ביצוע משימות התנהגות בנושאים עם אלקטרודות תוך גולגולתי

סיכום

חולים מושתלים עם אלקטרודות תוך גולגולתי מספקים הזדמנות ייחודית להקלטת נתונים נוירולוגית ממספר האזורים במוח בזמן שהמטופל מבצע משימות התנהגותיות. כאן, אנו מציגים שיטה של ​​הקלטה מחולים מושתלים שיכול להיות לשחזור במוסדות אחרים עם גישה לאוכלוסיית חולים זו.

תקציר

לחולים שיש שתלי אלקטרודה סטריאו electroencephalography אלקטרודה (Seeg), רשת או עומק subdural רב של אלקטרודות מושתלות באזורים שונים של המוח שלהם ללוקליזציה של מוקד התפיסה ובאזורים רהוטים. לאחר השתלה, החולה חייב להישאר בבית החולים עד שהאזור פתולוגית של המוח נמצא, ואולי עבר כריתה. במהלך תקופה זו, חולים אלה מציעים הזדמנות ייחודית לקהילת המחקר כי כל מספר של פרדיגמות התנהגות יכול להתבצע לחשוף העצבי קושר שמדריך התנהגות. כאן אנו מציגים שיטת רישום פעילות מוח משתלים תוך גולגולתי כנתינים לבצע משימה התנהגותית שנועדה להעריך את קבלת החלטות וקידוד גמול. כל נתוני אלקטרו מאלקטרודות תוך גולגולתי נרשמים במהלך המשימה התנהגותית, המאפשרים הבדיקה של אזורי המוח הרבים המעורבים בפונקציה אחת בזמן הקשקשים רלוונטיים להתנהגות.יתר על כן, ו, חולים אנושיים יכולים ללמוד שלא כמו מחקרים בבעלי חיים במגוון רחב של משימות התנהגותיות במהירות, המאפשר את היכולת לבצע משימה אחת או יותר באותו הנושא או לבקרת ביצוע. למרות יתרונות הרבים של שיטה זו להבנת תפקוד מוח אנושי, יש גם מגבלות מתודולוגיות שאנו דנים, ובכלל זה גורמים סביבתיים, השפעות משכך כאבים, אילוצי זמן והקלטות מהרקמה חולה. שיטה זו עשויה להיות מיושמת בקלות על ידי כל מוסד שמבצע הערכות תוך גולגולתי; מתן ההזדמנות לבחון באופן ישיר את תפקוד מוח אנושי במהלך התנהגות.

מבוא

אפילפסיה היא אחת ההפרעות השכיחות ביותר במוח, המתאפיינת בהתקפים חוזרים ונשנים באופן כרוני כתוצאה מהתפרקויות חשמליות חריגות מקבוצות של תאי עצב. אפילפסיה משפיעה על 50 מיליון אנשים ברחבי העולם וכ 40% מכלל האנשים עם אפילפסיה יש התקפים סוררים שלא יכול לגמרי להיות נשלטו על ידי טיפול רפואי ^1. ניתוח עלול לגרום למצב חופשי תפיסה אם אזורי המוח אחראים על הדור של התקפים (אזור epileptogenic - EZ) הם מקומיים ומוסר בניתוח או מנותק. על מנת להגדיר את המיקום האנטומי של EZ וקרבתו לאזורים בקליפת המוח רהוטים וקורטיקליים אפשריים, מערך של כלים לא פולשנית זמין: ניתוח semiology תפיסה, הקלטות וידאו-קרקפת electroencephalographic (ictal והקלטות interictal), בדיקה נוירופסיכולוגיים , מגנט (MEG) וMRI ^2. כאשר הנתונים לא פולשנית אינם מספיקים כדי precisely להגדיר את המיקום של EZ היפותטי, כאשר יש חשד למעורבות המוקדמת של קליפת המוח הרהוט ואזורים קורטיקליים או כאשר קיימת האפשרות להתקפים רב מוקדי, ייתכן שיהיה צורך ניטור פולשני כרוני ^3,4.

