Usando Saccadometry con estimulación cerebral profunda para estudiar la función cerebral normal y patológica

Summary

Este artículo describe el uso de la medición cuantitativa de los movimientos oculares junto con la estimulación de áreas focales del cerebro profundo con el fin de estudiar la fisiología, la fisiopatología y los mecanismos de la estimulación cerebral profunda.

Abstract

El sistema oculomotor involucra un gran número de áreas cerebrales, incluyendo partes de los ganglios basales, y varias enfermedades neurodegenerativas, incluyendo el Parkinson y el Huntington, pueden alterarlo. Las personas con enfermedad de Parkinson, por ejemplo, tienden a tener latencias sacádicas aumentadas. En consecuencia, la medición cuantitativa de los movimientos oculares sacádicos ha recibido una atención considerable como un biomarcador potencial para las enfermedades neurodegenerativas. Se puede aprender mucho más sobre el cerebro, tanto en la salud como en la enfermedad, observando lo que sucede con los movimientos oculares cuando se perturba la función de áreas específicas del cerebro. La estimulación cerebral profunda es una intervención quirúrgica utilizada para el tratamiento de una variedad de afecciones neurológicas, incluida la enfermedad de Parkinson, en la que se colocan electrodos estimulantes en áreas específicas del cerebro, incluidos varios sitios de los ganglios basales. A continuación, se pueden realizar mediciones del movimiento ocular con los sistemas estimuladores tanto apagados como encendidos y comparar los resultados. Con un diseño experimental adecuado, este enfoque se puede utilizar para estudiar la fisiopatología de la enfermedad que se está tratando, el mecanismo por el cual la ECP ejerce sus efectos beneficiosos e incluso aspectos de la neurofisiología normal.

Introduction

En los últimos años ha habido un creciente interés en el uso de las mediciones de los tiempos de reacción como una forma cuantitativa y no invasiva de obtención de información acerca de los mecanismos de alto nivel de toma de decisión ¹ neural. Un tipo de tiempo de reacción que se ha estudiado ampliamente es el tiempo necesario para iniciar una sacada en la presentación de un estímulo visual, conocido como latencia sacádico. Las sacadas son los movimientos oculares rápidos que se producen cuando nos desplazamos rápidamente la mirada de un lugar a otro. Ellos son el tipo más común de los movimientos oculares que hacemos, que se producen con una frecuencia de por lo general dos o tres por segundo. Cada movimiento sacádico es en efecto una decisión de mirar a una cue en el mundo visual en lugar de otro ^2.

Los caminos de los nervios que controlan los movimientos oculares se han estudiado ampliamente y están bastante bien documentado ^3. El uso de equipo electrónico sensible, aspectos de la función oculomotora pueden ser precisa y objectively cuantificado. Esto facilita el estudio detallado de los propios movimientos de los ojos, pero también les permite ser usados ​​como una herramienta para investigar otras áreas de la neurofisiología y la fisiopatología.

Ojo medición de movimiento puede proporcionar información útil sobre los estados de enfermedad. Los movimientos oculares sacádicos han recientemente, por ejemplo, recibió tanta atención como posibles marcadores biológicos en los trastornos neurodegenerativos, incluyendo las enfermedades de Huntington y Parkinson ^{4,5 6,7,} y es bien establecido que los tiempos de reacción sacádicos tienden a ser más lenta de lo normal en estas condiciones. Los usos potenciales de medición sacádicos incluyen ayudas para el diagnóstico y seguimiento de la enfermedad. tareas sacádicos van desde la prosaccade sencilla (mirando lo más rápidamente posible hacia un estímulo visual que aparece de repente a la izquierda o la derecha) para tareas más complejas tales como la antisacádica (mirando lo más rápido posible hacia el lado opuesto a un estímulo visual) o memoria- sacada guiada (mirandohacia el lugar acordado de un objetivo que ya no está allí).

La estimulación cerebral profunda es un tratamiento eficaz para varias condiciones neurológicas. Se utiliza más comúnmente para tratar los síntomas motores de la enfermedad de Parkinson incluyendo temblor, rigidez, bradicinesia, y discinesia. También se utiliza para otros trastornos del movimiento incluyendo distonía y el temblor esencial, y con menos frecuencia para el dolor neuropático, epilepsia, y condiciones psiquiátricas como el trastorno obsesivo compulsivo. Es el único escenario en el que los científicos tienen acceso eléctrico directo a las estructuras profundas del cerebro humano in vivo y por lo tanto ofrece una valiosa oportunidad para la neurología experimental. Una variedad de objetivos son estimulados dependiendo de la afección a tratar, incluyendo varios lugares en los ganglios basales, muchos de los cuales están implicados en las vías oculomotores. Esto significa que una amplia gama de estudios puede llevarse a cabo utilizando el sistema de DBS para entregar estimulacióna una ubicación cerebro dado y un dispositivo de seguimiento de los ojos para registrar y analizar sus efectos. Dependiendo del paradigma experimental, estos estudios pueden proporcionar información acerca de la fisiología de la región que está siendo estimulado, los efectos de la enfermedad, o el mecanismo por el cual DBS está trabajando en ese entorno particular. En este artículo se describe un enfoque general de la prueba de movimiento ocular sacádico en pacientes de estimulación cerebral profunda.

