Registrazione dell'attività neuronale corticale e sottocorticale utilizzando sistemi di elettrodi

Abstract

Fonte: Trenado, C., et al. Registrazioni neurofisiologiche di superficie invasive e non invasive per la valutazione delle funzioni cognitive ed emotive negli esseri umani. J. Vis. Exp. (2016).

Questo video mostra il processo di registrazione dell'attività neuronale corticale e sottocorticale utilizzando elettrodi di elettroencefalografia (EEG) e stimolazione cerebrale profonda (DBS) durante un test di stimolazione visiva basato sull'attenzione.

Protocol

Tutte le procedure che coinvolgono partecipanti umani sono state eseguite in conformità con le linee guida istituzionali, nazionali e internazionali per il benessere umano e sono state esaminate dal comitato di revisione istituzionale locale.

1. Progettazione del Paradigma Sperimentale e Consenso del Paziente

NOTA: Progetta un paradigma sperimentale o seleziona un paradigma sperimentale esistente per mirare a un aspetto cognitivo/emotivo di interesse.

1. Seleziona i pazienti che si sottoporranno al trattamento DBS. Chiedi se il paziente soddisfa i criteri di inclusione dello studio. In caso affermativo, ottenere il consenso informato firmato dal paziente e/o dalla commissione etica (se applicabile) per effettuare una registrazione post-operatoria e l'applicazione del rispettivo paradigma cognitivo.
   nota: La registrazione post-operatoria avviene il giorno successivo all'esecuzione di un primo intervento chirurgico di DBS per l'impianto di elettrodi DBS (insieme alla loro corrispondente esternalizzazione dalla testa per mezzo di cavi speciali) e prima di un secondo intervento chirurgico per l'impianto permanente di elettrodi DBS e stimolatori.
   1. Nell'attività Flanker (Esempio 1), ottenere il consenso informato firmato da un paziente con un disturbo del movimento (ad esempio, malattia di Huntington o Parkinson) per effettuare una registrazione post-operatoria. L'obiettivo dell'esperimento Flanker è testare la capacità del paziente di adattarsi al comportamento di errore e determinare come tale adattamento si rifletta nell'attività oscillatoria cerebrale a livello corticale e sottocorticale><. NOTA: La scelta di un paziente è dettata dal meccanismo cognitivo da affrontare e dal disturbo del paziente. Nell'esempio del caso DBS-DOC (Esempio 2), è stata selezionata una paziente DOC di sesso femminile che ha subito un trauma cranico all'età di 38 anni. A causa delle condizioni del paziente che limitano il consenso informato, il trattamento con DBS e la partecipazione sperimentale sono stati approvati esclusivamente dalla commissione etica locale. L'obiettivo principale della registrazione postoperatoria DOC era quello di determinare se la funzione cerebrale in relazione all'elaborazione cognitivo-emotiva fosse ancora intatta in un paziente con un disturbo della coscienza così grave.
2. Scegli tra il tipo di stimolo da presentare (uditivo, visivo). Identificare l'ordine di presentazione dello stimolo (disegno a blocchi o misto). Selezionare la durata dello stimolo, l'intervallo interstimolo (ISI) e il numero di prove.
   1. Come esempio pratico, eseguire l'attività Flanker (Esempio 1, Figura 1A), per esaminare la capacità di adattare il comportamento in risposta all'impegno degli errori di risposta. Questo compito consiste in stimoli visivi (punte di freccia affiancate disposte verticalmente).
   2. Fiancheggia lo stimolo bersaglio (punta di freccia al centro) con due frecce adiacenti (sopra e sotto il bersaglio) che puntano nella stessa direzione (compatibile) o opposta (incompatibile). Inoltre, considera le prove di arresto (cerchio al centro).
   3. Presenta il bersaglio a sinistra o a destra e chiedi al partecipante di premere un pulsante di risposta con il pollice sinistro o destro. Nelle prove di arresto, istruire i partecipanti a non rispondere. Presenti i fiancheggiatori 200 msec prima del bersaglio. Visualizzare l'obiettivo per 300 msec e impostare l'intervallo di stimolo di risposta su 2.000 msec (il tempo trascorso è indicato da un segnale acustico). Presenta un totale di quattro blocchi di 120 stimoli ciascuno in questo compito. Presentare stimoli compatibili (60%), incompatibili (20%) e interrompere la prova (20%) in modo casuale.
      nota: Questo valore dell'intervallo di stimolo è stato scelto per evitare un gran numero di prove mancate quando si considerano i pazienti con disabilità motoria. I flanker e i bersagli sono stati spenti contemporaneamente e i pazienti sono stati istruiti a rispondere il più rapidamente possibile.
      nota: Nell'esempio del caso DBS-DOC (Esempio 2, Figura 1B), il paradigma sperimentale consisteva in stimoli vocali neutri non indirizzanti e di indirizzo familiare26 in un disegno a blocchi. La durata dello stimolo è stata impostata a 4 secondi (con un intervallo interstimolo randomizzato di 4 5 secondi). In questo paradigma sono stati considerati un totale di 80 studi per condizione (Figura 1B).
3. Immagina i vincoli e le esigenze fisiche del paziente in una registrazione post-operatoria. Nello specifico, determinare se il paziente è in grado di utilizzare la tastiera del computer considerando la presenza di movimenti coreografici eccessivi (malattia di Huntington) o tremori (morbo di Parkinson).
   1. Assicurarsi che il paziente possa vedere il monitor (poiché l'anestetico locale o il telaio stereotassico della testa applicato durante l'intervento chirurgico di DBS potrebbero aver causato gonfiore al viso e intorno agli occhi) e sedersi comodamente per tutta la durata dell'intero esperimento. Non eseguire l'esperimento se il paziente non soddisfa queste condizioni.