שיטות של ניטור פולשני כרוני להגדרת המיקום וגבולות של EZ עשוי לכלול רשתות subdural ורצועות, עם אלקטרודות המונחות על פני השטח של המוח, והמערכה סטריאו-electroencephalography (Seeg), כאשר אלקטרודות עומק רבות ממוקמות במוח בשלושה אופנה ממדית. הקלטות תוך גולגולתי subdural בתחילה דווחו ב1939 כאשר פנפילד ועמיתיו השתמשו באלקטרודות מגע יחידים אפידורל בחולה עם שבר זמני-הקודקודית שמאלי ישן וpneumoencephalography שייחשף ניוון מוחי מפוזר ^5. בהמשך לכך, השימוש במערכי גריד subdural הפכו פופולריים יותר לאחר פרסומים רבים במהלך -1980 הפגינובטיחות ויעילות ^6. שיטת Seeg פותחה ופופולרי בצרפת על ידי ז'אן Tailarach וז'אן Bancaud במהלך -50 וכבר משמשת בעיקר בצרפת ואיטליה כשיטת בחירה של מיפוי פולשנית באפילפסיה מוקד עקשן ^7-9.

עיקרון Seeg מבוסס על מתאמי anatomo-אלקטרו קליני, אשר לוקח כעיקרון המרכזי שלה ארגון מרחב והזמן 3 ממדים של פריקת אפילפטי במוח במתאם עם semiology תפיסה. אסטרטגית ההשתלה היא אישית, עם מיקום האלקטרודה המבוססת על השערת preimplantation שלוקח בחשבון את הארגון העיקרי של פעילות epileptiform ורשת אפילפסיה היפותטי מעורבת בהתפשטות של התקפים. על פי כמה דיווחים בצפון אמריקה אירופה והאחרונים, מתודולוגיה Seeg מאפשרת הקלטות מדויקות ממבנים בקליפת המוח וקורטיקליים עמוקים, והנה לא רציפים מרוביםBES, וחקירות בין שתי המדינות, תוך הימנעות את הצורך בcraniotomies הגדול ^10-15. לאחר מכן, תמונות לאחר ניתוח נלקחות כדי לקבל את העמדה האנטומי המדויקת של אלקטרודות מושתלות. בהמשך לכך, תקופת מעקב מתחיל שבחולים יישארו בבית החולים לתקופה של 1 עד 4 שבועות כדי לתעד את פעילות interictal וictal מאלקטרודות המושתלת. תקופת מעקב זה היא זמן מתאים לחקר תפקוד מוח באמצעות ניתוח Seeg הקשור לאירוע, שכן אין תוספת סיכון והמטופל בדרך כלל רואה במחקר כדחייה מבורכת מתקופת המעקב השגרתית. ההקלטות זכו מאלקטרודות תוך גולגולתי אינן חיוניות רק להערכה וטיפול בחולי אפילפסיה השתפרה, אלא גם מספקות הזדמנות יוצאת דופן ללמוד את פעילות מוח אנושית במהלך פרדיגמות התנהגות.

כמה חוקרים כבר הבינו את ההזדמנות ללמוד הקלטות פולשנית מחולי אפילפסיה. היל et al. דיווח על המתודולוגיה להקלטת אותות electrocorticographic (ECOG) מחולים למיפוי קליפת המוח תפקודי ^16. גם הקלטות ECOG סיפקו תובנה לצימוד מנוע בשפת ^17. חולים עם אלקטרודות עומק מושתלים ביצעו משימות ניווט ללמוד תנודות מוח בזיכרון, למידת ¹⁸ ותנועת ^19. הקלטות אלקטרודה עומק שמשו גם ללמוד פרדיגמות עם רזולוציה של זמן אחר בלתי ניתנת להשגה, כגון פעילות בהיפוקמפוס עוררה ^20, פעילות עצבית ברשת ברירת מחדל במצב ^21, וכמובן הזמני של עיבוד רגשי ^22. Hudry et al למד חולים עם אפילפסיה של אונה הרקתית שהייתה להם אלקטרודות Seeg מושתלות לתוך האמיגדלה שלהם לגירויי חוש הריח לטווח קצר ²³ התאמה. קבוצה נוספת שלמדה תנועות גפיים פשוטות כגון יד כיפוף או תנועה חד צדדית של היד או רגל בbrai הבריאאתרי n מחולי אפילפסיה עם Seeg המושתל ^24,25.