Existen varios tipos diferentes de equipos de seguimiento de los ojos están disponibles. Para la investigación descrita en este protocolo se utilizó un saccadometer portátil para registrar los movimientos oculares sacádicos horizontales. Saccadometers portátiles tienen la ventaja de no requerir apoyacabezas (véase la Figura 1), lo que significa que las sesiones son más cómodos para los pacientes con enfermedad de Parkinson, especialmente para aquellos que sufren de discinesias severas. El saccadometer usada aquí es ligero y aproximadamente 5 cm de ancho y 10 cm de altura. El measu saccadometermovimientos oculares cosa por el uso de oculografía infrarroja directa: una fuente de infrarrojos y un sensor colocado en frente de la luz medial uso canto reflejada desde la córnea para establecer la posición de rotación del globo ocular en intervalos de milisegundos. Con el fin de adquirir datos de buena calidad para el análisis de la saccadometer debe muestra a una velocidad de al menos 1 kHz con al menos una resolución de 12 bits. En el saccadometer utilizado aquí los estímulos visuales fueron tres de color rojo 13 cd ^m-2 puntos de luz producida por el láser construida en baja potencia, cada punto que subtiende unos 0,1 grados, con un punto en la línea media y los otros dos a ± 10 grados (es decir, , a la derecha ya la izquierda).

Figura 1. El Saccadometer. Cabeza montada saccadometer unido a una banda elástica y descansando sobre el puente de la nariz. Cuatro láseres en miniatura proyectan objetivo visuals sobre una superficie mate, y movimientos de los ojos de los participantes se miden por los transductores de reflectancia de infrarrojos diferenciales en el lado nasal de cada ojo. Como los objetivos de láser se mueven con la cabeza, no son necesarios los reposacabezas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

El comité de ética local aprobó el estudio y conocimiento de causa su consentimiento se obtuvo de los participantes como se detalla a continuación en el apartado 1.

1. El consentimiento del participante

1. Proporcionar a los participantes una hoja de información que explica en detalle lo que la sesión de pruebas incluirá.
2. Después de que los participantes tienen la oportunidad de leer y discutir cualquier pregunta, duda u otros asuntos relacionados a su participación en el estudio, ir a través del formulario de consentimiento con ellos, explicando cada punto en el formulario de consentimiento y darles la oportunidad de formular las preguntas que pudieran tener. Pídale al participante que complete el formulario.

2. Configuración de la Saccadometer

1. Coloque el dispositivo sobre la cabeza del paciente, asegurado por una correa elástica ajustable y que descansa sobre el puente de la nariz. Debido a que los estímulos se mueven exactamente con la cabeza, no reposacabezas es necesario y el dispositivo es cómodo de WEAr.
2. Pedir al paciente que se siente en el 1,5 m de una pantalla plana mate.
3. Asegúrese de que la iluminación ambiental es tenue, así que los estímulos (puntos de luz roja) se ven claramente.

3. Grabación de una sesión sacádica

Nota: A modo de ejemplo, se describe aquí un protocolo estándar que pone a prueba tanto prosaccades y antisaccades ^8. Este protocolo consiste en cinco bloques: 60, 40 prosaccades antisaccades x 3, y 60 prosaccades con un descanso de 1 minuto entre bloques. La sesión dura unos 40 minutos.

