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

La cirugía de estimulación cerebral profunda ofrece la oportunidad de examinar la información y la codificación en el cerebro humano despierto mediante la toma de grabaciones de microelectrodos en un sujeto humano que realiza tareas conductuales. En este ejemplo, los sujetos primero son entrenados para jugar un simple juego de cartas de computadora que involucra riesgo y recompensa. A continuación, se prepara al sujeto para la estimulación cerebral profunda, la cirugía, y se insertan microelectrodos en la región objetivo del cerebro.

En este caso, las señales neuronales STN se registran a medida que el sujeto se repite. El juego de cartas. Los datos recopilados demuestran el papel del riesgo y la recompensa en la codificación neuronal en el STN.

Aunque los objetivos del experimento pueden variar dependiendo del núcleo objetivo de la cirugía. Al principio, la DVS se utilizaba principalmente para trastornos motores como el temblor esencial, el Parkinson y la distonía. Más recientemente se está utilizando para la investigación de tratamientos para la depresión y el trastorno obsesivo compulsivo.

Por lo tanto, esta tarea tiene un componente contingente tanto motor como de recompensa que registramos en el núcleo subtalámico, que se encuentra en la interfaz de los sistemas motor y límbico del cerebro. Esta paciente es una señora de 62 años. Es muy simpática.

Tiene la enfermedad de Parkinson desde hace unos 10 años. Y las características clásicas del Parkinson las tiene, por lo que tiene temblor, rigidez y lentitud de movimientos. Y al principio respondió bien a los medicamentos, lo cual es una buena señal porque nos dice que se trata de una verdadera enfermedad de Parkinson.

Pero luego, como en muchos casos, con el tiempo, los medicamentos se vuelven menos efectivos. Básicamente, los pacientes se vuelven frágiles, de modo que cuando deja de tomar su medicación, tiene síntomas realmente graves de la enfermedad de Parkinson. Es trémula, es rígida, es lenta.

Y luego, cuando toma sus medicamentos, tiene un tipo diferente de trastorno del movimiento llamado discinesia, en el que se mueve demasiado y ya no hay un término medio feliz. Así que ese es el momento en que la cirugía es una intervención útil porque realmente se deshace de esas profundas fluctuaciones de entrada y salida y pone a las personas en equilibrio. Y, básicamente, están en su mejor momento de lo que estarían tomando su medicación.

Así que ese es el objetivo de la cirugía. Y la cirugía en sí, que nos dirigimos a dos partes del cerebro, están potencialmente disponibles. Uno de ellos se llama núcleo subtalámico.

Eso es lo que hicimos hoy. Y uno de ellos se llama globo palus internista. Y ambos son más o menos igual de efectivos.

Y la forma en que nos dirigimos a ellos es que usamos una combinación de cosas. Lo hacemos estereotácticamente mediante tomografía computarizada y resonancia magnética. Nos dirigimos a ellos utilizando la fisiología mediante el registro de microelectrodos.

Y esos son muy importantes porque nos dicen, ya sabes, en un nivel muy alto de resolución espacial, los límites del núcleo, los límites superiores inferiores, y nosotros, y no solo eso, sino asegurarnos de que estamos en la parte motora del núcleo. Y finalmente, cuando colocamos el electrodo permanente, volvemos a estimular a través de él para confirmar que estamos en el lugar correcto. Así que estamos haciendo todas estas cosas de todos modos para tratar al paciente.

Y estamos haciendo las grabaciones de microelectrodos de todos modos, por lo que esto solo nos da una ventana cuando tenemos los microelectrodos en su lugar. Es una oportunidad única para estudiar la actividad neuronal en el cerebro humano, que de otro modo nunca podrías hacer. Pero como lo estamos haciendo de todos modos y los electrodos están allí de todos modos, entonces nos tomamos de 20 a 30 minutos adicionales para hacer, ya sabes, cualquier experimento que nos interese.

