Enregistrement de l’activité neuronale corticale et sous-corticale à l’aide de systèmes d’électrodes

Résumé

Source : Trenado, C., et al. Enregistrements neurophysiologiques de surface invasifs, sous-corticaux et non invasifs combinés pour l’évaluation des fonctions cognitives et émotionnelles chez l’homme. J. Vis. Exp. (2016).

Cette vidéo montre le processus d’enregistrement de l’activité neuronale corticale et sous-corticale à l’aide d’électroencéphalographies (EEG) et d’électrodes de stimulation cérébrale profonde (DBS) lors d’un test de stimulation visuelle basé sur l’attention.

Protocole

Toutes les procédures impliquant des participants humains ont été effectuées conformément aux directives institutionnelles, nationales et internationales en matière de bien-être humain et ont été examinées par le comité d’examen institutionnel local.

1. Conception du paradigme expérimental et consentement du patient

REMARQUE : Concevez un paradigme expérimental ou sélectionnez un paradigme expérimental existant pour cibler un aspect cognitif/émotionnel d’intérêt.

1. Sélectionnez les patients qui subiront un traitement DBS. Demandez si le patient répond aux critères d'inclusion de l'étude. Si oui, obtenir le consentement éclairé signé du patient et/ou de la commission éthique (le cas échéant) pour effectuer un enregistrement postopératoire et appliquer le paradigme cognitif respectif.
   note: L’enregistrement postopératoire a lieu le lendemain d’une première chirurgie DBS pour l’implantation d’électrodes DBS (avec leur extériorisation correspondante de la tête au moyen de câbles spéciaux) et avant qu’une seconde intervention chirurgicale ne soit réalisée pour l’implantation permanente d’électrodes et de stimulateurs DBS.
   1. Dans la tâche Flanker (exemple 1), obtenez le consentement éclairé signé d'un patient atteint d'un trouble du mouvement (par exemple, la maladie de Huntington ou la maladie de Parkinson) pour effectuer un enregistrement postopératoire. L'objectif de l'expérience de Flanker est de tester la capacité du patient à s'adapter au comportement d'erreur et de déterminer comment cette adaptation se reflète dans l'activité oscillatoire cérébrale aux niveaux cortical et sous-cortical.
      REMARQUE : Le choix d'un patient est dicté par le mécanisme cognitif à aborder et le trouble du patient. Dans l’exemple de cas DBS-DOC (exemple 2), une patiente atteinte de DOC qui a subi un traumatisme crânien à l’âge de 38 ans a été sélectionnée. En raison de l'état du patient limitant le consentement éclairé, le traitement par SCP et la participation expérimentale ont été approuvés uniquement par la commission d'éthique locale. L’objectif principal de l’enregistrement postopératoire DOC était de déterminer si la fonction cérébrale en relation avec le traitement cognitivo-émotionnel était toujours intacte chez un patient présentant un trouble de la conscience aussi grave.
