Utilisation de Saccadometry avec la stimulation cérébrale profonde pour l'étude normale et pathologique fonction cérébrale

Summary

Cet article décrit l’utilisation de la mesure quantitative des mouvements oculaires en conjonction avec la stimulation des zones focales du cerveau profond afin d’étudier la physiologie, la physiopathologie et les mécanismes de stimulation cérébrale profonde.

Abstract

Le système oculomoteur implique un grand nombre de zones cérébrales, y compris des parties des ganglions de la base, et diverses maladies neurodégénératives, notamment Parkinson et Huntington, peuvent le perturber. Les personnes atteintes de la maladie de Parkinson, par exemple, ont tendance à avoir des latences saccadiques accrues. Par conséquent, la mesure quantitative des mouvements oculaires saccadiques a fait l’objet d’une attention considérable en tant que biomarqueur potentiel des maladies neurodégénératives. On peut en apprendre beaucoup plus sur le cerveau, tant dans la santé que dans la maladie, en observant ce qui arrive aux mouvements oculaires lorsque la fonction de zones cérébrales spécifiques est perturbée. La stimulation cérébrale profonde est une intervention chirurgicale utilisée pour la gestion d’une gamme d’affections neurologiques, y compris la maladie de Parkinson, dans laquelle des électrodes stimulantes sont placées dans des zones spécifiques du cerveau, y compris plusieurs sites dans les ganglions de la base. Les mouvements oculaires peuvent ensuite être mesurés avec les systèmes de stimulation, à la fois éteints et allumés, et les résultats peuvent être comparés. Avec une conception expérimentale appropriée, cette approche peut être utilisée pour étudier la physiopathologie de la maladie traitée, le mécanisme par lequel la SCP exerce ses effets bénéfiques, et même des aspects de la neurophysiologie normale.

Introduction

Ces dernières années , il y a eu un intérêt croissant pour l'utilisation des mesures de temps de réaction comme une manière quantitative et non invasive d'obtenir des informations sur les mécanismes de haut niveau de prise de décision ¹ neural. Un type de temps de réaction qui a été largement étudié est le temps nécessaire pour initier une saccade sur présentation d'un stimulus visuel, connu sous le nom de latence des saccades. Les saccades sont les mouvements oculaires rapides qui se produisent quand on passe rapidement notre regard d'un endroit à l'autre. Ils sont le type le plus courant des mouvements oculaires que nous faisons, se produisant à une fréquence typiquement deux ou trois par seconde. Chaque saccade est en effet une décision de regarder un repère dans le monde visuel plutôt qu'une autre ^2.

Les voies neuronales contrôlant les mouvements oculaires ont été largement étudiés et sont assez bien documentées ^3. L'utilisation d'équipements électroniques sensibles, les aspects de la fonction oculomotrice peuvent être précisément et objectively quantifié. Cela facilite l'étude détaillée des mouvements oculaires eux-mêmes, mais leur permet également d'être utilisé comme un outil pour enquêter sur d'autres domaines de la neurophysiologie et la physiopathologie.

mesure du mouvement des yeux peut fournir des informations utiles sur les états pathologiques. Mouvements oculaires saccadés ont récemment, par exemple, a reçu beaucoup d' attention en tant que biomarqueurs potentiels dans les maladies neurodégénératives , y compris les maladies de Huntington et de Parkinson ^{4,5 6,7,} et il est bien établi que les temps de réaction saccadés ont tendance à être plus lente que la normale dans ces conditions. Les utilisations potentielles de mesure saccades comprennent les aides au diagnostic et au suivi de la maladie. tâches saccadés vont de la simple prosaccade (recherche le plus rapidement possible vers un stimulus visuel apparaissant soudainement à gauche ou à droite) pour des tâches plus complexes telles que la antisaccade (recherche le plus rapidement possible vers le côté opposé à un stimulus visuel) ou mémoire- saccade guidée (recherchevers l'emplacement souvenir d'une cible qui est plus là).

la stimulation cérébrale profonde est un traitement efficace pour plusieurs maladies neurologiques. Il est le plus couramment utilisé pour traiter les symptômes moteurs de la maladie de Parkinson, y compris les tremblements, la rigidité, la bradykinésie, et la dyskinésie. Il est également utilisé pour d'autres troubles du mouvement, y compris la dystonie et le tremblement essentiel, et moins souvent pour la douleur neuropathique, l'épilepsie et les troubles psychiatriques tels que le trouble obsessionnel compulsif. Il est le seul cadre dans lequel les scientifiques ont accès électrique direct aux structures profondes du cerveau humain in vivo et offre ainsi une occasion précieuse pour la neurologie expérimentale. Une variété de cibles sont stimulés en fonction de l'état à traiter, y compris plusieurs endroits dans les noyaux gris centraux, dont beaucoup sont impliqués dans les voies de oculomoteurs. Cela signifie qu'un grand nombre d'études peut être effectuée en utilisant le système DBS pour fournir une stimulationà un emplacement donné du cerveau et un dispositif de suivi de l'oeil pour enregistrer et analyser les effets. Selon le paradigme expérimental, ces études peuvent donner des informations sur la physiologie de la région stimulée, les effets de la maladie, ou le mécanisme par lequel DBS fonctionne dans ce contexte particulier. Cet article décrit une approche générale pour les tests de saccade oculaire chez les patients atteints de stimulation cérébrale profonde.

