Invasiva sottocorticali e superficie non invasiva neurofisiologiche registrazioni per la valutazione delle cognitivo ed emotivo funzioni combinate negli esseri umani

Sommario

Il presente protocollo mira a valutare le funzioni cognitivo-emotive nei gangli della base mediante la registrazione neurofisiologica simultanea dei potenziali di campo locale e dell'attività corticale cerebrale (EEG) non invasiva. La procedura è esemplificata dall'uso di paradigmi che coinvolgono stimoli vocali con connotazione emotiva o il compito Flanker che coinvolge il controllo cognitivo.

Abstract

Nonostante il successo nell'applicazione elettroencefalografia non invasiva (EEG), magneto-encefalografia (MEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per estrarre informazioni cruciali sul meccanismo del cervello umano, tali metodi restano insufficienti per fornire informazioni sulle fisiologiche processi che riflettono le funzioni cognitive ed emotive a livello subcorticale. A questo proposito, gli approcci clinici invasivi moderni in esseri umani, come la stimolazione cerebrale profonda (DBS), offrono una straordinaria possibilità di registrare l'attività cerebrale sottocorticale, potenziali di campo e cioè locali (LFPs) che rappresentano l'attività coerente delle assemblee neurali da gangli basali localizzati o regioni del talamo . Nonostante il fatto che i metodi invasivi nell'uomo sono applicati solo dopo indicazione medica e dati così registrati corrispondano ai circuiti cerebrali alterati, informazioni preziose può essere acquisita per quanto riguarda la presenza delle funzioni cerebrali intatte in relazione oscillatorio cervellol'attività e la fisiopatologia dei disturbi in risposta a paradigmi cognitivi sperimentali. In questa direzione, un numero crescente di studi DBS in pazienti con malattia di Parkinson (PD) bersaglio non solo le funzioni motorie, ma anche i processi di livello superiore, come le emozioni, il processo decisionale, l'attenzione, la memoria e la percezione sensoriale. Recenti studi clinici sottolineano anche il ruolo di DBS come un trattamento alternativo nei disturbi neuropsichiatrici che vanno dal disturbo ossessivo-compulsivo (OCD) per malattie croniche della coscienza (DOC). Di conseguenza, ci si concentra sull'uso di (EEG) le registrazioni del cervello umano invasive (LFP) e non invasive combinati per valutare il ruolo delle strutture corticali-subcorticale nel trattamento della depressione paradigmi sperimentali cognitivi ed emotivi (ad es. Gli stimoli discorso con connotazione emotiva o paradigmi di controllo cognitivo come il compito Flanker), per i pazienti sottoposti a trattamento DBS.

Introduzione

Registrazioni neurofisiologiche invasive sugli esseri umani risalgono agli studi seminali di targeting registrazioni electrocorticographic dalle aree corticali e il cervelletto durante l'intervento chirurgico dell'epilessia e la ricerca del tumore ^1. Un passo fondamentale in ulteriore sviluppo di tale procedura di registrazione è stata l'introduzione della tecnica stereotassica che fornisce accesso sicuro ed efficiente di strutture profonde del cervello umano ^2. Oltre al trattamento clinico, approcci invasivi cerebrali negli esseri umani offrono un'occasione piuttosto unica per studiare la funzione del cervello in relazione a modelli di attività registrate modulate da stimoli esterni, in particolare il caso di registrazioni invasive intra e post-operatorie in pazienti sottoposti a stimolazione cerebrale profonda (DBS ) procedure. L'applicabilità e l'utilità di DBS è stato affrontato in varie malattie neurologiche e neuropsichiatriche da morbo di Parkinson (PD) al disturbo ossessivo compulsivo (DOC) o condizioni come crodisturbi nic di coscienza (DOC).

In particolare, DBS è stata applicata nel trattamento del morbo di Parkinson ^3,4,5, tremore essenziale ^6, primario / generalizzata segmentale distonia ^7,8,9, malattia di Huntington ^10,11, resistente al trattamento-depressione ^12,13, nicotina e dipendenza da alcol ^14, il morbo di Alzheimer ^15,16, la sindrome di Tourette ¹⁷ e malattia cronica della coscienza (DOC) ^18,19,20.

