (1.000 Hz), canales de EEG según el sistema internacional 10/20 (al menos: fronto-central (Fz), centro-central (Cz), referencia fronto-polar (Fpz) y tierra (mastoides) y, según el paradigma, además parieto-central (Pz), canales occipito-central (Oz), temporal (T3/T4), fronto-medial (F3/F4), fronto-lateral (F7/F8) (Figura 2D) y LFP (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 (hemisferio izquierdo, Figura 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 y LFPR3 (hemisferio derecho)). Haga clic en "Monitor" para verificar que los canales especificados ya están configurados para la grabación.
   nota: El espacio de trabajo debe estar preparado de antemano para minimizar el tiempo de experimento y supervisar cambios inesperados en la configuración de la grabación. Esto garantizará la resolución temporal más alta, la configuración correcta del filtro, la frecuencia de muestreo adecuada y la selección adecuada de los canales de interés.
3. Configure la computadora de estímulo conectando el puerto paralelo al sistema de EEG. Inicie el software de estímulo. Haga clic en "ejecutar" para comprobar la funcionalidad del paradigma en el monitor del ordenador (estímulos visuales) y/o en los altavoces (estímulos auditivos, señales sonoras). Asegúrese de que los marcadores (desencadenantes) de la computadora de estímulos se lean en el sistema de registro durante la presentación de los estímulos y la respuesta del sujeto verificando su apariencia en el software de registro de EEG.
   nota: Los disparadores de los dispositivos de estímulo deben tener una duración de al menos 200 μseg para ser detectados por el sistema de EEG (con la frecuencia de muestreo de 5 kHz). Dado que los desencadenantes son marcadores de eventos relacionados con eventos o actividades relacionadas con evocados que ocurren en un período de tiempo específico, su función es crucial para el análisis de datos posterior. En el ejemplo del caso DBS-DOC (Ejemplo 2), el paradigma experimental (Figura 1B) consistía en estímulos auditivos (voces familiares y desconocidas), por lo que se establecieron desencadenantes al principio y al final de cada estímulo presentado. En el caso de la tarea Flanker (Figura 1A), los disparadores se establecieron en el instante en que 1) aparecieron los flankers y los estímulos objetivo, 2) el paciente respondió, y 3) se escuchó un tono de señal para informar al paciente que el tiempo de respuesta había transcurrido.
4. Marque el vértice de la cabeza del paciente como el punto medio entre el nasion y el inion con un rotulador cutáneo y siga los consejos de un neurólogo experimentado o un especialista en EEG. Además, marque las posiciones de los electrodos de EEG elegidas con el sistema 10-20. Conecte los electrodos de superficie de EEG al cuero cabelludo limpiando primero cada ubicación seleccionada con una almohadilla de alcohol isopropílico y luego usando una pasta abrasiva.
   nota: Tales acciones están limitadas por la colocación de vendajes en la cabeza del paciente con ECP. Sin embargo, un neurólogo experimentado debe ser capaz de definir una ubicación apropiada (aproximada) para cada electrodo/canal. Para asegurar un contacto adecuado, retire el cabello del camino (si corresponde). Debido a su facilidad de colocación, se pueden utilizar electrodos autoadhesivos asegurados con cinta quirúrgica.
5. Conecte los electrodos DBS externalizados a una extensión percutánea. Conecte la extensión percutánea al conector de cable externo. Conecte cada electrodo proporcionado por el conector de cable externo a la caja de control de EEG de acuerdo con la configuración de registro de EEG. Conecte los electrodos del cuero cabelludo del EEG a la caja de control del EEG conectando primero la conexión a tierra y la referencia.
6. Conecte los electrodos EMG (electrodos de referencia y activos) en los músculos especificados limpiando primero el área con una almohadilla de alcohol isopropílico. A continuación, conecte los electrodos EMG a la caja de control de EEG.
   nota: Este paso es opcional y se realiza principalmente cuando se consideran las tareas motoras en el paradigma o cuando se requiere monitorear la actividad de los músculos, como en el caso de pacientes con trastornos motores.
7. Haga clic en "Monitorear" para visualizar los datos. Asegúrese de que las señales de EEG y EMG que se muestran en el monitor estén libres de artefactos mediante la detección de la presencia de fluctuaciones y componentes de alta frecuencia superpuestos. Consulte las pautas sobre los tipos de artefactos y otros factores relacionados con el registro de señales electroencefalográficas35 y/o solicite asesoramiento técnico a un neurólogo o neurocientífico experimentado hasta que se familiarice con el tipo de alteraciones presentes en dichos registros fisiológicos. < /> nota: Este paso es importante para garantizar señales de alta calidad para el análisis de datos fuera de línea.

