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Combiné Fonctions envahissantes et sous-corticales Surface non-invasive neurophysiologique Enregistrements pour l'évaluation des fonctions cognitives et émotionnelles chez les humains

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DOI :

10.3791/53466

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19 mai 2016

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1Institute of Clinical Neuroscience and Medical Psychology, Medical Faculty, Heinrich-Heine-University, 2Department of Neurology, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf, 3Department of Neurosurgery, Functional Neurosurgery and Stereotaxy, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf

Dans cet article

Résumé

Le présent protocole vise à évaluer les fonctions cognitives-émotionnelles dans les ganglions de la base par l’enregistrement neurophysiologique simultané des potentiels de champ local et de l’activité corticale cérébrale (EEG) non invasive. La procédure est illustrée par l’utilisation de paradigmes impliquant des stimuli de parole à connotation émotionnelle ou la tâche de Flanker impliquant le contrôle cognitif.

Résumé

En dépit du succès dans l'application de l'électroencéphalographie non-invasive (EEG), magnéto-encéphalographie (MEG) et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour extraire des informations cruciales sur le mécanisme du cerveau humain, ces méthodes restent insuffisantes pour fournir des informations sur physiologique processus reflétant les fonctions cognitives et émotionnelles au niveau sous-cortical. À cet égard, les approches cliniques invasives modernes chez les humains, comme la stimulation cérébrale profonde (DBS), offrent une formidable possibilité d'enregistrer l'activité cérébrale sous-corticale, les potentiels de champ à savoir locaux (LFP) représentant l'activité cohérente des ensembles de neurones de ganglions de la base localisée ou régions thalamiques . Nonobstant le fait que les approches invasives chez l'homme sont appliqués seulement après indication médicale et les données ainsi enregistrées correspondent aux circuits cérébraux modifiés, des informations précieuses peut être acquise en ce qui concerne la présence de fonctions cérébrales intactes par rapport au cerveau oscillatoireactivité et la physiopathologie des troubles en réponse à des paradigmes cognitifs expérimentaux. Dans ce sens, un nombre croissant d'études DBS chez les patients atteints de la maladie de Parkinson (PD) cible non seulement les fonctions motrices, mais aussi les processus de haut niveau tels que les émotions, la prise de décision, l'attention, la mémoire et la perception sensorielle. Des essais cliniques récents soulignent également le rôle de la DBS comme un traitement alternatif dans les troubles neuropsychiatriques allant de trouble obsessionnel compulsif (TOC) à des troubles chroniques de la conscience (DOC). Par conséquent, nous nous concentrons sur l'utilisation de (EEG) combinés du cerveau humain envahissantes (PDD) et non-invasives pour évaluer le rôle des structures corticales-corticale dans le traitement creux paradigmes expérimentaux cognitifs et émotionnels (par exemple. Stimuli vocaux à connotation émotionnelle ou paradigmes du contrôle cognitif, comme la tâche Flanker), pour les patients subissant un traitement DBS.

Introduction

Enregistrements neurophysiologiques invasives chez les humains remontent à des études séminales ciblant les enregistrements électrocorticographiques des zones corticales et le cervelet lors de la chirurgie de l' épilepsie et de la recherche de la tumeur 1. Une étape importante dans la poursuite du développement de cette procédure d'enregistrement a été l'introduction de la technique stéréotaxique qui fournit un accès sûr et efficace aux structures profondes du cerveau humain 2. Outre le traitement clinique, le cerveau des approches invasives chez les humains offrent une occasion assez unique pour étudier le fonctionnement du cerveau en relation avec les modèles d'activité enregistrés modulés par des stimuli externes, notamment le cas des enregistrements invasifs intra- et post-opératoires chez les patients subissant une stimulation cérébrale profonde (DBS ) procédures. L'applicabilité et l'utilité de DBS a été abordée dans diverses maladies neurologiques et neuropsychiatriques de la maladie de Parkinson (PD) pour trouble obsessionnel compulsif (TOC) ou dans des conditions telles que chrotroubles de la conscience nic (DOC).

En particulier, DBS a été appliquée dans le traitement de la maladie de Parkinson 3,4,5, le tremblement essentiel 6, dystonie primaire généralisée segmentaire / 7,8,9, la maladie de Huntington 10,11, le traitement résistant à la dépression 12,13, la nicotine et l' alcool 14, la maladie d'Alzheimer , 15,16, le syndrome de Gilles de la Tourette 17 et un trouble de la conscience chronique (MDC) 18,19,20.