Plusieurs types d'équipements de suivi de l'oeil sont disponibles. Pour la recherche décrite dans ce protocole un saccadometer portable a été utilisé pour enregistrer horizontaux saccades oculaires. Saccadometers portables ont l'avantage de ne pas nécessiter l' appuie-tête (voir la figure 1), ce qui signifie que les sessions sont plus confortables pour les patients atteints de la maladie de Parkinson, en particulier pour ceux qui souffrent de dyskinésies sévères. Le saccadometer utilisé ici est léger et environ 5 cm de large et 10 cm de hauteur. Le mesu de saccadometerres mouvements oculaires par l'utilisation de oculographie infrarouge directe: une source et un capteur infrarouge placé en face de la médiale utilisation canthus lumière réfléchie par la cornée pour établir la position du globe oculaire de rotation à des intervalles de millisecondes. Afin d'obtenir des données de bonne qualité pour l'analyse de la saccadometer doit prélever des échantillons à un taux d'au moins 1 kHz avec au moins une résolution de 12 bits. Dans le saccadometer utilisé ici stimuli visuels étaient trois rouges 13 cd m ^-2 taches de lumière produite par construit dans les lasers de faible puissance, chaque tache sous - tendant certains 0,1 degrés, avec une tache sur la ligne médiane et les deux autres à ± 10 degrés (c. à droite et à gauche).

Figure 1. Le Saccadometer. Head monté saccadometer attaché à une bande élastique et reposant sur ​​le pont du nez. Quatre lasers miniatures projettent cible visuelles sur une surface mate, et les mouvements des yeux du participant sont mesurées par différentiels transducteurs de réflectance infrarouge du côté nasal de chaque oeil. Comme les cibles laser se déplacent avec la tête, les appuie-tête ne sont pas nécessaires. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Protocol

Le comité d'éthique local a approuvé cette étude et a informé consenti a été obtenue à partir des participants comme détaillé ci-dessous dans la section 1.

1. Participant Consentement

1. Fournir aux participants une fiche d'information qui explique en détail ce que la séance d'essais comprendra.
2. Après que les participants ont la possibilité de lire et de discuter des questions, des préoccupations ou d'autres questions liées à leur participation à l'étude, passer par le formulaire de consentement avec eux, en expliquant chaque point sur le formulaire de consentement et en leur donnant la possibilité de poser des questions ils pourraient avoir. Demandez au participant de remplir le formulaire.

2. Mise en place du Saccadometer

1. Placez le dispositif sur la tête du patient, garanti par une sangle élastique réglable et reposant sur le pont du nez. Parce que les stimuli se déplacent exactement à la tête, ne l'appuie-tête est nécessaire et que le dispositif est confortable à wear.
2. Demandez au patient de rester à 1,5 m à partir d'un écran mat plat.
3. Assurez-vous que l'éclairage ambiant est faible de sorte que les stimuli (taches de lumière rouge) sont clairement visibles.

3. Enregistrement d'une session saccadique

Remarque: A titre d'exemple un protocole standard qui teste les deux prosaccades et antisaccades ⁸ est décrite ici. Ce protocole se compose de cinq blocs: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, et 60 prosaccades avec une pause de 1 min entre les blocs. La séance dure environ 40 min.

