Peropératoire tâches comportementales chez les humains subissent de profondes Awake Chirurgie stimulation cérébrale

La chirurgie de stimulation cérébrale profonde offre l'opportunité d'examiner l'information et le codage dans le cerveau humain éveillé en effectuant des enregistrements microélectrodes chez un sujet humain réalisant des tâches comportementales. Dans cet exemple, les sujets sont d'abord entraînés à jouer à un jeu de cartes informatique simple impliquant risque et récompense. Le sujet est ensuite préparé pour la chirurgie de stimulation cérébrale profonde, et des microélectrodes sont insérées dans la région cible du cerveau.

Dans ce cas, les signaux neuronaux du noyau sous-thalamique sont enregistrés pendant que le sujet répète le jeu de cartes. Les données recueillies démontrent le rôle du risque et de la récompense dans le codage neuronal au niveau du STN.

Bien que les objectifs de l'expérience puissent varier selon le noyau ciblé pour la chirurgie. Au départ, la DVS était principalement utilisée pour les troubles moteurs tels que le tremblement essentiel, la maladie de Parkinson et la dystonie. Plus récemment, elle est utilisée pour l'investigation de traitements contre la dépression et le trouble obsessionnel-compulsif.

Cette tâche comporte donc une composante motrice et une composante dépendante de la récompense que nous avons enregistrées dans le noyau sous-thalamique, situé à l'interface entre les systèmes moteur et limbique du cerveau. Cette patiente est une femme de 62 ans. Elle est très sympathique.

Elle est atteinte de la maladie de Parkinson depuis environ 10 ans. Elle présente les symptômes classiques de la maladie de Parkinson : elle a un tremblement, une raideur et une lenteur des mouvements. Au départ, elle a bien répondu aux médicaments, ce qui est un bon signe, car cela nous indique qu'il s'agit bien de la maladie de Parkinson.

Mais ensuite, comme dans de nombreux cas, avec le temps, les médicaments deviennent moins efficaces. Fondamentalement, les patients deviennent instables, de sorte que lorsqu'elle n'est pas sous traitement, elle présente des symptômes très sévères de la maladie de Parkinson. Elle est tremblante, rigide et lente.

Ensuite, lorsqu'elle prend ses médicaments, elle développe un autre type de trouble du mouvement appelé dyskinésie, caractérisé par une activité motrice excessive, et il n'existe plus de compromis satisfaisant. C'est précisément à ce moment-là que la chirurgie constitue une intervention utile, car elle élimine effectivement ces importantes fluctuations « on-off » et stabilise les patients à un niveau constant. Fondamentalement, ils se trouvent alors dans leur meilleur état possible, équivalent à celui obtenu avec leurs médicaments.

Le but de la chirurgie est donc celui-ci. Lors de la chirurgie elle-même, deux régions du cerveau sont des cibles potentielles. L'une d'entre elles est appelée le noyau sous-thalamique.

C'est ce que nous avons fait aujourd'hui. L'un s'appelle le globus pallidus interne. Les deux sont approximativement tout aussi efficaces.

Et la méthode que nous utilisons pour les cibler repose sur une combinaison d'approches. Nous procédons de manière stéréotaxique à l'aide de scanners TDM et d'IRM. Nous les ciblons également grâce à la physiologie en réalisant des enregistrements à l'aide d'électrodes microscopiques.

Et ceux-ci sont très importants car ils nous indiquent, à un niveau de résolution spatiale très élevé, les limites du noyau, les limites supérieure et inférieure, et non seulement cela, mais aussi pour s'assurer que nous sommes dans la partie motrice du noyau. Enfin, lorsque nous insérons l'électrode permanente, nous effectuons à nouveau une stimulation à travers celle-ci afin de confirmer que nous sommes bien positionnés. Nous réalisons donc toutes ces étapes de toute façon dans le cadre du traitement du patient.

Et nous effectuons de toute façon les enregistrements à l’aide de microélectrodes, donc cela nous offre simplement une fenêtre temporelle pendant laquelle les microélectrodes sont en place. C’est une occasion rare d’étudier l’activité neuronale dans le cerveau humain, une opportunité que l’on n’aurait jamais autrement. Mais puisque nous le faisons de toute façon et que les électrodes sont déjà en place, nous prenons alors un temps supplémentaire de 20 à 30 minutes pour réaliser, vous savez, toutes les expériences qui nous intéressent.