Y, por lo general, son experimentos que tienen que ver con el control motor, la toma de decisiones, el aprendizaje o la motivación, ese tipo de cosas. Y casi todos ellos implican, ya sabes, una pantalla de video y alguna tarea simple que el sujeto hace, ya sea mover un joystick o presionar un botón, ese tipo de cosas. Los registros de microelectrodos se realizan de forma rutinaria durante la cirugía de ECP, lo que brinda una oportunidad única para que los investigadores registren los patrones de disparo de las neuronas individuales mientras un sujeto realiza una tarea de comportamiento.

Como parte de la cirugía de estimulación cerebral profunda para la enfermedad de Parkinson, los pacientes ingresan en el hospital un día antes de la cirugía. Esto brinda la oportunidad de entrenar al paciente en la tarea conductual antes de la operación. Esta oportunidad resulta extremadamente útil cuando la tarea conductual es cognitivamente desafiante.

El día de la cirugía, se instala un equipo de comportamiento portátil para el sujeto, en el caso de que el sujeto esté entrenado la noche anterior a la cirugía, el equipo está equipado con exactamente la misma tarea de comportamiento, que el sujeto debe realizar durante la operación. En este ejemplo, se le pide al sujeto que juegue un juego de cartas similar al juego de la guerra. En el juego, el sujeto apuesta 20 o 5 a si su carta es más alta que la de la computadora.

La intención de esta tarea es ensayar el papel de la recompensa y el riesgo en la codificación neuronal en un núcleo oftálmico como un medio para reducir las combinaciones potenciales y los factores de confusión resultantes. Solo se utilizan cartas con números pares de un solo palo en cada prueba. El sujeto primero ve una pantalla que representa su carta repartida al azar y el reverso de la tarjeta de la computadora desconocida.

A continuación, la pantalla muestra dos opciones de apuesta, 5 y 20, en función de la fuerza relativa de su carta. El sujeto indica la apuesta con solo presionar un botón, después de lo cual la pantalla muestra su tarjeta y la tarjeta de la computadora revelada. La pantalla final muestra explícitamente la cantidad ganada o perdida.

Al sujeto se le permite jugar el juego hasta que comprenda completamente las reglas y pueda desempeñarse a un nivel cómodo. Ahora veamos la configuración experimental intraoperatoria del día después del entrenamiento. Una vez que el sujeto se haya colocado en la mesa quirúrgica, lleve el equipo que contiene el equipo de adquisición de datos de comportamiento y procesamiento de señales al quirófano.

El posicionamiento del equipo debe tener en cuenta el flujo de trabajo normal y los problemas de esterilidad relacionados con la configuración del quirófano. A medida que los componentes de estos equipos se ensamblan y desmontan para cada sesión de grabación, es vital verificar todas las conexiones del equipo. Por lo tanto, como cada componente está conectado al sistema de adquisición de datos, verifique la integridad del primer arranque de datos, la adquisición y el equipo de procesamiento de señales.

Conecte las salidas del equipo de procesamiento de señales a las entradas del equipo de adquisición. En este estudio, se adquieren tres canales de potencial de acción extracelular, correspondientes a tres electrodos orientados a paraag que se introducen en el cerebro del sujeto durante la cirugía. Encienda los amplificadores de uno en uno para asegurarse de que el sistema de adquisición esté adquiriendo las señales.

Con un adaptador adecuado, fije el monitor a la mesa de quirófano en una posición de visualización cómoda. Asegúrese de que la mano del sujeto esté cómodamente posicionada para operar el dispositivo de entrada utilizado durante la tarea. Ahora inicie el sistema de comportamiento y asegúrese de que la plataforma de adquisición esté capturando los marcadores de eventos de comportamiento.

Comience la tarea conductual y permita que el sujeto realice algunas pruebas de la tarea durante este tiempo. Asegúrese de que el sistema de adquisición esté capturando las entradas de la caja de botones y los marcadores de comportamiento generados por el equipo de comportamiento con los experimentos configurados y listos para ejecutar. Veamos cómo se aíslan quirúrgicamente las neuronas STN.

Los objetivos de la cirugía son colocar derivaciones de DBS crónica en la región motora del STN. El desplazamiento se logra a través de una combinación de imágenes estereotácticas y registros neurofisiológicos en el Mass General Hospital. Se coloca un marco estereotáctico de Cosman Roberts Wells y una jaula fiducial y se obtiene una tomografía computarizada de la cabeza.