2. Configurazione per registrazioni postoperatorie sottocorticali (potenziali di campo locali o LFP) e di superficie (EEG)

1. Installare l'apparecchiatura EEG (vedere Materiali nei file supplementari) nella stanza in cui verrà condotto l'esperimento. Collegare il computer di registrazione al sistema EEG. Avviare il software di registrazione EEG (vedere "materiali" nei file supplementari).
2. Fare clic su "File" e poi su "Nuovo spazio di lavoro" per definire lo spazio di lavoro nel software di registrazione EEG specificando: una frequenza di campionamento di 5 kHz, una frequenza di taglio bassa (DC) e una frequenza di taglio alta (1.000 Hz), canali EEG secondo il sistema internazionale 10/20 (almeno: fronto-centrale (Fz), centro-centrale (Cz), riferimento fronto-polare (Fpz) e terra (mastoide) e, a seconda del paradigma, anche parieto-centrale (Pz), canali occipito-centrale (Oz), temporale (T3/T4), fronto-mediale (F3/F4), fronto-laterale (F7/F8) ) (Figura 2D) e LFP (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 (emisfero sinistro, Figura 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 e LFPR3 (emisfero destro)). Fare clic su "Monitor" per verificare che i canali specificati siano ora configurati per la registrazione.
   nota: L'area di lavoro deve essere preparata in anticipo per ridurre al minimo il tempo dell'esperimento e supervisionare modifiche impreviste nella configurazione della registrazione. Ciò garantirà la massima risoluzione temporale, le corrette impostazioni del filtro, un'adeguata frequenza di campionamento e una corretta selezione dei canali di interesse.
3. Configurare il computer di stimolo collegando la porta parallela al sistema EEG. Avvia il software di stimolo. Fare clic su "esegui" per verificare la funzionalità del paradigma sul monitor del computer (stimoli visivi) e/o sugli altoparlanti (stimoli uditivi, segnali sonori). Assicurarsi che i marcatori (trigger) del computer dello stimolo vengano letti nel sistema di registrazione durante la presentazione degli stimoli e la risposta del soggetto, controllando il loro aspetto sul software di registrazione EEG.
   nota: I trigger dei dispositivi di stimolo devono avere una durata di almeno 200 μsec per essere rilevati dal sistema EEG (con una frequenza di campionamento di 5 kHz). Poiché i trigger sono marcatori di eventi correlati a eventi o attività correlate all'evocazione che si verificano in un determinato periodo di tempo, la loro funzione è cruciale per l'analisi dei dati a posteriori. Nell'esempio del caso DBS-DOC (Esempio 2), il paradigma sperimentale (Figura 1B) consisteva in stimoli uditivi (voci familiari e non familiari), quindi i trigger sono stati impostati all'inizio e alla fine di ogni stimolo presentato. Nel caso dell'attività Flanker (Figura 1A), i trigger sono stati impostati nell'istante in cui 1) sono comparsi i flanker e gli stimoli target, 2) il paziente ha risposto e 3) è stato udito un segnale acustico per informare il paziente che il tempo di risposta era scaduto.
4. Segna il vertice della testa del paziente come punto medio tra il naso e l'inione utilizzando un pennarello cutaneo e seguendo il consiglio di un neurologo esperto o di uno specialista EEG. Inoltre, contrassegnare le posizioni degli elettrodi EEG scelte utilizzando il sistema 10-20. Collegare gli elettrodi di superficie EEG al cuoio capelluto pulendo prima ogni punto selezionato con un tampone di alcol isopropilico e quindi utilizzando una pasta abrasiva><. nota: Tali azioni sono limitate dal posizionamento di bende sulla testa del paziente DBS. Tuttavia, un neurologo esperto dovrebbe essere in grado di definire una posizione appropriata (approssimativa) per ogni elettrodo/canale. Per garantire un contatto corretto, spostare i capelli in modo che non siano d'intralcio (se applicabile). Grazie alla loro facilità di posizionamento, è possibile utilizzare elettrodi autoadesivi fissati con nastro chirurgico.
5. Collegare gli elettrodi DBS esternalizzati a un'estensione percutanea. Collegare la prolunga percutanea al connettore del cavo esterno. Collegare ciascun elettrodo fornito dal connettore del cavo esterno alla scatola di controllo EEG in base alla configurazione della registrazione EEG. Collegare gli elettrodi del cuoio capelluto EEG alla scatola di controllo EEG collegando prima la messa a terra e il riferimento.
6. Collegare gli elettrodi EMG (elettrodi di riferimento e attivi) ai muscoli specificati pulendo prima l'area con un tampone di alcol isopropilico. Quindi, collegare gli elettrodi EMG alla scatola di controllo EEG.
   nota: Questo passaggio è facoltativo e viene condotto principalmente quando i compiti motori sono considerati nel paradigma o quando è richiesto il monitoraggio dell'attività dei muscoli, come nel caso di pazienti con disturbi motori.
7. Fare clic su "Monitor" per visualizzare i dati. Assicurarsi che i segnali EEG ed EMG visualizzati sul monitor siano privi di artefatti rilevando la presenza di jittering e componenti ad alta frequenza sovrapposti. Consulta le linee guida sui tipi di artefatti e altri fattori relativi alla registrazione dei segnali elettroencefalografici35 e/o richiedi consiglio tecnico a un neurologo o neuroscienziato esperto fino a quando non acquisisci familiarità con il tipo di disturbi presenti in tali registrazioni fisiologiche.
   nota: Questo passaggio è importante per garantire segnali di alta qualità per l'analisi dei dati offline.