Nell'ambito di neuropsichiatria, DBS è un / trattamento marchio CE approvato per il disturbo ossessivo-compulsivo (OCD) mira l'arto anteriore della capsula interna (ALIC) ed è in uso mira la ventrale capsula / ventrale striato / caudato ventrale (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) e il nucleo subtalamico (STN) ^21. Per quanto riguarda la DBS nel DOC ^22, recenti studi sottolineano il ruolo di STN nel meccanismo di controllo compulsivoing utilizzando basata su paradigmi di memoria ^23,24,25.

Degno di nota, la modulazione di attività cerebrale sotto l'influenza di paradigmi con connotazione cognitivo ed emotivo è stato sottolineato in DOC ^26,27,28,29. Così, DBS è evidenziato non solo come trattamento potenziale per DOC cronico, ma anche come una procedura clinica che apre la possibilità di studiare la modulazione dell'attività sottocorticale registrando potenziali di campo locale (LFP) dalle regioni talamiche centrali intra e post operativamente.

In DBS, l'impianto neurochirurgico di elettrodi si basa sulla tecnica stereotassica che rappresenta sicuro cerebrali vincoli anatomici, mentre la stimolazione del paziente è personalizzato attraverso test impulsi di stimolazione intra-operatorie. Post-operatorio registrazione LFP è possibile dopo l'impianto iniziale di elettrodi DBS e prima interiorizzazione del generatore di impulsi. In particolare, il presente protocollo è centered su registrazioni post-operatorie.

In combinazione con LFPs, registrazione simultanea di attività cerebrale corticale può essere raggiunto ad esempio elettroencefalografia non invasiva (EEG) o magnetoencefalografia (MEG) ^30,31. Questi due metodi non invasivi sono supportati grazie alla sua risoluzione di ottimo momento. Mentre MEG è meno colpite rispetto EEG dagli effetti del cranio ^32, EEG appare vantaggiosa perché è meno influenzata da artefatti causati da impianti metallici e movimenti della testa e può essere usata al paziente bed-side ^33. Con registrazione simultanea di attività cerebrale corticale-sottocorticale (LFP e EEG / MEG) in risposta ad applicare paradigmi emotivo-cognitivo, diverse relazioni tra oscillazioni e il comportamento del cervello potrebbero essere stabiliti sulla base di accoppiamento tempo-frequenza analisi ^34. A loro volta, tali modelli potrebbero portare a potenziali biomarcatori di cognitiva individuale di un paziente e gli stati emotivi e Optimization di parametri di trattamento in considerazione le impostazioni personalizzate.

I seguenti obiettivi del protocollo invasive e di registrazione neurofisiologica non invasiva negli esseri umani per la valutazione della funzione cognitiva ed emozionale, in particolare a livello corticale e subcorticale (EEG e LFPs).

In primo luogo, la procedura di registrazione neurofisiologici illustrate nel video, che accompagna la presente protocollo, corrispondono ad una registrazione con un esempio paziente con disturbo del movimento che esegue il cosiddetto compito Flanker (Esempio 1).

In secondo luogo, passi nel protocollo sono discussi concentrandosi sulla metodologia dei risultati delle analisi e dei campioni prelevati da un esempio DBS pubblicato in formato DOC cronica ²⁶ (Esempio 2).

Questi due esempi evidenziano l'applicabilità del protocollo proposto ai pazienti DBS-trattati con disturbi diversi e diversi paradigmi sperimentali.

Protocollo

La procedura di DBS e registrazioni invasive sono state approvate dalla Commissione Etica della clinica universitaria di Düsseldorf, Germania.

1. sperimentale paradigma progettuale e consenso del paziente

NOTA: Progettare un paradigma sperimentale o selezionare un paradigma sperimentale esistente per indirizzare un aspetto cognitivo / emotivo di interesse.