המחקרים שתוארו לעיל הם דגימה קטנה של אוסף מאוד מגוון של ספרות רלוונטית. קיים פוטנציאל בלתי עביר כדי ללמוד ולהבין כיצד פועל המוח האנושי באמצעות שילוב של משימות התנהגותיות והקלטות תוך גולגולתי. אמנם יש שיטות אחרות להשגת מטרה זו, הקלטות תוך גולגולתי יש מספר יתרונות, כולל רזולוציה של זמן ומרחב גבוהה, כמו גם גישה למבנים עמוקים יותר. המחברים שואפים לתאר את המתודולוגיה הכללית להקלטה מחולים עם אלקטרודות תוך גולגולתי במהלך משימות התנהגותיות. עם זאת, יש כמה גורמים מרתיעים וחסמים להשלמת מחקר קליני בחולים שקבלו טיפול בהצלחה. מגבלות, תופעות של בלבול, ומשמעות של מחקר זה יהיו גם להיות מזוהה וחקרו.

פרוטוקול

כל המשימות בוצעו על פי פרוטוקול שאושר על שהוגש לדירקטוריון הסקירה המוסדי (IRB) של קליבלנד קליניק הקרן. תהליך הסכמה מדעת נערך עם כל מטופל לפני כל פעילות המחקר. בדוגמא זו, נושא שעומד בקריטריון מחקר שיש לו סטריאו electroencephalography אלקטרודות (Seeg) מושתלות לתפיסה נבחרה. הפרויקט נדון בנושא והם הסכימו להשתתף.

.1 גיוס חולה

1. להעריך חולים עם אפילפסיה עקשן בתמורה להשתלת אלקטרודה תוך גולגולתי. אם החולה אינו מועמד טוב לניתוח פולשני, לנתח את החולה של MRI, PET ומג יחד עם פתולוגיה התפיסה על מנת לייעל את המיקום של האלקטרודות. צוות קליני מבצע את כל ההערכות ולא מתקבלות החלטות לצורכי מחקר. .
2. לזהות חולים זכאים למחקר subsequent להערכה להשתלה ולאמת את החולים לפרוטוקול IRB אישר המבוסס על הקריטריונים להכללה / אי הכללה.
   הערה: זה הוא האינטרס הטוב ביותר של המטופל לכלול נושאים עם הילה בקריטריוני ההכללה. חולים עם הילות יכולים להודיע ​​לחוקרים שהם עומדים לקבל התקף; נותנת זמן לחוקרים ומטופל לנקוט באמצעי הזהירות הדרוש (לחיצה על אזעקת התפיסה להודיע ​​לצוות הקליני ומושך את כל הציוד מהדרך). עם זאת, אם נושאים מגויסים שאין לו הילה, להבטיח שהתקני קלט המטופל ניתן להסיר בקלות מאזור המטופל וכי צוות מודע לציוד המחקר והפרוטוקול.
3. קבלת הסכמה מדעת לפני פעילות מחקר כל בהתאם לIRB. במהלך ההסכמה מהדעת, להסביר את המחקר, תוך שימת דגש כי ההשתתפות היא בהתנדבות בקפדנות ובשום אופן להשפיע על חולי טיפול קליני. ברוב המקרים יש ליאין שום תועלת ישירה למטופל ואת נכונותם להשתתף הוא אלטרואיסטי.
4. לשמור על כבוד לזכויותיו של המטופל ועל פרטיותו בכל העת. להזכיר החולים שהמידע שלהם יהיה להישאר בעילום שם וסודי, והם עשויים להפסיק את ההשתתפות במחקר בכל עת בשום תוצאה.
5. יש לי סימן החולה ותאריך ההסכמה מהדעת אם הוא או היא מבינה ומסכים להשתתף במחקר. עותק לעזוב אחד לא נשאר עם המטופל לבחינה; צריך להיות להם שאלות או חששות לעודד החולים ליצור קשר עם הצרכן.

