שימוש Saccadometry עם דיפ גירוי המוח לחקר תפקוד מוח נורמלי ופתולוגיים

Summary

מאמר זה מתאר את השימוש במדידה כמותית של תנועות עיניים בשילוב עם גירוי של אזורי מוקד במוח העמוק על מנת לחקור פיזיולוגיה, פתופיזיולוגיה ומנגנוני גירוי מוחי עמוק.

Abstract

המערכת האוקולומוטורית מערבת מספר רב של אזורים במוח כולל חלקים מגרעיני הבסיס, ומחלות ניווניות שונות כולל פרקינסון והנטינגטון יכולות לשבש אותה. אנשים עם מחלת פרקינסון, למשל, נוטים לסבול מחביון סקדי מוגבר. כתוצאה מכך, המדידה הכמותית של תנועות עיניים סקדיות זכתה לתשומת לב רבה כסמן ביולוגי פוטנציאלי למצבים ניווניים. אפשר ללמוד הרבה יותר על המוח גם בבריאות וגם בחולי על ידי התבוננות במה שקורה לתנועות עיניים כאשר התפקוד של אזורים מסוימים במוח מופרע. גירוי מוחי עמוק הוא התערבות כירורגית המשמשת לניהול מגוון מצבים נוירולוגיים כולל מחלת פרקינסון, שבה אלקטרודות מגרות ממוקמות באזורים ספציפיים במוח כולל מספר אתרים בגרעיני הבסיס. לאחר מכן ניתן לבצע מדידות של תנועת העיניים עם מערכות הממריצים הן כבויות והן מופעלות ולהשוות את התוצאות. עם תכנון ניסיוני מתאים, ניתן להשתמש בגישה זו כדי לחקור את הפתופיזיולוגיה של המחלה המטופלת, את המנגנון שבאמצעותו DBS מפעיל את ההשפעות המועילות שלה, ואפילו היבטים של נוירופיזיולוגיה נורמלית.

Introduction

בשנים האחרונות חל עניין גובר השימוש מדיד של זמני תגובה כדרך כמוני ולא פולשנית של צובר מידע על מנגנוני רמה הגבוהה של החלטה עצבית ביצוע ^1. סוג אחד של זמן תגובה כי נחקר בהרחבה הוא הזמן שנדרש כדי ליזום saccade על הצגת גירוי חזותי, המכונה חביון saccadic. הקפיצות האלה הם תנועות עיניים מהירות המתרחשות כאשר אנו במהירות משמרת מבטנו ממקום אחד למשנהו. הם הסוג הנפוץ ביותר של תנועות עיניים שאנו עושים, המתרחשים בתדירות של טיפוסי שתיים או שלוש לשנייה. Saccade כל הוא למעשה החלטה להסתכל מוט אחד בעולם הוויזואלי במקום ² אחר.

המסלולים העצביים שליטת תנועות עיניים נחקרו רבים והם די טובים מתועדים ^3. באמצעות ציוד אלקטרוני רגיש, היבטים של תפקוד oculomotor יכול להיות מדויק objectively לכמת. זה מקל על המחקר המפורט של תנועות עיניים עצמם אלא גם מאפשר להם לשמש ככלי לחקור תחומים אחרים של לנוירופיזיולוגיה והפתופיזיולוגיה.

מדידת תנועות עיניים יכולה לספק מידע שימושי על מצב מחלה. תנועות עיניים Saccadic לא מזמן, למשל, זכה לתשומת לב רבה כמו סמנים ביולוגיים פוטנציאליים בהפרעות ניווניות כולל מחלות ^4,5 ופרקינסון הנטינגטון ^6,7, וזה כבר הוכח כי זמני התגובה saccadic נוטים להיות איטי מהרגיל בתנאים אלה. שימושים אפשריים של מדידת saccadic כוללים עזרים לאבחון ומעקב מחלה. משימות Saccadic נעות בין prosaccade הפשוטה (מחפשת כמה שיותר מהר לכיוון גירוי חזותי המופיע פתאום שמאלה או ימינה) משימות מורכבות יותר כגון antisaccade (מחפש כמה שיותר מהר אל הצד הנגדי לגירוי חזותי) או זכרוני saccade מודרך (מחפשלעבר מקום הזכר של מטרה כי הוא כבר לא שם).