2. Choisissez entre le type de stimulus à présenter (auditif, visuel). Identifiez l’ordre de présentation du stimulus (bloc ou plan mixte). Sélectionnez la durée du stimulus, l’intervalle entre les stimuli (ISI) et le nombre d’essais.
   1. À titre d’exemple pratique, effectuez la tâche Flanker (exemple 1, figure 1A), pour examiner la capacité d’adapter le comportement en réponse à l’engagement d’erreurs de réponse. Cette tâche consiste en des stimuli visuels (pointes de flèches flanquées disposées verticalement).
   2. Flanquez le stimulus cible (pointe de flèche au centre) de deux flèches adjacentes (au-dessus et en dessous de la cible) pointant dans la même direction (compatible) ou opposée (incompatible). De plus, envisagez d’arrêter les procès (cercle au centre).
   3. Présentez la cible à gauche ou à droite, et demandez au participant d’appuyer sur un bouton de réponse avec son pouce gauche ou droit. Dans les essais d’arrêt, demandez aux participants de ne pas répondre. Présentez les flanqueurs 200 ms avant la cible. Affichez l’objectif pendant 300 ms et réglez l’intervalle de stimulus de réponse sur 2 000 ms (le temps écoulé est indiqué par une tonalité de repère). Présentez un total de quatre blocs de 120 stimuli chacun dans cette tâche. Présenter des stimuli compatibles (60 %), incompatibles (20 %) et stop-trial (20 %) de manière aléatoire.
      note: Cette valeur d’intervalle de stimulus a été choisie pour éviter un grand nombre d’essais manqués lors de l’examen de patients handicapés moteurs. Les flanqueurs et les cibles ont été éteints simultanément, et les patients ont reçu l’instruction de réagir le plus rapidement possible.
      note: Dans l’exemple de cas DBS-DOC (exemple 2, figure 1B), le paradigme expérimental consistait en des stimuli de parole neutres non adressables et familiers26 dans un plan de bloc. La durée du stimulus a été fixée à 4 secondes (avec un intervalle aléatoire de 4 à 5 secondes entre les stimulus). Au total, 80 essais par affection ont été pris en compte dans ce paradigme (Figure 1B).
3. Visualisez les contraintes et les besoins physiques du patient dans un enregistrement postopératoire. Plus précisément, déterminez si le patient est capable d'utiliser le clavier de l'ordinateur en tenant compte de la présence de mouvements excessifs de chorée (maladie de Huntington) ou de tremblements (maladie de Parkinson).
   1. Assurez-vous que le patient peut voir le moniteur (car l’anesthésique local ou le cadre stéréotaxique appliqué lors de la chirurgie DBS peut avoir causé un gonflement du visage et autour des yeux) et s’asseoir confortablement pendant toute la durée de l’expérience. N’effectuez pas l’expérience si le patient ne remplit pas ces conditions.