>3. Registro de la actividad cerebral postoperatoria subcortical (LFPs) y de superficie (EEG)

1. Proporcionar instrucciones al paciente. Asegúrese de que el paciente se sienta cómodo e indíquele que detenga el experimento en cualquier momento de molestia.
2. Haga clic en "ejecutar" en el software de estímulo para que el paciente pueda ver el paradigma en el monitor y/o escuchar los tonos y sonidos de señal. Realizar una sesión de entrenamiento con el paciente hasta que se sienta cómodo con la tarea. Iniciar el registro simultáneo de la actividad cerebral subcortical (LFP) y cortical (EEG) mientras el paciente realiza la tarea experimental.
   nota: En el caso del ejemplo del caso DBS-DOC (Ejemplo 2), el paradigma consistía en estímulos auditivos en un diseño de bloques como se describe en la (Figura 1B). En el caso de la tarea Flanker (Figura 1A), los estímulos visuales correspondientes a tres condiciones (compatibles (60%), incompatibles (20%) y stop-trial (20%)) se presentaron aleatoriamente dentro de cada bloque (diseño mixto), cada bloque constaba de 120 estímulos y el paradigma constaba de un total de cuatro bloques. Una vez finalizada la tarea, los datos se almacenan en el disco duro del ordenador de grabación para su posterior cribado fuera de línea y análisis cuantitativo.

Resultados

Figura 1: Ejemplos de paradigmas experimentales. (A) (Ejemplo 1) Tarea de flanqueo: el estímulo objetivo (punta de flecha en el centro) está flanqueado por dos flechas adyacentes (por encima y por debajo del objetivo) que apuntan en la misma dirección (compatible) u opuesta (incompatible), también se consideraron las pruebas de parada (círculo en el centro). Cuando el objetivo apunta hacia la izquier...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Amplificador BrainAmp	Brain Products GmbH, Gilching Alemania		Cantidad: 2
Software de grabación BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching Alemania		1 Licencia
Software BrainVision Analyzer	Brain Products GmbH, Gilching Alemania		1 Licencia
Cables de fibra óptica y conectores USB	Brain Products GmbH, Gilching Alemania		Estos vienen con el equipo mencionado anteriormente
Caja de entrada de electrodos (64 canales)	Brain Products GmbH, Gilching Alemania		Cantidad: 1
Gel de electroencefalograma	Natus Inc		Cantidad: 1
Alcohol isopropílico	Schülke & Mayr GmbH, Alemania		Cantidad: 1
Gel preparador de la piel	Weaver and Co, Estados Unidos		Cantidad: 1
MATLAB	Math-Works, Natick, Massachusetts, Estados Unidos		1 Licencia
Caja de herramientas FieldTrip	http://www.fieldtriptoolbox.org/		código abierto
Sistema INOMED MER	INOMED Corp., Emmendingen, Alemania		Cantidad: 1
Macroelectrodos (modelo 3387 derivación DBS cuadripolar)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, EE. UU.		Cantidad: 2
Cables de extensión percutánea estériles (modelo 3550-05)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, EE. UU.		Cantidad: 2
Cable de bloqueo giratorio (modelo 3550-03)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, EE. UU.		Cantidad: 2
Conectores hechos a medida para conectores DIN 428092 a prueba de contacto			Cantidad: 2
Kit de cables de vércise DB -2201	Científico de Boston		Cantidad: 2
Kit de extensión de contacto NM-3138	Científico de Boston		Cantidad: 2
Cable de quirófano y extensión SC-4100 A	Científico de Boston		Cantidad: 2
Conector a prueba de tacto	Twente Medical Systems International B.V.		Cantidad: 2
Tomógrafo Modell PQ2000 (Tomografías computarizadas postoperatorias)	Philips Healthcare GmbH Hamburgo		Cantidad: 1
Software de presentación (tarea Flanker)	Sistemas neuroconductuales Inc.		1 Licencia