גירוי מוחי עמוק הוא טיפול יעיל תנאי נוירולוגיות שונים. זה הוא הנפוץ ביותר לטיפול בסימפטומים המנוע של מחלת פרקינסון כולל רעד, נוקשות, bradykinesia, ו dyskinesia. כמו כן הוא משמש לטיפול בהפרעות תנועה אחרות כולל דיסטוניה ורעד חיוני, ופחות נפוץ עבור כאב נוירופתי, אפילפסיה, הפרעות פסיכיאטריות כגון הפרעת אובססיבית כפייתית. זה המסגרת היחידה שבה יש מדעני גישה חשמלית ישירה מבנים עמוקים של המוח האנושי in vivo ובכך מציע הזדמנות נדירה עבור לנוירולוגיה ניסויית. מגוון של מטרות הם גירוי תלוי לבעיה מטופלת, כולל בכמה מקומות בגרעיני הבסיס, שרבים מהם מעורבים מסלולי oculomotor. משמעות הדבר היא כי מגוון של מחקרים רחב ניתן לבצע באמצעות מערכת DBS לספק גירוילמיקום מוח נתון מכשיר מעקב עיניים להקליט ולנתח את השפעותיו. בהתאם פרדיגמה ניסויית, מחקרים כאלה עשויים להניב מידע על הפיזיולוגיה של האזור מגורה, את ההשפעות של המחלה, או את המנגנון שבאמצעותו DBS פועלת באותה הגדרה מסוימת. מאמר זה מתאר גישה כללית בדיקות תנועות עיניים saccadic בחולים גירוי עמוק המוח.

סוגים שונים של ציוד מעקב עיניים זמינים. עבור המחקר המתואר בפרוטוקול זה saccadometer נייד שמש להקליט תנועות עיני saccadic אופקיות. Saccadometers הנייד יש את היתרון של לא המחייב משענת הראש (ראה איור 1), כלומר הפעלות הן נוחות יותר עבור חולים עם מחלת פרקינסון, במיוחד עבור אלה הסובלים עם Tardive החמור. Saccadometer משמש כאן הוא קל משקל כ רחב 5 ס"מ ו -10 ס"מ. Saccadometer צפחותתנועות עיני מיל ידי השימוש oculography אינפרא האדום הישיר: מקור אינפרא אדום חיישן מתמקם מול אור שימוש canthus המדיאלי מוחזר מן הקרנית כדי לקבוע את מיקום הסיבוב של גלגל העין במרווחי זמן האלפית שני. על מנת להשיג נתונים באיכות טובה עבור ניתוח saccadometer צריך לדגום בקצב של kHz 1 לפחות עם לפחות רזולוציה של 12 ביט. בשנתי ה saccadometer משמש כאן הגירויים החזותיים היו שלוש אדום 13 cd מ ^-2 נקודות של אור המיוצר על ידי מובנה לייזרים צריכים חשמל נמוכים, כל נקודה subtending כ 0.1 מעלות, עם נקודה אחת קו האמצע ואת השניים האחרים ב ± 10 מעלות (כלומר , ימינה ושמאל).

איור 1. Saccadometer. ראש רכוב saccadometer מצורף גומייה ומונח על גשר האף. ארבעה לייזרים מיניאטורי להקרין יעד חזותיים על משטח מט, ואת תנועות העיניים של המשתתף נמדד על ידי התמר החזרה אינפרא אדום הפרש בצד האף של כל עין. כמו מטרות לייזר לנוע עם הראש, משענות הראש אינם נדרשים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Protocol

ועדת האתיקה המקומית אישרה במחקר זה והודיע ​​הסכים התקבל המשתתפים כמפורט להלן בסעיף 1.

1. הסכמה משתתף

1. לתת למשתתפי דף מידע המסביר בפירוט מה פגישת הבדיקות תכלול.
2. יש אחרי למשתתפי ההזדמנות לקרוא ולדון שאלות, בעיות או בנושאים אחרים הקשורים המשתתף שלהם במחקר, לעבור את טופס ההסכמה איתם, להסביר כל נקודה על טופס ההסכמה ולתת להם את ההזדמנות כדי לשאול שאלות הם אולי. שאל המשתתף למלא את הטופס.