1. Mettre en place la saccadometer de sorte que pour chaque essai la cible de fixation centrale est affichée pour une avant-période aléatoire de 1,0 à 2,0 secondes, après quoi il est éteint et l' une des cibles périphériques apparaît, au hasard à droite ou à gauche ^9.
   Remarque: Les trois cibles sont des taches de lumière rouge projetée sur l'écran en face du participant (voir 2.2) par de faibles lasers alimentés intégrés dans le saccadometer. L'aut saccadometercommutateurs omatically les lasers et hors d'affichage / éteindre les cibles dans la séquence nécessaire.
2. Instruire le participant que le test se compose de cinq blocs avec une pause d'une minute entre les blocs.
3. Avant le premier bloc demander au participant de déplacer leurs yeux aussi rapidement et précisément que possible de suivre le point rouge sautant à partir du milieu d'un côté ou de l'autre et leur demander de faire cela 60 fois.
4. Définir la saccadometer pour générer une séquence de 60 essais. Appuyez sur le bouton sur le saccadometer pour démarrer le premier bloc d'essais (prosaccades).
5. Après l'achèvement du premier bloc, laisser un intervalle d'une minute avant que le deuxième bloc. Réinitialiser le saccadometer pour générer une séquence de 40 essais, et vers la fin de l'un écart de minutes, demander au participant pour le prochain bloc à déplacer leurs yeux le plus rapidement possible dans le sens opposé au point rouge, et expliquer qu'ils vont être nécessaire pour ce faire 40 fois. Démarrez le secbloc ond des essais (antisaccades).
6. Après l'achèvement du deuxième bloc, laisser un autre intervalle de 1 min, répéter l'instruction à l'étape 3.5 et commencer le troisième bloc d'essais (antisaccades).
7. Après l'achèvement du troisième bloc, laisser un autre intervalle de 1 min, répéter l'instruction à l'étape 3.5 et démarrer le quatrième bloc d'essais (antisaccades).
8. Après l'achèvement du quatrième bloc, laisser un autre intervalle de 1 min, et expliquer que, pour le dernier bloc de tests demander aux participants de se déplacer leurs yeux aussi rapidement et précisément que possible de suivre le point rouge sautant à partir du milieu d'un côté ou la autre, exactement comme ils l'ont fait dans le premier bloc.
9. Réinitialiser le saccadometer pour générer une séquence de 60 essais, et commencer le dernier bloc d'essais (prosaccades).

Figure 2. Tâches de mouvement des yeux. De illustrati schématiquessur montrant deux exemples de tâches saccadés. La tache bleue solide représente la cible et le cercle bleu en pointillés représente la zone de fixation. GAUCHE montre une tâche prosaccadic où le sujet est invité à regarder vers la cible. Montre DROIT un antisaccade où le sujet est invité à se détourner du stimulus visuel . Cela nécessite l' inhibition de la réponse prosaccade plus naturel et la production d'une saccade dans la direction opposée. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

4. Réglages cérébrale profonde Stimulateur

Note: Pour les participants avec des stimulateurs cérébraux profonds mènent les tests jusqu'à présent avec un système de stimulateur fonctionner normalement, à savoir, un «sur la stimulation 'ensemble de données a été obtenue. Test doit maintenant être répétée avec le système de stimulateur désactivé (pour les participants témoins en bonne santé sans système DBS cette section ne sera pas applicable).

1. Mettez le système DBS off. Pour ce faire, un personnel clinique formé. Laisser 30 minutes avant le test.
2. Répétez le test saccades (étapes 03/02 à 03/09) pour obtenir un 'off stimulation' ensemble de données complet.
3. Mettez le système DBS de retour sur (encore une fois cela devrait être fait par le personnel clinique formé de façon appropriée).

Analyse 5. Données

Note: Pour les participants avec des stimulateurs cérébraux profonds mènent les tests jusqu'à présent avec un système de stimulateur fonctionner normalement, à savoir, un «sur la stimulation 'ensemble de données a été obtenue. Test doit maintenant être répétée avec le système de stimulateur éteint (pour les participants témoins en bonne santé sans système DBS cette section ne sera pas appliquer).

1. Télécharger les données brutes du saccadometer à un ordinateur pour l'analyse.
2. Utilisez le logiciel du saccadometer à exclure saccades distorted par clignote et mouvements de la tête, et pour calculer des variables, y compris les latences des saccades, des vitesses de pointe, et des amplitudes.
   Remarque: Les dossiers contaminés par des mouvements de tête excessifs ou clignote sont supprimées automatiquement par le logiciel.
   1. Retirer saccades avec une latence inférieure à 80 msec ou supérieure à 1000 msec.
      Remarque: la latence saccadique est calculée automatiquement en utilisant un algorithme saccade-détection basée sur la vitesse et l'accélération. L'apparition d'un saccade est identifié comme étant le moment où la vitesse de l'œil dépasse un seuil de 5 degrés / sec.

Results

La figure 3 montre un exemple de saccades trajectoires de mouvement des yeux, du patient , de la maladie de Parkinson , avec un noyau subthalamique DBS système implanté. Les deux graphes donnent le tracé des prosaccades du patient avec le système stimulateur déclenché (graphique supérieur) et activé (graphique inférieur). Chaque tracé sur le graphique représente la trajectoire d'un seul saccade, à savoir comment la position de l' oeil en degrés par rapport à l'a...

Discussion

Le facteur le plus important dans l'obtention de données saccades de bonne qualité est de veiller à ce que les instructions données au participant sont claires et précises. Par exemple, si les instructions pour la tâche antisaccadic ne sont pas tout à fait clair, le participant est susceptible d'exécuter prosaccades à la place. Les enregistrements peuvent également être gâtés si le participant ne peut pas voir clairement les stimuli ou l'saccadometer ne peut pas mesurer avec précision la position des yeux. A...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Appareil de saccadomètre	Ober Consulting Pologne
Ordinateur avec environnement
Logiciel, Indicateur de latence pour télécharger les données brutes du saccadomètre