Et ils sont généralement constitués d'expériences liées au contrôle moteur, à la prise de décision, à l'apprentissage ou à la motivation, des phénomènes de ce type. Et presque tous impliquent, comme vous le savez, un écran vidéo et une tâche simple que le sujet doit accomplir, qu'il s'agisse de déplacer un joystick ou d'appuyer sur un bouton, ce genre de choses. Des enregistrements à l'aide de microélectrodes sont couramment réalisés pendant la chirurgie de stimulation cérébrale profonde, offrant ainsi une opportunité unique aux chercheurs d'enregistrer les patrons de décharge de neurones individuels pendant qu'un sujet effectue une tâche comportementale.

Dans le cadre de la chirurgie de stimulation cérébrale profonde pour la maladie de Parkinson, les patients sont admis à l'hôpital un jour avant l'intervention. Cela permet d'entraîner le patient à la tâche comportementale avant l'opération. Cette possibilité s'avère extrêmement utile lorsque la tâche comportementale est cognitivement exigeante.

Le jour de l'intervention chirurgicale, un dispositif comportemental portable est installé pour le sujet, au cas où celui-ci serait entraîné la nuit précédant la chirurgie. Le dispositif est équipé de la même tâche comportementale exacte que le sujet devra exécuter en intraopératoire. Dans cet exemple, on demande au sujet de jouer à un jeu de cartes similaire au jeu de la bataille. Dans ce jeu, le sujet mise soit 20, soit 5, selon qu'il pense que sa carte est supérieure à celle de l'ordinateur.

L'objectif de cette tâche est d'évaluer le rôle de la récompense et du risque dans le codage neuronal au sein d'un noyau ophtalmique, afin de réduire les combinaisons possibles et les facteurs de confusion associés. Seules les cartes portant un numéro pair d'une même couleur sont utilisées lors de chaque essai. Le sujet voit d'abord un écran affichant sa carte distribuée aléatoirement ainsi que le dos de la carte inconnue de l'ordinateur.

L'écran affiche ensuite deux options de mise, 5 et 20, en fonction de la force relative de la carte de la personne. Le sujet indique sa mise en appuyant sur un bouton ; l'écran affiche alors sa carte ainsi que la carte révélée de l'ordinateur. Le dernier écran indique explicitement le montant gagné ou perdu.

Le sujet est autorisé à jouer au jeu jusqu'à ce qu'il comprenne entièrement les règles et puisse performer à un niveau confortable. Voyons maintenant le dispositif expérimental en intraopératoire le jour suivant l'entraînement. Une fois que le sujet a été positionné sur la table chirurgicale, introduisez dans la salle d'opération le dispositif contenant l'équipement d'acquisition des données comportementales et de traitement des signaux.

Le positionnement du dispositif doit tenir compte du flux de travail habituel ainsi que des questions d'asepsie liées au contexte de la salle d'opération. Étant donné que les composants de ces dispositifs sont assemblés et désassemblés pour chaque session d'enregistrement, il est essentiel de vérifier toutes les connexions des équipements. Par conséquent, à mesure que chaque composant est raccordé au système d'acquisition de données, vérifiez l'intégrité des données dès le premier démarrage, ainsi que l'équipement d'acquisition et de traitement du signal.

Connectez les sorties du dispositif de traitement du signal aux entrées du dispositif d'acquisition. Dans cette étude, trois canaux de potentiels d'action extracellulaires sont enregistrés, correspondant à trois électrodes orientées paraag qui sont avancées dans le cerveau du sujet pendant la chirurgie. Allumez les amplificateurs un par un afin de s'assurer que le système d'acquisition capte bien les signaux.

À l’aide d’un adaptateur approprié, fixez le moniteur sur la table de bloc opératoire à une position confortable pour la visualisation. Assurez-vous que la main du sujet est positionnée confortablement pour manipuler le dispositif d’entrée utilisé pendant la tâche. Démarrez maintenant le système comportemental et vérifiez que les marqueurs d’événements comportementaux sont correctement enregistrés par le dispositif d’acquisition.

Commencez la tâche comportementale et laissez le sujet effectuer quelques essais pendant cette période. Assurez-vous que le système d'acquisition enregistre les entrées de la boîte à boutons et les marqueurs comportementaux générés par le dispositif comportemental avec les expériences configurées et prêtes à fonctionner. Voyons comment les neurones du noyau sous-thalamique sont isolés chirurgicalement.

Les objectifs de l'intervention chirurgicale consistent à placer des électrodes de DBS chroniques dans la région motrice du noyau sous-thalamique (STN). Le positionnement est réalisé à l'aide d'une imagerie stéréotaxique et d'enregistrements neurophysiologiques effectués à l'hôpital Mass General. Un cadre stéréotaxique Cosman Roberts Wells muni d'une cage fiduciale est appliqué, puis un scanner cérébral (TDM) est réalisé.