Dans le cadre de la neuropsychiatrie, DBS est un traitement approuvé / marquage CE pour le trouble obsessionnel compulsif (TOC) ciblant le membre antérieur de la capsule interne (ALIC) et est en cours d'utilisation ciblant la capsule / ventral striatum / caudé ventrale ventrale (VC / VS), noyau accumbens (Nac) et le noyau subthalamique (STN) 21. En ce qui concerne DBS dans OCD 22, des études récentes mettent l' accent sur ​​le rôle des STN dans le mécanisme de contrôle compulsiftion en utilisant la mémoire-paradigmes basés 23,24,25.

Il convient de noter, la modulation de l' activité du cerveau sous l'influence de paradigmes à connotation cognitive et émotionnelle a été soulignée dans DOC 26,27,28,29. Ainsi, DBS est mise en évidence, non seulement en tant que traitement potentiel pour le DOC chronique, mais aussi comme une procédure clinique qui ouvre la possibilité d'étudier la modulation de l'activité corticale en enregistrant les potentiels de champ local (LFP) de régions intra et post-thalamiques centraux fonctionnellement.

DBS, l'implantation neurochirurgicale d'électrodes est basée sur la technique stéréotaxique qui explique sans danger pour le cerveau des contraintes anatomiques, tandis que la stimulation du patient est adapté grâce à des tests d'impulsion de stimulation intra-opératoire. enregistrement LFP post-opératoire est possible après l'implantation initiale des électrodes DBS et avant intériorisation du générateur d'impulsions. En particulier, le présent protocole est centered sur les enregistrements post-opératoires.

En combinaison avec LFPs, l' enregistrement simultané de l' activité cérébrale corticale peut être réalisé par exemple en électroencéphalographie non-invasive (EEG) ou la magnétoencéphalographie (MEG) 30,31. Ces deux méthodes non-invasives sont pris en charge en raison de son excellente résolution temporelle. Alors que MEG est moins touché que l' EEG par les effets du crâne 32, EEG apparaît avantageuse car elle est moins affectée par les artefacts causés par des implants métalliques et des mouvements de la tête et il peut être utilisé au chevet du patient 33. Par l' enregistrement simultané de l' activité cérébrale corticale-corticale (PDD et EEG / MEG) en réponse à des paradigmes émotionnels-cognitive appliqués, les différentes relations entre les oscillations et le comportement du cerveau pourraient être établies sur la base du couplage temps-fréquence des analyses 34. À son tour, ces modèles pourraient conduire à des biomarqueurs potentiels de cognitive individualisée d'un patient et des états émotionnels et optimization des paramètres de traitement tenant compte des paramètres personnalisés.

Les objectifs suivants du protocole invasifs et d'enregistrement neurophysiologique non-invasive chez l'homme pour l'évaluation de la fonction cognitive et émotionnelle, en particulier au niveau cortical et sous-corticale (EEG et LFPS).

Tout d'abord, les étapes d'enregistrement neurophysiologiques illustrées dans la vidéo, qui accompagne le présent protocole, correspondent à un enregistrement à l'aide, par exemple, des patients avec des troubles du mouvement qui exécute la tâche que l'on appelle Flanker (exemple 1).

Deuxièmement, les étapes du protocole sont discutées en mettant l' accent sur ​​la méthodologie des résultats des analyses et des exemples tirés d'un exemple DBS publiée dans DOC chronique 26 (exemple 2).

Ces deux exemples mettent en évidence l'applicabilité du protocole proposé aux patients DBS traités avec différents troubles et divers paradigmes expérimentaux.

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Protocole

La procédure DBS et les enregistrements invasifs ont été approuvés par la commission d'éthique de l'Université Clinique de Düsseldorf, en Allemagne.

1. Experimental Paradigm Conception et consentement du patient

NOTE: Concevoir un paradigme expérimental ou sélectionnez un paradigme expérimental existant pour cibler un aspect cognitif / émotionnel d'intérêt.