2. הגדרת Saccadometer

1. מניחים את המכשיר על ראשו של המטופל, מאובטח על ידי רצועה אלסטית מתכווננת נח על גשר האף. בגלל הגירויים להעביר בדיוק עם הראש, לא-משענת ראש היא הכרחית ואת המכשיר נוח אח"לr.
2. בקש מהמטופל לשבת ב -1.5 מ 'ממסך מט שטוח.
3. ודא התאורה המפוזרת מעומעמת כך הגירויים (כתמי אור אדומים) נראים בבירור.

3. הקלטת מושב Saccadic

הערה: כדוגמא פרוטוקול סטנדרטי שבודק הוא prosaccades ו antisaccades ⁸ מתואר כאן. פרוטוקול זה מורכב מחמישה רחובות: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, ו -60 prosaccades עם הפסקה של 1 דק 'בין בלוקים. הטיפול נמשך כ -40 דקות.

1. הגדרת saccadometer כך עבור כל ניסוי יעד הקיבעון המרכזי מוצג לתקופה-קדמית אקראית של 1.0 - 2.0 שניות, ולאחר מכן היא מסולקת ואחד היעדים ההיקפיים מופיעה, באקראי ⁹ ימינה או שמאלה.
   הערה: השלושה היעדים הם כתמים של אור אדום מוקרן על המסך מול המשתתף (ראה 2.2) על ידי לייזרים מופעלים נמוכים המובנה בתוך saccadometer. Saccadometer AUTomatically מתגי הלייזרים לסירוגין כדי להציג / לכבות את מטרות הרצף ההכרחי.
2. הדרך את המשתתף כי בדיקות מורכב מחמישה בלוקים עם הפסקה דקה אחת בין גושים.
3. לפני הבלוק הראשון להורות המשתתף שברצונך להעביר עיניהם במהירות ובדיוק כפי ניתן להתחקות אחר הנקודה האדומה קופצת מהמרכז לצד זה או אחר וכן להורות להם לעשות פעמים 60 זה.
4. הגדר את saccadometer כדי ליצור רצף של 60 ניסויים. לחצו על מקש על saccadometer להתחיל את הבלוק הראשון של הניסויים (prosaccades).
5. לאחר השלמת הבלוק הראשון, להשאיר פער דקה אחת לפני הגוש השני. אפס את saccadometer כדי ליצור רצף של 40 ניסויים, ולקראת סוף הפער הדק אחת, להורות המשתתף עבור הבלוק הבא להזיז את העיניים שלהם מהר ככל האפשר בכיוון ההפוך אל הנקודה האדומה, ולהסביר כי הם יהיו יידרש לעשות 40 פעמים זה. הפעל את השניותבלוק ond של ניסויים (antisaccades).
6. לאחר השלמת הבלוק השני, להשאיר פער 1 דקות נוספות, לחזור על ההוראה בשלב 3.5 ולהתחיל הבלוק השלישי של הניסויים (antisaccades).
7. לאחר השלמת לחסום השלישי, להשאיר פער 1 דקות נוספות, לחזור על ההוראה בשלב 3.5 ולהתחיל הבלוק הרביעי של ניסויים (antisaccades).
8. לאחר השלמת לחסום הרביעי, להשאיר פער 1 דקות נוספות, ולהסביר כי עבור בלוק של בדיקות הסופי לשאול את המשתתפים להזיז את העיניים במהירות ובדיוק כפי ניתן להתחקות אחר נקודה אדומה קופץ מהמרכז לצד זה או אחרים, בדיוק כפי שעשו בגוש הראשון.
9. אפס את saccadometer כדי ליצור רצף של 60 ניסויים, ולהתחיל את סופי לחסום של ניסויים (prosaccades).

