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 obtención de registros con microelectrodos en un sujeto humano mientras realiza tareas conductuales. En este ejemplo, primero se entrena a los sujetos para jugar un sencillo juego de cartas en computadora que implica riesgo y recompensa. Luego, se prepara al sujeto para la cirugía de estimulación cerebral profunda, y se insertan microelectrodos en la región diana del cerebro.

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

Aunque los objetivos del experimento pueden variar según el núcleo al que se dirija 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 investigar tratamientos para la depresión y el trastorno obsesivo-compulsivo.

Por lo tanto, esta tarea tiene un componente motor y otro condicionado a la recompensa, que registramos en el núcleo subtalámico, ubicado en la interfaz de los sistemas motor y límbico del cerebro. Esta paciente es una mujer de 62 años. Es muy amable.

Lleva aproximadamente 10 años con enfermedad de Parkinson. Y presenta las características clásicas de la enfermedad de Parkinson, es decir, tiene temblor, rigidez y lentitud de movimiento. Inicialmente respondió bien a los medicamentos, lo cual es una buena señal porque nos indica que se trata verdaderamente de la enfermedad de Parkinson.

Pero luego, como en muchos casos, con el tiempo, los medicamentos pierden eficacia. Básicamente, los pacientes se vuelven inestables, de modo que cuando ella deja de tomar su medicación, presenta síntomas muy graves de la enfermedad de Parkinson. Tiene temblores, rigidez y lentitud.

Y luego, cuando ella toma sus medicamentos, presenta un tipo diferente de trastorno del movimiento denominado discinesia, en el que se mueve en exceso y ya no existe un punto intermedio satisfactorio. Por eso, ese es el momento en que la cirugía resulta una intervención útil, ya que elimina realmente esas intensas fluctuaciones de respuesta y mantiene a los pacientes en un estado estable. Básicamente, se encuentran en su mejor estado posible, similar al que lograrían con la medicación.

Entonces, ese es el objetivo de la cirugía. Y en cuanto a la cirugía misma, existen dos partes del cerebro que son potencialmente accesibles. Una de ellas se llama núcleo subtalámico.

Esto es lo que hicimos hoy. Uno se llama globo pálido interno. Y ambos son aproximadamente igual de efectivos.

Y la forma en que los dirigimos es mediante una combinación de métodos. Lo hacemos de manera estereotáctica utilizando tomografía computarizada (TC) y resonancia magnética (RM). Los dirigimos utilizando fisiología mediante grabaciones con microelectrodos.

Y esos son muy importantes porque nos indican, a un nivel muy alto de resolución espacial, los límites del núcleo, los límites superior e inferior, y no solo eso, sino también para asegurarnos de que estamos en la parte motora del núcleo. Y finalmente, cuando colocamos el electrodo permanente, realizamos nuevamente una estimulación a través de él para confirmar que estamos en el lugar correcto. Así que realizamos todas estas acciones de todos modos para tratar al paciente.

Y de todos modos estamos realizando grabaciones con microelectrodos, por lo que esto simplemente nos brinda una oportunidad cuando los microelectrodos ya están colocados. Es una oportunidad poco común para estudiar la actividad neuronal en el cerebro humano, algo que de otra manera nunca se podría hacer. Pero dado que de todos modos lo estamos haciendo y los electrodos ya están en su lugar, aprovechamos para dedicar otros 20 a 30 minutos adicionales a realizar, ya sabe, cualquier experimento que nos interese.

Y normalmente son experimentos relacionados con el control motor, la toma de decisiones, el aprendizaje o la motivación, ese tipo de aspectos. Y casi todos ellos implican, como se sabe, una pantalla de video y alguna tarea sencilla que realiza el sujeto, ya sea mover una palanca o presionar un botón, ese tipo de acciones. Las grabaciones con microelectrodos se realizan rutinariamente durante la cirugía de estimulación cerebral profunda, lo que brinda una oportunidad única a los investigadores para registrar los patrones de descarga de neuronas individuales mientras un sujeto realiza una tarea conductual.

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

El día de la cirugía, se instala un equipo portátil de conducta para el sujeto, en caso de que este haya sido entrenado la noche anterior a la cirugía; el equipo está equipado con la misma tarea conductual exacta que el sujeto debe realizar intraoperatoriamente. En este ejemplo, se pide al sujeto que juegue un juego de cartas similar al juego de la guerra. En el juego, el sujeto apuesta ya sea 20 o 5 según si su carta es más alta que la de la computadora.

El objetivo de esta tarea consiste en evaluar el papel de la recompensa y el riesgo en la codificación neuronal en un núcleo oftálmico como medio para reducir las combinaciones potenciales y los factores de confusión resultantes. En cada ensayo se utilizan únicamente las cartas de número par de un solo palo. En primer lugar, el sujeto ve una pantalla que muestra su carta repartida al azar y el dorso de la carta desconocida de la computadora.

La pantalla muestra entonces dos opciones de apuesta, 5 y 20, según la fuerza relativa de la carta de la persona. El sujeto indica la apuesta mediante una pulsación de botón, tras lo cual la pantalla muestra su carta y la carta revelada de la computadora. La pantalla final muestra explícitamente la cantidad ganada o perdida.

Se permite que el sujeto juegue el juego hasta que comprenda completamente las reglas y pueda desempeñarse a un nivel cómodo. Ahora veamos el montaje experimental intraoperatorio del día siguiente al entrenamiento. Una vez que el sujeto ha sido colocado sobre la mesa quirúrgica, introduzca en el quirófano el equipo que contiene los dispositivos de adquisición de datos conductuales y de procesamiento de señales.