  1. Sélectionnez les patients qui vont subir DBS-traitement. Demandez si le DBS-patient répond aux critères d'inclusion de l'étude. Si oui, obtenir signé le consentement éclairé des patients et / ou de la commission d'éthique (le cas échéant) d'effectuer un enregistrement post-opératoire et l'application du paradigme cognitif respectif.
    Remarque: L'enregistrement post-opératoire a lieu le jour suivant après une chirurgie DBS initiale est effectuée pour l'implantation d'électrodes DBS (ainsi que leur extériorisation correspondante de la tête au moyen de câbles spéciaux) et avant une seconde intervention chirurgicale a lieu rn ce qui concerne l'implantation permanente d'électrodes DBS et stimulateur.
    1. Dans la tâche Flanker (exemple 1), obtenir le consentement éclairé signé d'un patient avec des troubles du mouvement (par exemple. Huntington ou la maladie de Parkinson) afin d'effectuer un enregistrement post-opératoire. Le but de l'expérience Flanker est de tester la capacité du patient à l'adaptation à l'erreur comportement et de déterminer comment une telle adaptation se reflète sur l'activité cérébrale oscillatoire au niveau cortical et sous-cortical.
      NOTE: Le choix d'un patient est dictée par le mécanisme cognitif à traiter et le trouble du patient. Dans le DBS-DOC cas par exemple (exemple 2), un patient DOC femme qui souffrait d'une blessure à la tête à l'âge de 38 ans a été sélectionné. En raison du patient condition limitant le consentement éclairé, le traitement DBS et la participation expérimentale a été approuvé uniquement par la commission d'éthique local. L'objectif principal de l'enregistrement DOC postopératoire était de déterminer sile fonctionnement du cerveau par rapport au traitement cognitif-affectif était encore intact chez un patient avec un tel trouble grave de la conscience.
  2. Choisissez entre le type de stimulus qui doit être présenté (auditif, visuel). Identifier l'ordre de stimulus présentation (bloc ou conception mixte). Sélectionnez la durée du stimulus, l'intervalle inter-stimulus (ISI) et le nombre d'essais.
    1. Comme un exemple pratique effectuer la tâche Flanker (exemple 1, figure 1A), pour examiner la possibilité d'adapter le comportement en réponse à l'engagement des erreurs de réponse. Cette tâche consiste en stimuli visuels (pointes de flèches flanquées disposées verticalement).
    2. Flanc le stimulus cible (flèche dans le centre) par deux flèches adjacentes (ci-dessus et au-dessous cible) soit dirigée dans le (incompatible) même direction (compatible) ou à l'opposé, envisager en outre arrêter les essais (cercle au centre).
    3. Présenter la cible à gauche ou à droite, et de demander au participant d'appuyer sur une résolutionbouton ponse avec leur pouce gauche ou à droite. Dans les essais d'arrêt, d'instruire les participants de ne pas répondre. flanqueurs Présenter 200 msec avant cible. Afficher la cible pour 300 msec et définir la réponse de stimulus-intervalle de 2000 msec (temps écoulé est indiqué par une tonalité de repère). Présenter un total de quatre blocs de 120 stimuli chacun dans cette tâche. compatible Présent (60%), incompatibles (20%) et les stimuli stop-essai (20%) au hasard.
      NOTE: Cette valeur pour la relance de l'intervalle a été choisi pour éviter un grand nombre d'essais manqués lors de l'examen moteur patients handicapés. Flankers et cible ont été éteints simultanément. Les patients ont été invités à répondre aussi rapidement que possible.
      NOTE: Dans le DBS-DOC cas par exemple (exemple 2, figure 1B), le paradigme expérimental consistait neutre discours non-adressage et familier adressage stimuli 26 dans une conception de bloc. La durée de relance a été mis en place à 4 sec (avec un 4 5 sec inter-stimulus-intervalle aléatoire). A total de 80 essais par condition ont été pris en compte dans ce paradigme (figure 1B).
  3. Imaginez les contraintes et les besoins physiques du patient dans un enregistrement de réglage post-opératoire. Plus précisément, déterminer si le patient est en mesure d'utiliser le clavier de l'ordinateur en tenant compte de la présence de mouvements excessifs de la chorée (maladie de Huntington), ou tremblements (maladie de Parkinson).
    1. Assurez-vous que le patient est en mesure de voir le moniteur (comme l'anesthésique local ou le cadre de la tête stéréotaxique appliquée pendant la chirurgie DBS peut avoir causé un gonflement dans le visage et autour des yeux) et asseoir confortablement pendant la durée de l'ensemble de l'expérience. Ne pas réaliser l'expérience, si le patient ne répond pas à ces conditions.