.2 התנהגות מערכת Set-up

1. לפני שהבאתי את הציוד לחדר, לוודא שיש מספיק מקום בחדרו של החולה, כמו גם גישה לכולים ההכרחיים (2).
2. בדוק שכל הציוד והחוטים מוכנים לזרז את להגדיר. מערכת ההתנהגות כוללת FDA ​​אישר זרוע רובוטית (המאפשר את הנושא להמשךרול סמן במהלך המשימה), מחשב נייד כדי לשלוט במערכת רכישת נתונים לאחסון נתונים אלקטרו והתנהגות תכנית ההתנהגות, צג להצגת גירויי המשימה, ו.
   הערה: הפוך את התאמות נחוצות כדי לענות על הצרכים ספציפיים של מחקרו של אחד. למשל, להשתמש בתיבת לחצן לממשק החולה במקום זרוע רובוטית.
3. אם החולה אינו ממוקם כיום באופן מתאים כדי להשלים את המשימה, לסייע לחולה לכיסא שכיבה (או מיטה) בזרועות, צריך להיות להם תפיסה.
   הערה: זה רעיון טוב כדי לדון בתכנון המחקר, הציוד, וכו 'עם כל חברי יחידת הניטור כדי ליידע אותם מה קורה, איך הקבוצה תהיה אינטראקציה עם החולים, וכל בעיות אפשריות שעלולים להתעורר.
4. כאשר המטופל מוכן, להביא את מערכת ההתנהגות לחדר ולהתחיל באתחול מערכת ההתנהגות וזרוע הרובוטית.
5. חבר את מרק אירוע הדיגיטליפלט r מהמחשב התנהגותיות לערוצי DC של מערכת רכישת אלקטרו כדי הזמן לנעול את אותות Seeg נרשמו עם סמני אירוע התנהגותי.
   הערה: במרכז זה קיימת מערכת רכישת אלקטרו נפרדת המיועדת למטרות מחקר, שאינו מפריעות למערכת הרכישה הקלינית. עם זאת, ניתן להשתמש במערכת הרכישה הקלינית על ידי עבודה עם האנשים המתאימים. כל המאמצים צריכים להיות עשויים שלא לשבש את הרכישה הקלינית.
6. כייל את הזרוע הרובוטית ולמקם אותו כך שטווח תנועה הוא נוח למטופל. אם שימוש במכשיר ממשק אחר, להבטיח שהציוד פועל באופן תקין, והוא ממוקם בנוחות לנושא להשתמש.
7. תוך שימוש בזרוע רובוטית, להבטיח כי לחצני עצירת חירום נגישים בקלות על ידי החוקרים ברחבי המשימה התנהגותית. במקרה של תפיסה, כפתור עצירת החירום הואלחץ והציוד התרחק מהמטופל, כך שהם לא יפגעו בעצמם. בנוסף, אנחנו לא משתמשים ברצועות ולקרו שמגיעות עם מערכת הרובוט כדי להקל על ההסרה מהמטופל במקרה של התקפים מתרחש.
   הערה: בדוגמא זו, יציאת המקבילית של מתקן ההתנהגות מחוברת ליציאת קלט הדיגיטלית של מערכת הרכישה באמצעות כבל יציאת מקבילית. אותות אנלוגיים נוספים, כגון מיקום x & y של הזרוע רובוטית נרשמו בו זמנית.

.3 התנהגות משימה

1. הסבר את המשימה למטופל לאחר השלמת המתקן הוקם והכיול של מכשיר הממשק.
2. השתמש במשימה התנהגותיות דומה למשחק הקלפים הילדים של "מלחמה". שאל את המטופל לעשות הימורים באשר לשאלה האם הכרטיס שלהם הוא גדול יותר מהכרטיס של המחשב. הבחירה של ההימור מבוסס על התפיסה של המטופלים של הערך היחסי של הכרטיס שלהם. לפשט את tלבקש ניתוח שלאחר מכן, על ידי שימוש רק בכרטיסים של חליפה אחת ולהגביל את הסיפון ל2, 4, 6, 8, ו10 כרטיסים ממוספרים.
3. הצג קיו קיבעון על המסך ל350 אלפית שניים. ודא המטופל מחזיק את הסמן מעל סימן הקיבעון ליזום המשימה.
4. הראה את הגירוי ל1,000 אלפית שניים. לאפשר למטופל לראות בכרטיס שלהם עם הכרטיס של המחשב לידו עם פנים כלפי מטה.
5. בעקבות היעלמות כרטיסים, להראות go-קיו (
6. לאחר ההימור נבחר, תבחין 250 - עיכוב 500 אלפיות (מסך ריק), ואחריו את ההתגלות של הכרטיס של המחשב (1,000 - 1,250 האלפיות השניים). שים לב לתוצאה (1,000 אלפיות השני), אם המשפט היה נצחון, לאבד, או לצייר וכמה היה מנצח או מפסידים.
7. לאפשר למטופל לתרגל עד שהם בטוחים בביצועים שלהם ואין להם שאלות.

.4 Data Acquisition

1. רשום את הנתונים כאשר המטופל מוכן ולוודא שההגדרות במערכת רכישת המחקר (קלינית או) הם כראוי נבחרו.
2. כבה את האורות בחדר וטלוויזיה כדי לשמור על רעש הרקע למינימום במהלך ההקלטה. בנוסף, לשאול את החולה להימנע מהתנהגויות כגון תופף ברגל שלהם, מדבר או רועד רגליהם.
3. להתחיל את המשימה ולהקליט את המטופל לבצע את המשימה. לשאול את הנושא כדי לבצע את המשימה למשך 30 דקות. קצב הדגימה של מערכת הזרוע הרובוטית הוא KHz 1, וזו של מערכת הקלטת Seeg היא 2 KHz.
   הערה: משך זה עשוי להיות שונה עבור פרדיגמות אחרות.