1. Selezionare i pazienti che saranno sottoposti a DBS-trattamento. Chiedete se il DBS-paziente soddisfa i criteri di inclusione dello studio. Se sì, è necessario ottenere il consenso informato firmato dal paziente e / o commissione etica (se applicabile) per effettuare una registrazione post-operatorio e l'applicazione del relativo paradigma cognitivo.
   Nota: registrazione post-operatorio avviene il giorno seguente dopo un intervento iniziale DBS avviene per DBS impianto di elettrodi (insieme con i loro corrispondenti esternalizzazione dalla testa mediante cavi speciali) e prima di un secondo intervento chirurgico avviene regarding l'impianto permanente di elettrodi DBS e stimolatore.
   1. Nel compito Flanker (Esempio 1), ottenere il consenso informato firmato da un paziente con disturbo del movimento (ad es. Il morbo di Parkinson o di Huntington) per effettuare una registrazione post-operatorio. L'obiettivo dell'esperimento Flanker è quello di testare la capacità del paziente di adattamento all'errore comportamento e per determinare come tale adeguamento si riflette sull'attività oscillatoria del cervello a livello corticale e subcorticale.
      NOTA: La scelta di un paziente è dettata dal meccanismo cognitivo da affrontare e disturbo del paziente. Nella DBS-DOC caso-esempio (Esempio 2), un paziente di sesso femminile DOC che soffriva di un trauma cranico, all'età di 38 è stato selezionato. A causa del paziente 'condizione di limitare il consenso informato, il trattamento DBS e la partecipazione sperimentale è stato approvato solo dalla commissione etica locale. L'obiettivo principale della registrazione DOC post-operatorio è stato quello di determinare sela funzione del cervello in relazione al trattamento cognitivo-emotivo era ancora intatta in un paziente con una tale grave disturbo della coscienza.
2. Scegliere tra il tipo di stimolo da presentare (uditivo, visivo). Identificare l'ordine di presentazione dello stimolo (blocco o disegno misto). Selezionare la durata dello stimolo, l'intervallo tra stimolo (ISI) e il numero di prove.
   1. Come esempio pratico eseguire il compito Flanker (Esempio 1, Figura 1A), per esaminare la capacità di adattare il comportamento in risposta all'impegno di errori nella risposta. Questo compito è costituito da stimoli visivi (punte di freccia affiancate verticalmente organizzati).
   2. Fianco lo stimolo bersaglio (punta di freccia al centro) da due frecce adiacenti (sopra e sotto target) sia rivolto nella direzione stessa (compatibile) o opposta (non compatibile), in aggiunta considerare smettere di prove (cerchio al centro).
   3. Presentare il target a sinistra oa destra, e chiedere al partecipante di premere una resPulsante ponse con il pollice a destra oa sinistra. Nelle prove di arresto, istruire i partecipanti di non rispondere. flanker attuali 200 msec prima destinazione. Visualizzare il bersaglio per 300 msec e impostare la risposta di stimolo-intervallo a 2.000 msec (tempo trascorso è indicato da un tono spunto). Presentare un totale di quattro blocchi di 120 stimoli ciascuno in questo compito. Presente compatibile (60%), incompatibili (20%) e gli stimoli stop-studio (20%) in modo casuale.
      NOTA: questo valore per lo stimolo intervallo è stato scelto per evitare un gran numero di prove perse quando studia motore pazienti disabili. Flanker e di destinazione sono stati spenti simultaneamente. I pazienti sono stati istruiti a rispondere il più rapidamente possibile.
      NOTA: Nella DBS-DOC caso-esempio (Esempio 2, Figura 1B), il paradigma sperimentale consisteva di parola non-indirizzamento e familiare indirizzamento neutro stimoli ²⁶ in un disegno a blocchi. La durata di stimolo è stato istituito a 4 secondi (con uno studio randomizzato 4 5 sec inter-stimolo-intervallo). Un totAl di 80 prove per ogni condizione sono stati considerati in questo paradigma (Figura 1B).
3. Immaginate i vincoli e le esigenze fisiche del paziente in una registrazione ambiente post-operatorio. In particolare, determinare se il paziente è in grado di utilizzare la tastiera del computer considerando la presenza di movimenti eccessivi corea (malattia di Huntington) o tremore (morbo di Parkinson).
   1. Assicurarsi che il paziente è in grado di vedere il monitor (come l'anestetico locale o il telaio testa stereotassica applicata durante l'intervento chirurgico DBS può aver causato gonfiore al viso e contorno occhi) e sedersi comodamente per tutta la durata di tutto l'esperimento. Non eseguire l'esperimento, se il paziente non riesce a soddisfare queste condizioni.