2. Mise en place pour postopératoires Subcortical (LFP) et la surface (EEG)

  1. Mettre en place l'équipement EEG (voir Matériaux dans les fichiers supplémentaires) dans la salle wici 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 "Nouveau 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 faible coupure (DC) et de la fréquence de coupure élevée (1000 Hz), les canaux EEG selon le système international 10/20 (au moins: fronto-central (Fz), centro-central (Cz), fronto-polaire référence (Fpz) et la masse (apophyse) et selon le paradigme outre pariéto-central (Pz) , occipito-central (Oz), temporel (T3 / T4), fronto-médial (F3 / F4), (/ F8 F7)) (figure 2D) et PDD canaux fronto-latérale (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 ( hémisphère gauche, la figure 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 et LFPR3 (hémisphère droit)). Cliquez sur «Monitor» pour vérifier que les canaux spécifiés sont maintenant mis en place pour l'enregistrement.
    NOTE: Le pra séparation préalable de l'espace de travail est recommandée afin de minimiser le temps d'expérimentation et de surveiller les changements imprévus dans la configuration de l'enregistrement. Il est recommandé de veiller à la plus haute résolution temporelle, les paramètres de filtre correct, le taux d'échantillonnage adéquat et une sélection appropriée des canaux d'intérêt.
  3. Mettre en place l'ordinateur de relance en connectant le port parallèle au système EEG. Démarrez le logiciel de relance. Cliquez sur "run" pour vérifier la fonctionnalité du paradigme sur l'écran de l'ordinateur (des stimuli visuels) et / ou haut-parleurs (stimuli auditifs, queues sonores). Assurez-vous que les marqueurs (déclencheurs) de l'ordinateur de relance sont lus dans le système d'enregistrement lors de la présentation des stimuli et la réponse du sujet en vérifiant leur apparition sur le logiciel d'enregistrement EEG.
    REMARQUE: Les déclencheurs de dispositifs de relance doivent avoir une durée d'au moins 200 microsecondes pour être détecté par le système EEG (avec le taux d'échantillonnage de 5 kHz). Depuis les déclencheurs sont des marqueurs d'événement related-événements ou activité connexe évoquée qui se produisent à une période de temps déterminée leur fonction est cruciale pour l'analyse des données postérieures. Dans le DBS-DOC cas par exemple (exemple 2), le paradigme expérimental (figure 1B) est composée de stimuli auditifs (une des voix inconnues familières) de sorte déclencheurs ont été mis en place au début et à la fin de chaque stimuli présentés. Dans le cas de la tâche Flanker (figure 1A) déclencheurs ont été mis en place à l'instant où 1) les flanqueurs et stimuli cibles apparaissent, 2) le patient a répondu et 3) une tonalité de repère a été entendu d'informer le patient que le temps de réponse était écoulé.
  4. Marquer le sommet de la tête du patient comme le point médian entre le nasion et inion en utilisant un marqueur de la peau et en suivant les conseils d'un neurologue expérimenté ou un spécialiste EEG. En outre, la marque choisie positions des électrodes EEG utilisant le système 10-20. Fixer EEG électrodes de surface du cuir chevelu par un premier nettoyage de chaque emplacement sélectionné avec un isopropyl tampon d'alcool et après l'utilisation de pâte abrasive.
    NOTE: Ces actions sont limitées par le placement des bandages sur la tête du patient DBS. Cependant, un neurologue expérimenté devrait être en mesure de définir un emplacement approprié (approximatif) pour chaque électrode / canal. Pour assurer les cheveux de contact de déplacement appropriée sur le chemin (le cas échéant). L'utilisation d'électrodes autocollantes garantis par un ruban chirurgical peut être utilisé en raison de la facilité de placement.
  5. Connecter des électrodes DBS externalisées à une extension percutanée. Branchez l'extension percutanée au connecteur de câble externe. Connectez chaque électrode fournie par le connecteur du câble externe au boîtier de commande EEG selon l'EEG enregistrement set-up. Connectez EEG du cuir chevelu électrodes à la boîte de commande EEG d'abord brancher sol et référence.
  6. Fixer les électrodes EMG (de référence et des électrodes actives) à muscles spécifiés par premier nettoyage de la zone avec un tampon imbibé d'alcool isopropylique. Connecter les électrodes EMG à la boîte de commande EEG.
    REMARQUE: Cette étape est facultative et principalement effectuée lorsque des tâches motrices sont considérées dans le paradigme ou quand il est nécessaire de surveiller l'activité des muscles comme dans le cas des patients atteints de trouble moteur.
  7. Cliquez sur «Monitor» pour visualiser les données. Assurez-vous que les signaux EEG et EMG affichés sur le moniteur sont artefact sans en détectant la présence de sautillement et superposées des composantes haute fréquence. Consultez les lignes directrices sur les types d'artefacts et d' autres facteurs liés aux signaux électroencéphalographiques d' enregistrement 35 et / ou demander des conseils techniques d'un neurologue ou un neuroscientifique expérimenté jusqu'à ce que vous familiariser avec le type de perturbations présentes dans ces enregistrements physiologiques.
    NOTE: Cette étape est importante pour assurer des signaux de haute qualité pour l'analyse de données hors ligne.