ניתוח .5 נתונים

1. ראשית, דה לזהות נתונים Seeg נרשמו על מנת להבטיח שInforma של המטופלtion נשאר חסוי וש/ נתוניו הוגשו בעילום שם.
2. השג את הקואורדינטות של מיקום האלקטרודה מMRI CT ולפני הניתוח שלאחר הניתוח.
3. יישר את הרישומים חשמליים עם חותמות הזמן הדיגיטליים של אינטרסים מהמשימה התנהגותית.
4. ליישם שיטות ניתוח אותות לנתח את אפנון פעילות מוחית אירוע תלוי.
   הערה: במחקר זה, צפיפות ספקטרלית כוח (PSD) של האירוע שקשור אותות Seeg חושב באמצעות ארגז הכלים multitaper Chronux ^26,27. כל נתוני ניסוי היה מיושר ביחס לאירוע הרלוונטי (זמן אפס), וPSD מחושב היה מנורמל בכל סל תדירות ביחס לPSD תחילת המחקר.

תוצאות

בתוצאות אלו אנו מציגים הניתוח של נתונים Seeg מהמערכת הלימבית שנתפסה בנושא אחד ששיחק את המשימה המלחמה. אנו יכולים להוכיח כי היבטים שונים של המשימה המלחמה לעורר גמא להקה משמעותית (40 - 150 הרץ) אפנון במערכת הלימבית (איור 1). כפי שניתן לראות, בקליפת המוח הראייתית, תגובה בפס רחבה המצגת של אובייקט על תוצאות המסך בהשהיה מהירה (~ 200 אלפיות שני), ללא קשר לשעת חירום המשימה. בנוסף, נראה שיש הבדלים במשך התגובה בתקופת השכר ופרש פוטנציאלים בין כוחה של התשובה העוררת לניסויי un...

דיון

כאן יש לנו הצגתי שיטה לביצוע מחקרי אלקטרו תוך גולגולתי בבני אדם כפי שהם עוסקים במשימה התנהגותית. מתודולוגיה זו והתמורות פשוטות שלה הן חשובים ללימוד תנועה והכרה אנושיות. בעוד מטבעו קיים יתרונות וחסרונות לכל טכניקה, יש הקלטה מאלקטרודות תוך גולגולתי יתרונות על פני שיטות אלקטרו והדמיה אחרות. שני היתרונות הגדולים הם היכולת לאסוף נתונים באיכות גבוהה עם שליטה ועיצוב של משימות התנהגותיות טובים יותר.

יש לי הקלטות אלקטרודה...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
InMotion ARM	טכנולוגיות תנועה אינטראקטיביות	InMotion Arm	http://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/ ציוד שהמעבדה שלנו השתמשה בו, יכול להשתמש בציוד אחר לאיסוף נתונים
MATLAB	Mathworks Inc	MATLAB	http://www.mathworks.com/ דרוש גרסה r2007b ומעלה כדי להריץ את ארגז
Data Acquisition	Mathworks Inc	Data Acquisition Toolbox	http://www.mathworks.com/products/daq/ חייב להריץ
ארגז הכלים לעיבוד תמונה	Mathworks Inc	ארגז כלים לעיבוד תמונה	http://www.mathworks.com/products/image/ חייב להריץ את Monkeylogic
	Monkeylogic Wael Asaad ודיוויד פרידמן	Monkeylogic	http://www.brown.edu/Research/monkeylogic/ להורדה בחינם, חייב להיות MATLAB כדי להריץ
את Chronux	Medametrics, LLC	ארגז כלים לעיבוד נתונים	http://www.chronux.org/
סיעור		יישום ניתוח MEG/EEG	http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
מחשב נייד	Dell	Latitude E5530	http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd? ST=dell%20latitude%20e5530& dgc=ST& cid=263756& lid=4781504& acd=12309152537461010
NI כרטיס	National Instruments	NI USB-6008	http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986 12 סיביות, 10 kS/sec DAQ רב-תכליתי בעלות נמוכה

הכלים של Monkeylogic את של Monkeylogic מוחות