1. Configurar el saccadometer de modo que para cada ensayo se muestra el objetivo central de la fijación de un periodo aleatorio delantera de 1,0 - 2,0 segundos, después de lo cual se extingue y aparece uno de los objetivos periféricos, al azar a la derecha o izquierda ^9.
   Nota: Los tres objetivos son puntos de luz roja proyectada sobre la pantalla delante del participante (véase el punto 2.2) por los láseres de baja potencia integrado en el saccadometer. El aut saccadometerinterruptores omatically los láseres de encendido y apagado para la pantalla / apagar las metas en la secuencia necesaria.
2. Instruir al participante que la prueba consta de cinco bloques con un descanso de un minuto entre bloques.
3. Antes del primer bloque de instruir al participante para mover sus ojos tan rápida y precisa como sea posible para seguir el punto rojo que salta del centro hacia un lado o el otro y darles instrucciones para hacer esto 60 veces.
4. Ajuste el saccadometer para generar una secuencia de 60 ensayos. Pulse el botón en el saccadometer para iniciar el primer bloque de ensayos (prosaccades).
5. Después de la terminación del primer bloque, deje un espacio un minuto antes del segundo bloque. Restablecer el saccadometer para generar una secuencia de 40 ensayos, y hacia el final de la brecha minuto, instruir al participante para el siguiente bloque de mover los ojos tan pronto como sea posible en la dirección opuesta al punto rojo, y explicar que lo harán ser requeridos para hacer esto 40 veces. Iniciar el secEn segundo bloque de ensayos (antisaccades).
6. Después de la terminación del segundo bloque, dejar un mayor espacio de 1 min, repita la instrucción en el paso 3.5 e iniciar el tercer bloque de ensayos (antisaccades).
7. Después de la terminación de la tercera bloque, dejar un mayor espacio de 1 min, repita la instrucción en el paso 3.5 e iniciar el cuarto bloque de ensayos (antisaccades).
8. Una vez completada la cuarta bloque, dejar un mayor espacio de 1 min, y explicar que para el bloque final de las pruebas a los participantes que mover sus ojos tan rápida y precisa como sea posible para seguir el punto rojo que salta del centro hacia un lado o el otra, exactamente como lo hicieron en el primer bloque.
9. Restablecer el saccadometer para generar una secuencia de 60 ensayos, e iniciar el bloque final de los ensayos (prosaccades).

Figura 2. Tareas movimiento del ojo. Illustrati esquemáticosen la que muestra dos ejemplos de tareas sacádicos. La mancha de color azul representa el blanco y el círculo azul de puntos representa la zona de fijación. IZQUIERDA muestra una tarea prosaccadic donde está el tema impulsó a buscar hacia el objetivo. Derecha muestra una antisacádica en la que se pide al sujeto que apartar la mirada del estímulo visual . Esto requiere la inhibición de la respuesta prosaccade más natural y generación de una sacada en la dirección opuesta. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. Configuración del estimulador cerebral profunda

Nota: Para los participantes con estimuladores cerebrales profundos realizar las pruebas hasta ahora con el sistema estimulador se ejecuta como normal, es decir, un conjunto de datos 'en la estimulación' se ha obtenido. Las pruebas ahora debe repetirse con el sistema estimulador apagado (para el control de los participantes sanos sin sistemas DBS no se aplicará esta sección).

1. Cambiar el sistema DBS fuera. Para ello, un personal clínico entrenado. Permitir 30 minutos antes de la prueba.
2. Repita la prueba sacádicos (pasos 3.2 a 3.9) para obtener un conjunto completo de datos "fuera de estimulación".
3. Cambiar el sistema DBS de nuevo (de nuevo este debe ser realizado por personal clínico entrenado adecuadamente).

Análisis 5. Datos

Nota: Para los participantes con estimuladores cerebrales profundos realizar las pruebas hasta ahora con el sistema estimulador se ejecuta como normal, es decir, un conjunto de datos 'en la estimulación' se ha obtenido. Las pruebas ahora debe repetirse con el sistema estimulador apagado (para los participantes de control sanos y sin sistemas DBS esta sección no se aplicarán).

1. Descargar los datos en bruto de la saccadometer a un ordenador para su análisis.
2. Utilice el programa de software del saccadometer para excluir movimientos sacádicos distorsiónTed por parpadeos y movimientos de la cabeza, y las variables para calcular incluyendo latencias sacádicos, velocidades máximas, y amplitudes.
   Nota: Los registros contaminados por los movimientos de la cabeza excesivas o parpadea se eliminan automáticamente por el software.
   1. Retire las sacadas con una latencia inferior a 80 ms o superior a 1.000 ms.
      Nota: la latencia sacádico se calcula automáticamente utilizando un algoritmo de detección de movimiento sacádico basado en la velocidad y la aceleración. El inicio de una sacada se identifica como el punto en que la velocidad del ojo es superior a un umbral de 5 grados / seg.

Results

La figura 3 muestra un ejemplo de sacádicos trayectorias de movimiento del ojo, a partir de paciente de la enfermedad de Parkinson con un sistema de DBS núcleo subtalámico implantado. Los dos gráficos de trazado de prosaccades del paciente con el sistema estimulador apagado (gráfico superior) y encendido (gráfico inferior). Cada traza en los gráficos muestra la trayectoria de un solo sacada, es decir, cómo la posición del ojo en grados lejos de la línea media (e...

Discussion

El factor más crítico en la obtención de datos sacádicos buena calidad es asegurar que las instrucciones dadas al participante son claras y precisas. Por ejemplo, si las instrucciones para la tarea antisaccadic no están del todo claras, el participante es probable que ejecute prosaccades lugar. Las grabaciones también pueden estar en mal estado si el participante no puede ver claramente los estímulos o la saccadometer no puede medir con precisión la posición del ojo. Así, si los datos parecen ser de baja calidad que el ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dispositivo de sacaparómetro	Ober Consulting Poland
Computadora con software de entorno
, medidor de latencia para descargar los datos brutos del sacaparómetro