3. Registrazione dell'attività cerebrale post-operatoria sottocorticale (LFP) e di superficie (EEG)

1. Fornire istruzioni al paziente. Assicurarsi che il paziente sia a suo agio e istruirlo a interrompere l'esperimento in qualsiasi momento di disagio.
2. Fare clic su "Esegui" sul software di stimolo in modo che il paziente sia in grado di vedere il paradigma sul monitor e/o ascoltare i toni e i suoni dei segnali. Eseguire una sessione di allenamento con il paziente fino a quando non si sente a proprio agio con l'attività. Avviare la registrazione simultanea dell'attività cerebrale sottocorticale (LFP) e corticale (EEG) mentre il paziente esegue il compito sperimentale.
   nota: Nel caso dell'esempio DBS-DOC (Esempio 2) il paradigma consisteva in stimoli uditivi in un disegno a blocchi come descritto in (Figura 1B). Nel caso del compito Flanker (Figura 1A), gli stimoli visivi corrispondenti a tre condizioni (compatibile (60%), incompatibile (20%) e stop-trial (20%)) sono stati presentati in modo casuale all'interno di ciascun blocco (design misto), ogni blocco consisteva di 120 stimoli e il paradigma consisteva in un totale di quattro blocchi. Dopo che l'attività è stata finalizzata, i dati vengono memorizzati sul disco rigido del computer di registrazione per un successivo screening offline e analisi quantitativa.

Results

Figura 1: Esempi di paradigmi sperimentali. (A) (Esempio 1) Compito del fiancheggiatore: lo stimolo del bersaglio (punta di freccia al centro) è affiancato da due frecce adiacenti (sopra e sotto il bersaglio) che puntano nella stessa direzione (compatibile) o opposta (incompatibile), sono state prese in considerazione anche le prove di arresto (cerchio al centro). Quando il bersaglio è puntato a sini...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Amplificatore BrainAmp	Brain Products GmbH, Gilching Germania		Quantità: 2
Software di registrazione BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching Germania		1 Licenza
Software per l'analisi BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching Germania		1 Licenza
Cavi in fibra ottica e connettori USB	Brain Products GmbH, Gilching Germania		Questi vengono forniti con l'attrezzatura sopra elencata
Scatola di ingresso elettrodo (64 canali)	Brain Products GmbH, Gilching Germania		Quantità: 1
gel per elettroencefalogramma	Natus Inc		Quantità: 1
Alcool isopropilico	Schülke & Mayr GmbH, Germania		Quantità: 1
Gel per la preparazione della pelle	Weaver and Co, Stati Uniti		Quantità: 1
MATLAB	Math-Works, Natick, Massachusetts, Stati Uniti		1 Licenza
Cassetta degli attrezzi FieldTrip	http://www.fieldtriptoolbox.org/		Open Source
Sistema INOMED MER	INOMED Corp., Emmendingen, Germania		Quantità: 1
Macroelettrodi (derivazione DBS quadripolare modello 3387)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, Stati Uniti		Quantità: 2
Prolunghe percutanee sterili (modello 3550-05)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, Stati Uniti		Quantità: 2
Cavo twist lock (modello 3550-03)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, Stati Uniti		Quantità: 2
connettori su misura per connettori DIN 428092 touch proof			Quantità: 2
Kit di cavi Vercise DB -2201	Boston Scientifico		Quantità: 2
Kit di estensione dei contatti NM-3138	Boston Scientifico		Quantità: 2
Cavo OR e prolunga SC-4100 A	Boston Scientifico		Quantità: 2
connettore a prova di tocco	Twente Medical Systems International B.V.		Quantità: 2
Scanner TC Modell PQ2000 (Scansioni TC postoperatorie)	Philips Healthcare GmbH Amburgo		Quantità: 1
Software di presentazione (Flanker Task)	Sistemi neurocomportamentali Inc.		1 Licenza