2. Configuration pour les enregistrements postopératoires sous-corticaux (potentiels de champ local ou LFP) et de surface (EEG)

1. Installez l’appareil EEG (voir Matériel dans les dossiers complémentaires) dans la pièce où l’expérience sera menée. Connectez l’ordinateur d’enregistrement au système EEG. Démarrez le logiciel d’enregistrement EEG (voir « matériaux » dans les fichiers supplémentaires).
2. Cliquez sur « Fichier » puis sur « Nouvel espace de travail » pour définir l’espace de travail dans le logiciel d’enregistrement EEG en spécifiant : une fréquence d’échantillonnage de 5 kHz, une fréquence de coupure basse (DC) et une fréquence de coupure haute (1 000 Hz), des canaux EEG selon le système international 10/20 (au moins : fronto-central (Fz), centro-central (Cz), fronto-polaire de référence (Fpz) et fondamental (mastoïde) et selon le paradigme en outre pariéto-central (Pz), canaux occipito-central (Oz), temporal (T3/T4), fronto-médial (F3/F4), fronto-latéral (F7/F8) (Figure 2D) et LFP (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 (hémisphère gauche, Figure 2C) ; LFPR0, LFPR1, LFPR2 et LFPR3 (hémisphère droit)). Cliquez sur « Surveiller » pour vérifier que les canaux spécifiés sont maintenant configurés pour l’enregistrement.
   note: L'espace de travail doit être préparé à l'avance afin de minimiser le temps d'expérience et de superviser les changements inattendus dans la configuration de l'enregistrement. Cela garantira la résolution temporelle la plus élevée, des paramètres de filtre corrects, un taux d’échantillonnage adéquat et une sélection appropriée des canaux d’intérêt.
3. Configurez l’ordinateur de stimulus en connectant le port parallèle au système EEG. Démarrez le logiciel de stimulus. Cliquez sur « exécuter » pour vérifier la fonctionnalité du paradigme sur l'écran de l'ordinateur (stimuli visuels) et/ou sur les haut-parleurs (stimuli auditifs, indices sonores). Assurez-vous que les marqueurs (déclencheurs) de l'ordinateur de stimulus sont lus dans le système d'enregistrement pendant la présentation des stimuli et la réponse du sujet en vérifiant leur apparence sur le logiciel d'enregistrement EEG.
   note: Les déclencheurs de dispositifs de stimulus doivent avoir une durée d’au moins 200 μs pour être détectés par le système EEG (avec une fréquence d’échantillonnage de 5 kHz). Étant donné que les déclencheurs sont des marqueurs d’événements liés à des événements ou d’activités liées à des événements évoqués qui se produisent à une période de temps spécifiée, leur fonction est cruciale pour l’analyse des données a posteriori. Dans l’exemple de cas DBS-DOC (exemple 2), le paradigme expérimental (figure 1B) consistait en des stimuli auditifs (voix familières et inconnues), de sorte que des déclencheurs ont été mis en place au début et à la fin de chaque stimulus présenté. Dans le cas de la tâche Flanker (Figure 1A), des déclencheurs ont été mis en place à l’instant où 1) les stimuli Flankers et cibles apparaissent, 2) le patient répond et 3) un signal sonore est entendu pour informer le patient que le temps de réponse est écoulé.
4. Marquez le sommet de la tête du patient comme le point médian entre la nasion et l'ionion à l'aide d'un marqueur cutané et en suivant les conseils d'un neurologue expérimenté ou d'un spécialiste EEG. De plus, marquez les positions d’électrodes EEG choisies à l’aide du système 10-20. Fixez les électrodes de surface EEG sur le cuir chevelu en nettoyant d’abord chaque endroit sélectionné avec un tampon d’alcool isopropylique, puis en utilisant une pâte abrasive.
   note: De telles actions sont limitées par la mise en place de bandages sur la tête du patient atteint de SCP. Cependant, un neurologue expérimenté devrait être en mesure de définir un emplacement approprié (approximatif) pour chaque électrode/canal. Pour assurer un bon contact, écartez les cheveux (le cas échéant). En raison de leur facilité de mise en place, des électrodes autocollantes fixées par du ruban chirurgical peuvent être utilisées.
5. Connectez les électrodes DBS externalisées à une extension percutanée. Connectez l’extension percutanée au connecteur de câble externe. Connectez chaque électrode fournie par le connecteur de câble externe au boîtier de commande EEG selon la configuration de l’enregistrement EEG. Connectez les électrodes du cuir chevelu EEG au boîtier de commande EEG en branchant d’abord la terre et la référence.
6. Fixez des électrodes EMG (électrodes de référence et électrodes actives) sur les muscles spécifiés en nettoyant d’abord la zone avec un tampon d’alcool isopropylique. Ensuite, connectez les électrodes EMG au boîtier de contrôle EEG.
   note: Cette étape est facultative et principalement réalisée lorsque les tâches motrices sont considérées dans le paradigme ou lorsqu’un suivi de l’activité des muscles est nécessaire, comme dans le cas des patients atteints de troubles moteurs.
7. Cliquez sur « Surveiller » pour visualiser les données. Assurez-vous que les signaux EEG et EMG affichés sur le moniteur sont exempts d’artefacts en détectant la présence de tremblements et de composants haute fréquence superposés. Vérifiez les directives sur les types d’artefacts et d’autres facteurs liés à l’enregistrement des signaux électroencéphalographiques35 et/ou demandez des conseils techniques à un neurologue ou à un neuroscientifique expérimenté jusqu’à ce que vous vous familiarisiez avec le type de perturbations présentes dans ces enregistrements physiologiques.
   note: Cette étape est importante pour garantir des signaux de haute qualité pour l’analyse des données hors ligne.