3. Enregistrement de post-opératoire Subcortical (LFP) et la surface (EEG) l'activité cérébrale

  1. Fournir des instructions pour le patient. Assurez-vous que le patients est confortable et instruire lui / elle d'arrêter l'expérience à tout moment de l'inconfort.
  2. Cliquez sur "run" sur le logiciel de stimulation afin que le patient est en mesure de voir le paradigme sur l'écran et / ou d'écouter les tonalités de repère et des sons. Effectuer une séance d'entraînement avec le patient jusqu'à ce qu'il / elle est à l'aise avec la tâche. Commencer l'enregistrement simultané de subcortical (LFP) et corticale (EEG) l'activité du cerveau pendant que le patient effectue la tâche expérimentale.
    NOTE: Dans le cas de l'exemple de cas DBS-DOC (exemple 2) le paradigme se composait de stimuli auditifs dans une conception de bloc comme décrit dans (figure 1B). Dans le cas de la tâche Flanker (figure 1A), des stimuli visuels correspondant à trois conditions (compatible (60%), incompatibles (20%) et d' arrêt provisoire (20%)) ont été présentés au hasard dans chaque bloc (conception mixte), chaque bloc est composée de 120 stimuli et le paradigme consistait en un total de quatre blocs. Une fois la tâche a été finalisé,les données sont stockées sur le disque dur de l'ordinateur d'enregistrement pour le dépistage plus tard hors ligne et l'analyse quantitative.

Analyse 4. Données

REMARQUE: Les étapes en utilisant un logiciel d'analyse EEG:

  1. Ouvrez le logiciel d'analyse d'EEG (voir «matériaux» dans les fichiers supplémentaires) et cliquez sur "Nouveau" pour visualiser les données enregistrées en spécifiant les chemins de dossier (brut, l'histoire et l'exportation) et le nom de données. Cliquez sur "Modifier les chaînes" pour sélectionner les chaînes d'intérêt. Renommez canaux si nécessaire.
  2. Cliquez sur "Channel Prétraitement" puis "New Reference" de re-référence contacts DBS adjacents et donc créer des contacts bipolaires virtuels pour hémisphères gauche et droit. Répétez ce processus pour créer un montage virtuel pour les canaux EEG.
    NOTE: Un bipolaire montage re-référence est importante pour minimiser les effets du volume de conduction et d'améliorer la fiabilité spatiale des signaux enregistrés. Dans le cas de la DBS-DOC cexemple ase (exemple 2), les canaux bipolaires suivants ont été mis en place DBS: LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, LFPR23 et EEG: Cz / Fz, Pz / Cz, Oz / Pz, T3 / Cz et T4 / Cz . Il est digne de souligner que si MEG signaux enregistrés sont libres de référence, les signaux EEG doivent être référencés pour définir des signaux non arbitraires zéro valeur réelle dans un cadre commun. Les systèmes existants de référence EEG comprennent: Cz ou référence Fpz, moyenne entre les électrodes sur les deux oreilles, référence moyen (compte tenu de tous les canaux), à deux ou référence unique-mastoïdien et le bruit de référence. Aux fins de l'analyse des données, des dispositions différentes re-référence peuvent être utilisés, par exemple des contacts bipolaires sont appropriés pour cibler l'analyse de couplage temps-fréquence entre les signaux EEG DBS et.
  3. Cliquez sur "l'inspection des données brutes" pour les données d'écran pour les artefacts physiologiques et équipements associés en mettant l'accent sur le sautillement du moteur et de l'équipement des perturbations. Marquer les segments dans lesquels les artefacts sont présents.
    NOTE: Lors de l'enregistrement activité du cuir chevelu et l'activité simultanément subcortical par des conducteurs DBS externalisées, EEG apparaît plus robuste aux artefacts de bruit que des techniques telles que MEG pour lesquelles les efforts actuels sont orientés vers l'amélioration de rapport signal sur bruit. En raison que les patients souffrant de troubles moteurs souffrent de mouvements involontaires tels que la chorée et le tremblement l'apparition d'artefacts moteur de sautillement dans les signaux enregistrés doit être pris en compte. D'autres perturbations sont dues à des clignements d'yeux et équipements associés aux artefacts. En se concentrant sur l'exemple de cas DBS-DOC (exemple 2), l'inspection de l'artefact a été réalisée par un examen visuel et des artefacts ont été marqués manuellement. La seule application d'un mode d'inspection d'artefact automatique est déconseillée, car certains artefacts peuvent ne pas être reconnus par un critère spécifié.
  4. Cliquez sur "Filtrage des données" et puis "Filtres IIR" pour spécifier un filtre coupe-bande: 50Hz (traitant des artefacts de lignes électriques) et filtres Butterworth Zéro phase par spécifying bas et les paramètres élevés de coupure. Cliquez sur "Modifier Taux d'échantillonnage» pour downsample les signaux enregistrés à une fréquence spécifiée et également spécifier le type d'interpolation.
    1. Dans l'exemple DBS-DOC; définir Low Cutoff: 1,0000 Hz, constante Temps: 0.1592s, pente: 48 dB / oct; Haute Cutoff: 80,0000 Hz, Temps constant: 0,1592 sec et 48 dB / oct et la fréquence de sous-échantillonnage à 512 Hz en utilisant l'interpolation spline.
      NOTE: En option, effectuer le filtrage par des scripts personnalisés basés sur les suites open source bien connus: Fieltrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/), EEGLAB (http://sccn.ucsd.edu/eeglab/) et SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Dans le cas de la première, des exemples de scripts sont fournis dans (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). D'autres suites fournissent également une documentation détaillée pour mener à bien cette étape.
      REMARQUE: sous-échantillonnage à tout moment limitera l'espace de fréquence qui est disponible pour une analyse plus poussée selon le théorème de Nyquist. Compte tenu de la DBS-DOC cas par exemple, la fréquence d'échantillonnage sélectionnée de 512 Hz est appropriée lorsque l'on considère une bande de fréquence jusqu'à 80 Hz.
      REMARQUE: Vous pouvez également effectuer des sous-échantillonnage par des scripts personnalisés basés sur les suites open source bien connus: Fieldtrip (http://www.fieldtripbox.org), EEGLAB (http://sccn.ucsd.edu/eeglab) et SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Dans le cas des premiers, des exemples de scripts sont fournis (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). D'autres suites offrent également une documentation pour mener à bien cette étape.
  5. Export canaux bipolaires d'intérêt en cliquant sur "Exporter" puis "données génériques". marqueurs de données à l'exportation (déclencheurs) en cliquant sur "Exporter" puis "marqueurs". Nommez les fichiers destinés à être exportés en sélectionnant un format "txt".
    REMARQUE: Pour utiliser la boîte à outils Fieldtrip dans les prochaines étapes, il est suggéré d'exporter des canaux dans (.txt) multiplexé et recommander égalemented pour inclure un fichier "vmrk" qui comporte des informations sur les canaux exportés. Il est également recommandé d'utiliser un (.txt) pour les marqueurs exportés alors que l'option de sauter des marqueurs correspondant aux mauvais intervalles sélectionnés à l'étape 4) est offert.

REMARQUE: Les étapes en utilisant Fieldtrip:

  1. Start-up MATLAB et cliquez sur "voie tracée" pour ajouter le chemin du dossier Fieldtrip au cas où il ne se fait pas par défaut.
  2. Mettez les données précédemment pré-traitées et des marqueurs dans une cellule-array-structure qui est compatible avec les fonctions au sein de Fieldtrip en exécutant ( Script File 1 supplémentaire ) sans manquer de préciser: Le répertoire qui contient les fichiers EEG et PDD de l' étape 7 , les noms de canaux, la fréquence d'échantillonnage, temps échantillon, essais. (En option) Effectuer le rejet artefact par le code indiqué "décommenter". Ce script enregistre les données dans un fichier spécifié qui seront utilisés dans le next étapes.
  3. Calculer la puissance spectrale de LFP pour les canaux d'intérêt en exécutant ( Script File 2-complémentaire ) sans manquer de préciser: le répertoire qui contient le fichier généré par (Script 1), la méthode (ondelettes ou mtmconvol), la largeur de la fenêtre, la fréquence d'intérêt (foi), la période de temps d'intérêt (toi), et la correction de fréquence de référence (en option). Définir le type d'analyse statistique et de p-valeur souhaitée.
    Remarque: Dans le DBS-DOC cas par exemple (exemple 2), l'analyse de puissance a été réalisée en considérant un temps d'ondelettes analyse de la fréquence de stimulation asservie (Morlet ondelettes (largeur = 5)) avec Hanning cône, une plage de fréquence de 4-80 Hz et une période de temps comprise entre -1 à 4 sec. En raison que les ondelettes ont une résolution variable dans le temps et la fréquence. Lors de la sélection d'une ondelette, nous décidons d'un compromis entre la résolution temporelle et spectrale. En particulier, les ondelettes Morlet possèdent un poids de forme sinusoïdaleed par un noyau gaussien qui permet de capturer des composantes oscillatoires locaux dans une série chronologique. Cela amène le paramètre de largeur inférieure va augmenter la résolution temporelle au détriment de la résolution en fréquence et vice-versa. La largeur de bande spectrale à une fréquence F donnée est égale à F / largeur x 2 (pour F = 40 Hz et la largeur = 5 la largeur de bande spectrale est de 16 Hz) alors que la durée ondelette est égale à la largeur / F / pi (F = 40 largeur = Hz et 5 la durée ondelette est de 39,8 msec). Un cluster basé (variables de temps et de fréquence) approche de randomisation a été utilisé pour l' analyse statistique entre les conditions (p niveau de .05 dans un test bilatéral) 39. A titre d'exemple de la sortie obtenue en effectuant cette étape s'il vous plaît regarder la figure 4A et la figure 4D. analyse de la réponse temps-fréquence a été effectuée par des scripts personnalisés basés sur le Fieldtrip de logiciels open source (http://www.fieldtriptoolbox.org/). Des détails spécifiques sur la façon de personnaliser un script pour accomplir cette étape peutse trouvent dans http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis.
  4. Calculer la cohérence entre les sous - corticale et les signaux corticaux en exécutant ( Script File 3 supplémentaire ) sans oublier de préciser: segments de longueur, le pourcentage de recouvrement, la fréquence d'intérêt. En ce qui concerne l'analyse statistique de spécifier le type d'analyse et de p-valeur souhaitée.
    Note: les mesures d'analyse de la cohérence de la relation linéaire entre deux séries de temps avec un rapport constant des amplitudes 40. Dans le DBS-DOC cas par exemple (exemple 2), les segments de 1 sec avec 50% de recouvrement ont été utilisés pour le calcul de la cohérence en se concentrant sur l'intervalle de fréquence entre 1 et 25 Hz. A (temps et les variables de fréquence) approche de randomisation à base de cluster a été utilisé pour l' analyse intra-sujet de la cohérence (p niveau de .05 dans un test bilatéral) 41. En outre, la partie imaginaire de la cohérence a été calculée 42.
    Les basic étapes pour personnaliser un script pour l'analyse de la cohérence sont décrits dans (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence). A titre d'exemple de la sortie obtenue en effectuant cette étape s'il vous plaît regarder la figure 4B.
  5. Calculer croix couplage d'amplitude de phase de fréquence (PAC) en exécutant la mise en œuvre du logiciel disponible sous forme de fichier supplémentaire en référence 43.
    Remarque: Dans l'exemple de cas DBS-DOC (exemple 2), cross-fréquence d'analyse PAC a été calculé en utilisant la totalité de l'enregistrement pour différentes combinaisons de canaux bipolaires libre-artefact. En particulier, normalisée PAC directe (ndPAC) 43 a été préféré parce qu'il a permis la détermination d' un couplage significatif aux niveaux statistiques différentes tout en mettant en place à zéro les couplages non significatifs (p niveau: 0,1). Par conséquent, les plages de fréquences pour la phase et l'amplitude de couplage peuvent être choisis en fonction de leur importance. Dans l'exemple de cas DBS-DOC, la gamme de fréquence de phase considérée was 3-22 Hz tandis que la gamme de fréquence d'amplitude a été mis en place pour 35-80 Hz. Les canaux EEG LFP choisis pour l'analyse et la SAA ont été LFPR23 EEGFzPz sur la base de l'analyse de cohérence effectué à l'étape 5.5. A titre d'exemple de la sortie obtenue en effectuant cette étape s'il vous plaît regarder la figure 4C.