משימות איור 2. תנועות עיניים. Illustrati סכמטיעל מראה שתי דוגמאות של משימות saccadic. הנקודה בצבע הכחול המלאה מייצגת את היעד ואת העיגול הכחול המקווקו מייצג את האזור של קיבעון. שמאלי מציגה משימת prosaccadic שבו הנושא מתבקש להסתכל לעבר המטרה. RIGHT מראה antisaccade שבו הנושא הוא בקש לנתק את מבטו מן הגירוי החזותי . זה דורש עיכוב תגובת prosaccade הטבעית יותר הדור של saccade בכיוון ההפוך. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

4. הגדרות גירוי מוחי עמוק

הערה: משתתפים עם לגירוי מוחי עמוק לנהל את הבדיקות עד כה עם מפעיל מערכת ממריץ כרגיל, כלומר, בסיס נתונים "על גירוי 'התקבל. בדיקה כעת יש צורך לחזור עם מערכת הממריץ כבויה (למשתתפי ביקורת בריאים ללא מערכות DBS סעיף זה לא יחול).

1. החלף את מערכת DBS כבוי. עושים זאת על ידי צוות רפואי מיומן. אפשר 30 דקות לפני הבדיקה.
2. חזור על בדיקות saccadic (שלבים 3.2 - 3.9) להשיג במערך שלם 'את הגירוי ".
3. החלף את מערכת DBS בחזרה על (שוב זה צריך להיעשות על ידי צוות קליני מאומן כראוי).

ניתוח 5. נתונים

הערה: משתתפים עם לגירוי מוחי עמוק לנהל את הבדיקות עד כה עם מפעיל מערכת ממריץ כרגיל, כלומר, בסיס נתונים "על גירוי 'התקבל. בדיקה כעת יש צורך לחזור עם מערכת הממריץ כבויה (למשתתפי ביקורת בריאים ללא מערכות DBS סעיף זה לא יחול).

1. הורד את הנתונים הגולמיים מן saccadometer למחשב לניתוח.
2. השתמש בתוכנה של saccadometer להוציא הקפיצות האלה distorטד ידי מהבהבת ותנועות הראש, וכדי לחשב משתנים ובהם latencies saccadic, מהירויות שיא, ואמפליטודות.
   הערה: הרשומות מזוהמות תנועות ראש מוגזמות או מהבהבת יוסרו באופן אוטומטי על ידי התוכנה.
   1. הסר הקפיצות האלה עם חביון פחות מ -80 מילי-שניות או יותר מ -1,000 msec.
      הערה: חביון Saccadic מחושב באופן אוטומטי באמצעות אלגוריתם saccade איתור המבוסס על מהירות ותאוצה. תחילתה של saccade מזוהה כנקודה כאשר מהירות העין עוברת סף של 5 מעלות / sec.

Results

איור 3 מציג דוגמה של מסלולי תנועות עיניים saccadic, מחולה מחלת פרקינסון עם מערכת subthalamic גרעין DBS המושתל. שני גרפי עלילת prosaccades של החולה עם מערכת הממריץ כבויה (גרף עליון) ודליקה (גרף תחתון). כל זכר על הגרפים מראה את מסלולו של saccade יחיד, כלומר, איך את עמדת העין במעלות הרחק (ציר y) קו האמצע משתנה כפונקציה של הזמן (ציר x). שתי קפיצות האלה שמאלה וימינה מוצגות בגרף כמו סטיות לערכי תואר חיוביים. זמן אפס הוא הרגע כי ...

Discussion

הגורם הקריטי ביותר בהשגת נתוני saccadic באיכות טובה הוא להבטיח כי ההוראות שניתנו המשתתף ברורות ומדויקות. לדוגמא, אם את ההוראות למשימת antisaccadic אינן ברורות לחלוטין, המשתתף צפוי לבצע prosaccades במקום. הקלטות יכולות להיות מפונקות גם אם המשתתף לא יכול לראות את הגירויים בבירור או saccadometer לא יכול לאמוד עמדת עין במדויק. לכן, אם הנתונים מופיעים להיות באיכות נמוכה הנסיין צריך לבדוק כי אור הסביבה הוא לא בהיר מדי וכי saccadometer יושב כמו שצריך על גשר האף.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מכשיר Saccadometer	Ober Consulting Poland
מחשב עם תוכנת סביבת
, מד חביון להורדת הנתונים הגולמיים מהסקדומטר