3. Enregistrement de l’activité cérébrale sous-corticale (LFP) et de surface (EEG) postopératoire

1. Fournir des instructions au patient. Assurez-vous que le patient est à l’aise et demandez-lui d’arrêter l’expérience à tout moment d’inconfort.
2. Cliquez sur « exécuter » sur le logiciel de stimulus afin que le patient puisse voir le paradigme sur le moniteur et/ou écouter les tonalités et les sons des indices. Effectuez une séance de formation avec le patient jusqu’à ce qu’il soit à l’aise avec la tâche. Démarrer l’enregistrement simultané de l’activité cérébrale sous-corticale (LFP) et corticale (EEG) pendant que le patient effectue la tâche expérimentale.
   note: Dans le cas de l’exemple DBS-DOC (exemple 2), le paradigme consistait en des stimuli auditifs dans un plan de bloc comme décrit à la figure 1B. Dans le cas de la tâche Flanker (Figure 1A), des stimuli visuels correspondant à trois conditions (compatible (60 %), incompatible (20 %) et stop-trial (20 %)) ont été présentés au hasard à l’intérieur de chaque bloc (plan mixte), chaque bloc était composé de 120 stimuli et le paradigme était composé d’un total de quatre blocs. Une fois la tâche finalisée, les données sont stockées sur le disque dur de l’ordinateur d’enregistrement pour un dépistage hors ligne ultérieur et une analyse quantitative.

Résultats

Figure 1 : Exemples de paradigmes expérimentaux. (A) (Exemple 1) Tâche de flanker : le stimulus cible (pointe de flèche au centre) est flanqué de deux flèches adjacentes (au-dessus et en dessous de la cible) pointant soit dans la même direction (compatible) soit opposée (incompatible), des essais d’arrêt (cercle au centre) ont également été envisagés. Lorsque la cible est pointée vers la gauch...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Amplificateur BrainAmp	Brain Products GmbH, Gilching Allemagne		Quantité : 2
Logiciel d’enregistrement BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching Allemagne		1 Licence
Logiciel d’analyse BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching Allemagne		1 Licence
Câbles à fibre optique et connecteurs USB	Brain Products GmbH, Gilching Allemagne		Ceux-ci sont livrés avec l’équipement énuméré ci-dessus
Boîtier d’entrée d’électrode (64 canaux)	Brain Products GmbH, Gilching Allemagne		Quantité : 1
Gel EEG	Natus Inc		Quantité : 1
Alcool isopropylique	Schülke & Mayr GmbH, Allemagne		Quantité : 1
Gel de préparation pour la peau	Weaver and Co, États-Unis		Quantité : 1
MATLAB	Math-Works, Natick, Massachusetts, États-Unis		1 Licence
Boîte à outils FieldTrip	http://www.fieldtriptoolbox.org/		libre
Système INOMED MER	INOMED Corp., Emmendingen, Allemagne		Quantité : 1
Macroélectrodes (modèle 3387 plomb DBS quadripolaire)	Medtronic Inc., Minneapolis, Minnesota, États-Unis		Quantité : 2
Fils d’extension percutanés stériles (modèle 3550-05)	Medtronic Inc., Minneapolis, Minnesota, États-Unis		Quantité : 2
Câble de verrouillage par rotation (modèle 3550-03)	Medtronic Inc., Minneapolis, Minnesota, États-Unis		Quantité : 2
connecteurs sur mesure à des connecteurs DIN 428092 tactiles			Quantité : 2
Vercise Kit de plomb DB -2201	Boston Scientific		Quantité : 2
Kit d’extension de contact NM-3138	Boston Scientific		Quantité : 2
Câble de bloc opératoire et rallonge SC-4100 A	Boston Scientific		Quantité : 2
connecteur à l’épreuve du toucher	Twente Medical Systems International B.V.		Quantité : 2
Scanner Modell PQ2000 (Tomodensitométrie postopératoire)	Philips Healthcare GmbH Hambourg		Quantité : 1
Logiciel de présentation (Flanker Task)	Systèmes neurocomportementaux inc.		1 Licence