La tomografía computarizada con fiduciales se fusiona con una resonancia magnética cerebral volumétrica obtenida previamente en un sistema de neuronavegación. En el quirófano, el paciente se coloca cómodamente en una posición semirreclinada y se prepara y cubre con la técnica quirúrgica estándar. Las coordenadas del STN izquierdo se programan en el marco, que se coloca en el paciente.

El cirujano incisivos y retrae la piel. Se colocan agujeros de fresa y se crea una pequeña abertura dura. Las cánulas conectadas a un microaccionamiento se colocan en su posición y avanzan hasta que la punta de la cánula está 25 milímetros por encima del objetivo.

Una vez que las cánulas avanzan hacia el cerebro, los estilos internos se retiran y se reemplazan con microelectrodos de alta impedancia. Los equipos de procesamiento de señales, los preamplificadores están conectados a cada electrodo y el canal de referencia diferencial está conectado a la cánula exterior. En la plataforma de procesamiento de señales, encienda los amplificadores y evalúe la señal extracelular o extracelular.

Además, verifique la impedancia de cada electrodo antes de avanzarlo más en el cerebro. Una vez que se ha revisado todo, el cirujano avanza el electrodo lentamente con pasos de 0,05 a 0,4 milímetros en el cerebro. Los electrodos avanzaron a partir de 25 milímetros desde el objetivo calculado hacia el S St N. Esta trayectoria da como resultado que el electrodo pase a través del núcleo ocho de la CAU, el tálamo, la zona Serta y finalmente en el SDN.

Una vez que los electrodos han entrado en el SDN, el fisiólogo manipula las extremidades contralaterales del paciente como medio para establecer si la señal neuronal responde a las motoras. Cuando el cirujano y el experimentador están satisfechos con la posición de los electrodos, se puede iniciar la tarea conductual. Antes de comenzar la tarea conductual, es importante documentar la profundidad de los microelectrodos y la capacidad de respuesta motora de la neurona aislada.

A continuación, instruya al sujeto que comenzará la tarea. Asegúrese de que la caja de botones aún esté colocada cómodamente y que el monitor esté completamente visible. Inicie la adquisición de datos y adquiera la actividad de referencia durante al menos un minuto antes de comenzar la tarea de comportamiento.

A medida que el sujeto realiza la tarea, es importante monitorear los datos capturados. Con cualquier interrupción en la adquisición, la tarea debe detenerse y el problema rectificarse. Las tareas se pueden realizar varias veces para cada profundidad.

En el STN, sin embargo, el registro experimental se limita a 30 minutos para evitar molestias al paciente y prolongaciones indebidas de la cirugía. Empecemos. ¿Puedes abrir y cerrar tu mano para mí usando una bombilla?

Bien. Vamos a ir con el pie derecho. Repite después de mí. Me encanta el pudín de tapioca.

Tomé un tren a Topeka, Kansas. Aquí se muestran resultados representativos de una sola neurona STN registrada durante el juego de guerra. Los RA se representan centrados en cuatro épocas conductualmente relevantes en la tarea, el período de fijación antes de cada prueba, la presentación de la tarjeta del sujeto, la pulsación del botón que indica la apuesta del sujeto y la presentación de la tarjeta de la computadora que se muestran aquí son histogramas de tiempo de flexión por estímulo.

Esta neurona no responde de manera robusta a la presentación de la tarjeta del sujeto, pero aumenta significativamente su disparo alrededor de la pulsación de un botón. Esta actividad dura hasta que se revela la tarjeta de la computadora, momento en el que el disparo disminuye a niveles básicos. Esta técnica mide las respuestas de las neuronas individuales en el cerebro.

También se puede combinar con otras medidas de la actividad neuronal, que miden las respuestas de la población, como la resonancia magnética funcional o la magnetoencefalografía. Una vez dominada, esta técnica se puede configurar e implementar en el quirófano en 25 minutos. Trabajar con humanos en el quirófano conlleva una serie de limitaciones, como la esterilidad, el tiempo y, lo que es más importante, el bienestar del paciente.

Por lo tanto, tenga en cuenta estos puntos durante todas las fases del estudio.