La colocación del sistema debe tener en cuenta el flujo de trabajo normal y los aspectos de esterilidad relacionados con el entorno del quirófano. Dado que los componentes de estos sistemas se montan y desmontan en cada sesión de grabación, es fundamental verificar todas las conexiones del equipo. Por lo tanto, a medida que cada componente se conecta al sistema de adquisición de datos, compruebe la integridad de los datos desde el primer arranque, así como del equipo de adquisición y 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 potenciales de acción extracelulares, correspondientes a tres electrodos orientados en pará, que se introducen en el cerebro del sujeto durante la cirugía. Encienda los amplificadores uno a la vez para asegurarse de que el sistema de adquisición esté captando las señales.

Mediante un adaptador adecuado, fije el monitor a la mesa de quirófano en una posición cómoda para su visualización. Asegúrese de que la mano del sujeto esté colocada cómodamente para operar el dispositivo de entrada utilizado durante la tarea. Encienda ahora el sistema conductual y verifique que la plataforma de adquisición esté registrando los marcadores de eventos conductuales.

Inicie la tarea conductual y permita que el sujeto realice varios ensayos de la tarea durante este tiempo. Asegúrese de que el sistema de adquisición esté capturando las entradas del botón y los marcadores conductuales generados por el equipo conductual con el experimento configurado y listo para comenzar. Veamos cómo se aíslan quirúrgicamente las neuronas del NST.

Los objetivos de la cirugía consisten en colocar electrodos crónicos de EEC en la región motora del NST. El posicionamiento se logra mediante una combinación de imágenes estereotácticas y grabaciones neurofisiológicas en el Hospital General de Massachusetts. Se coloca un marco estereotáctico Cosman Roberts Wells con una jaula fiducial y se realiza una tomografía computarizada de cabeza.

La TC con marcadores se fusiona con una RMN cerebral volumétrica obtenida previamente en un sistema de neuro-navegación. En el quirófano, el paciente se coloca cómodamente en posición semiflexionada y se prepara y cubre utilizando la técnica quirúrgica estándar. Las coordenadas del NST izquierdo se programan en el marco, que se coloca sobre el paciente.

El cirujano incide y retrae la piel. Se realizan orificios de trépano y se crea una pequeña abertura en la dura. La cánula unida a un microimpulsor se coloca en posición y se avanza hasta que la punta de la cánula esté 25 milímetros por encima del objetivo.

Una vez que las cánulas se avanzan hacia el cerebro, se retiran los estiletes internos y se reemplazan por microelectrodos de alta impedancia. Los equipos de procesamiento de señales, los preamplificadores, se conectan a cada electrodo y el canal diferencial de referencia se conecta a la cánula externa. En el equipo de procesamiento de señales, encienda los amplificadores y evalúe la señal extracelular.

Además, verifique la impedancia de cada electrodo antes de avanzarlo más hacia el cerebro. Una vez que se ha comprobado todo, el cirujano avanza lentamente el electrodo en pasos de 0,05 a 0,4 milímetros hacia el cerebro. Los electrodos se avanzan comenzando a 25 milímetros del objetivo calculado hacia el S St N. Esta trayectoria hace que el electrodo atraviese el núcleo ocho del CAU, el tálamo, la zona Serta y finalmente llegue al SDN.

Una vez que los electrodos han entrado en el SDN, el fisiólogo manipula las extremidades contralaterales del paciente como un medio para determinar si la señal neuronal es sensible a estímulos motores. Cuando el cirujano y el experimentador están satisfechos con la posición de los electrodos, puede iniciarse la tarea conductual. Antes de comenzar la tarea conductual, es importante documentar la profundidad de los microelectrodos y la sensibilidad motora de la neurona aislada.

A continuación, indique al sujeto que la tarea comenzará. Asegúrese de que la caja de botones esté aún cómodamente posicionada y de que el monitor sea completamente visible. Inicie la adquisición de datos y registre la actividad basal durante al menos un minuto antes de comenzar la tarea conductual.

Mientras el sujeto realiza la tarea, es importante supervisar los datos capturados. Ante cualquier interrupción durante la adquisición, se debe detener la tarea y corregir el problema. Las tareas pueden realizarse varias veces para cada profundidad.

En el NST, sin embargo, la grabación experimental se limita a 30 minutos para evitar molestias al paciente y una prolongación excesiva de la cirugía. Comencemos simplemente. ¿Puede abrir y cerrar su mano para mí usando una bombilla?

Bien. Vamos a mover tu pie derecho alrededor. Repite después de mí. Me encanta el pudín de tapioca.

Tomé un tren a Topeka, Kansas. Aquí se muestran resultados representativos de una neurona individual del NST registrada durante el juego de guerra. Las RAs se representan centradas en cuatro épocas conductualmente relevantes de la tarea: el período de fijación previo a cada presentación del cartón del sujeto, la pulsación del botón que indica la apuesta del sujeto y la presentación del cartón de la computadora; aquí se muestran histogramas de frecuencia por tiempo de estímulo.

Esta neurona no responde de manera robusta a la presentación de la tarjeta del sujeto, pero aumenta significativamente su actividad alrededor del momento de presionar el botón. Esta actividad persiste hasta que se revela la tarjeta de la computadora, momento en el cual la actividad disminuye hasta los niveles basales. Esta técnica mide las respuestas de neuronas individuales en el cerebro.

También puede combinarse con otras medidas de actividad neuronal, que evalúan respuestas de población como la resonancia magnética funcional o la magnetoencefalografía. Una vez dominada, esta técnica puede prepararse e implementarse en el quirófano en 25 minutos. Trabajar con seres humanos en el quirófano conlleva varias limitaciones, incluido el tiempo de esterilidad y, lo más importante, el bienestar del paciente.

Así que tenga en cuenta estos puntos durante todas las fases del estudio.