figure-protocol-1
Figure 1: Exemple de Paradigmes expérimentaux (A) (exemple 1) de tâche Flanker:. Stimulus cible (tête de flèche dans le centre) est flanquée de deux flèches adjacentes ( au- dessus et au- dessous cible) soit pointant dans la même (compatible) ou opposé (incompatible) direction, essais d'arrêt (cercle au centre) ont aussi été considérés. Lorsque la cible est pointée vers la gauche ou la droite, un participant doit appuyer sur un bouton de réponse avec leur pouce gauche ou à droite, respectivement, dans les essais d'arrêt participants sont instruits de ne pas répondre. Le Flatâche nker utilisée ici a été modifié à partir de la version initialement programmée par le professeur C. Beste et son groupe (s'il vous plaît voir les remerciements). (B) (exemple 2) de paradigme affectif-cognitive parole utilisé dans la DBS-DOC cas par exemple. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Résultats

Pour le cas DBS-DOC (exemple 2), nous fournissons maintenant des données sur la localisation cible pour DBS implantation, des schémas d'électrode PDD et EEG mis en place, les enregistrements exemplaires de l'EEG et le PDD activité (données brutes) et les résultats d'analyse représentatifs:

La figure 2A montre la trajectoire prévue (ligne noire) projetée sur un atlas anatomique 36, sectio...

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Discussion

Contrairement aux techniques d'enregistrement du cerveau non-invasives comme le cuir chevelu-EEG et MEG, le cadre proposé combinée invasive et non invasive d'enregistrement neurophysiologique offre une occasion remarquable pour extraire des informations à partir des zones corticales et sous-corticales par rapport aux tâches cognitives-affectives. Ces informations se traduit par une activité oscillatoire du cerveau à de multiples bandes de fréquences et différents niveaux d'organisation en relation avec le fo...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu'ils ont aucun intérêt financier concurrents.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par ERA-NET NEURON / BMBF Allemagne (Tymon). frais de publication sont couverts par une subvention de l'hôpital universitaire de Düsseldorf. La tâche Flanker utilisée ici a été modifié à partir de la version initialement programmée par le professeur C. Beste et son groupe 47.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
BrainAmp AmplifierBrain Products GmbH, Gilching AllemagneQuantité : 2
Logiciel d’enregistrement BrainVisionBrain Products GmbH, Gilching Allemagne1 Licence  ;
Logiciel d’analyse BrainVision  ;Brain Products GmbH, Gilching Allemagne1 Licence  ;
Câbles à fibre optique et connecteurs USBBrain Products GmbH, Gilching AllemagneCeux-ci sont livrés avec l’équipement énuméré ci-dessus Boîte d’entrée
d’électrode (64 canaux)Brain Products GmbH, Gilching AllemagneQuantité : 1
gel EEG  ;Natus IncQuantité : 1
Alcool isopropyliqueSchü ; lke & Mayr GmbH, AllemagneQuantité : 1
Gel de préparation pour la peauWeaver and Co, USAQuantité : 1
MATLAB  ;   ;Math-Works, Natick, Massachusetts, États-Unis1 Licence
FieldTrip toolboxhttp://www.fieldtriptoolbox.org/
Macroélectrodes Open Source (modèle 3387 plomb DBS quadripolaire)Medtronic Inc., Minneapolis, MN, États-UnisQuantité : 2
Fils d’extension percutanés stériles (modèle 3550-05)  ;Medtronic Inc., Minneapolis, MN, États-UnisQuantité : 2
Câble de verrouillage par rotation (modèle 3550-03)  ;Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USAQuantité : 2
connecteurs sur mesure à DIN 428092 connecteursQuantité : 2
Vercise Lead kit DB -2201  ;Boston ScientificQuantité : Kit d’extension de 2
contacts NM-3138  ;Boston ScientificQuantité : 2
O.R. cabel & extension SC-4100 A  ;Boston ScientificQuantité : 2
connecteur  ; pour toucher l’épreuve  ;Twente Medical Systems International B.V.Quantité : 2
CT scanner Modell PQ2000 (Tomodensitogrammes postopératoires)Philips Healthcare GmbH HamburgQuantité : 1
Logiciel de présentation (Flanker Task)Neurobehavioral systems Inc.1 Licence  ;
Système MEGElekta Neuromag IncAlternativement
capteurs EEG haute densité (128 ou 256 canaux)Electrical Geodesics Inc (EGI), USAAlternativement
tactiles Réseau de

Références

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Mots-clés

Stimulation c r brale profondePotentiels de champ locauxlectroenc phalographievaluation cognitive et motionnelleEnregistrements corticaux et sous corticauxParadigme de la t che de FlankerAnalyse de la puissance spectraleAnalyse de la coh renceCouplage phase amplitudeNeurophysiologie humaine

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