Le scanner avec repères est fusionné avec une IRM cérébrale volumétrique obtenue précédemment sur un système de neuro-navigation. En salle d'opération, le patient est placé confortablement en position semi-assise et préparé et drapé selon une technique chirurgicale standard. Les coordonnées du noyau sous-thalamique gauche sont programmées dans le cadre, qui est ensuite positionné sur le patient.

Le chirurgien incise et rétracte la peau. Des orifices de trépanation sont réalisés et une petite ouverture est pratiquée dans la dure-mère. Une canule fixée à un micro-entraînement est mise en place et avancée jusqu'à ce que l'extrémité de la canule se trouve à 25 millimètres au-dessus de la cible.

Une fois les canules introduites dans le cerveau, les stylets internes sont retirés et remplacés par des microélectrodes à haute impédance. Les systèmes de traitement du signal et les préamplificateurs sont connectés à chaque électrode, tandis que le canal différentiel de référence est relié à la canule externe. Sur le système de traitement du signal, allumez les amplificateurs et évaluez le signal extracellulaire.

En outre, vérifiez l'impédance de chaque électrode avant de la faire progresser davantage dans le cerveau. Une fois que tout a été vérifié, le chirurgien avance lentement l'électrode par des pas de 0,05 à 0,4 millimètre dans le cerveau. Les électrodes sont avancées à partir de 25 millimètres du point cible calculé en direction du S St N. Cette trajectoire fait passer l'électrode à travers le noyau huit du CAU, le thalamus, la zona Serta, et finalement dans le SDN.

Une fois que les électrodes ont pénétré le SDN, le physiologiste manipule les membres controlatéraux du patient afin de déterminer si le signal neuronal est moteur. Lorsque le chirurgien et l'expérimentateur sont satisfaits de la position des électrodes, la tâche comportementale peut être lancée. Avant de commencer la tâche comportementale, il est important de documenter la profondeur des microélectrodes et la réponse motrice du neurone isolé.

Ensuite, indiquez au sujet que la tâche va commencer. Assurez-vous que la boîte à boutons est toujours correctement positionnée et que l'écran est parfaitement visible. Démarrez l'acquisition des données et enregistrez l'activité de base pendant au moins une minute avant de commencer la tâche comportementale.

Pendant que le sujet effectue la tâche, il est important de surveiller les données capturées. En cas d'interruption pendant l'acquisition, la tâche doit être arrêtée et le problème corrigé. Les tâches peuvent être répétées plusieurs fois pour chaque profondeur.

Dans le NST, toutefois, l'enregistrement expérimental est limité à 30 minutes afin d'éviter tout inconfort pour le patient et une prolongation excessive de l'intervention chirurgicale. Commençons simplement. Pouvez-vous ouvrir et fermer votre main pour moi en portant une ampoule électrique ?

Bien. Nous allons faire passer votre pied droit. Répétez après moi. J’adore le pudding à la tapioca.

J'ai pris un train pour Topeka, Kansas. Les résultats présentés ici proviennent d'un neurone représentatif du noyau sous-thalamique enregistré pendant le jeu de guerre. Les RAs sont représentés centrés sur quatre périodes comportementalement pertinentes de la tâche : la période de fixation précédant chaque présentation de la carte du sujet, l'appui sur le bouton indiquant le pari du sujet, et la présentation de la carte de l'ordinateur ; ce sont ici des histogrammes de fréquence d'activité en fonction du temps par stimulus.

Ce neurone ne répond pas de manière robuste à la présentation de la carte du sujet, mais augmente significativement sa fréquence de décharge autour de l'appui sur le bouton. Cette activité persiste jusqu'à ce que la carte de l'ordinateur soit révélée, moment auquel la fréquence de décharge retombe à des niveaux de base. Cette technique mesure les réponses de neurones individuels dans le cerveau.

Elle peut également être combinée à d'autres mesures de l'activité neuronale, qui évaluent les réponses de population telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ou la magnétoencéphalographie. Une fois maîtrisée, cette technique peut être installée et mise en œuvre au bloc opératoire en 25 minutes. Travailler avec des êtres humains dans la salle d'opération comporte un certain nombre de limitations, notamment le temps de stérilité et, plus important encore, le bien-être du patient.

Veillez donc à garder ces points à l'esprit pendant toutes les phases de l'étude.