2. Set-up per il post-operatorio Subcortical (LFPs) e la superficie Recordings (EEG)

1. Impostare l'apparecchiatura EEG (vedi Materiali nei file supplementari) nella camera wqui sarà condotto l'esperimento. Collegare il computer di registrazione al sistema EEG. Avviare il software di registrazione EEG (vedi "materiali" nei file supplementari).
2. Fai clic su "File" e poi "nuovo spazio di lavoro" per definire l'area di lavoro nel software di registrazione EEG specificando: una frequenza di campionamento di 5 kHz, un cut-off basso (DC) e ad alta frequenza di taglio (1.000 Hz), i canali EEG secondo il sistema internazionale 10/20 (almeno: fronto-centrale (Fz), centro-centrale (Cz), fronto-polare riferimento (Fpz) e massa (mastoide) e seconda paradigma inoltre parieto-centrale (Pz) , occipito-centrale (Oz), temporale (T3 / T4), fronto-mediale (F3 / F4), (/ F8 F7)) (Figura 2D) e LFP canali fronto-laterale (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 ( emisfero sinistro, Figura 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 e LFPR3 (emisfero destro)). Fai clic su "Monitor" per verificare che i canali specificati sono ora impostati per la registrazione.
   NOTA: Il preparation anticipo dello spazio di lavoro è consigliata al fine di ridurre al minimo il tempo di esperimento e per sorvegliare cambiamenti inattesi nella configurazione del registrazione. Si raccomanda di garantire la massima risoluzione temporale, impostazioni del filtro corrette, adeguata frequenza di campionamento e la corretta selezione di canali di interesse.
3. Configurare il computer di stimolo collegando la porta parallela al sistema EEG. Avviare il software di stimolo. Fai clic su "Esegui" per verificare la funzionalità del paradigma sul monitor del computer (stimoli visivi) e / o gli altoparlanti (stimoli uditivi, stecche suono). Assicurarsi che i marcatori (trigger) dal computer di stimolo vengono letti nel sistema di registrazione durante la presentazione di stimoli e la risposta del soggetto verificando la loro comparsa sul software di registrazione EEG.
   NOTA: trigger da dispositivi di stimolo devono avere una durata di almeno 200 msec per essere rilevata dal sistema EEG (con la frequenza di campionamento 5 kHz). Dal momento che i trigger sono marcatori di evento-relaTED-eventi o di attività relative evocata che si verificano in un determinato periodo di tempo la loro funzione è di fondamentale importanza per l'analisi dei dati posteriori. Nella DBS-DOC caso-esempio (Esempio 2), il paradigma sperimentale (Figura 1B) consisteva di stimoli uditivi (un voci familiari non familiari) in modo inneschi sono stati istituiti all'inizio e alla fine di ogni stimoli presentati. Nel caso del compito Flanker (Figura 1A) inneschi sono stati istituiti nell'istante in cui 1) i flanker e stimoli target apparivano, 2) il paziente ha risposto e 3) un tono cue stato sentito informare il paziente che il tempo di risposta aveva trascorso.
4. Segnare il vertice della testa del paziente come il punto medio tra il nasion e inion utilizzando un pennarello pelle e seguendo i consigli di un esperto neurologo o uno specialista EEG. Inoltre, il marchio scelto posizioni degli elettrodi EEG utilizzando il sistema 10-20. Attaccare elettrodi di superficie EEG al cuoio capelluto pulendo dapprima ciascuna posizione selezionata con una isopropile pad alcol e dopo l'uso di pasta abrasiva.
   NOTA: Tali azioni sono vincolate dalla collocazione 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 il corretto capelli contatto mossa fuori del modo (se applicabile). L'uso di elettrodi autoadesivi protetti da nastro adesivo chirurgico può essere utilizzato a causa della facilità di posizionamento.
5. Collegare gli elettrodi DBS esternalizzati a un interno percutanea. Collegare estensione percutanea al connettore del cavo esterno. Collegare ogni elettrodo fornito dal connettore cavo esterno alla scatola di controllo EEG secondo la registrazione set-up EEG. Collegare EEG elettrodi cuoio capelluto per la casella di controllo EEG dal primo collegando terra e di riferimento.
6. Fissare EMG elettrodi (di riferimento e gli elettrodi attivi) in muscoli specificati dal primo pulire la zona con un tampone di alcool isopropilico. Collegare gli elettrodi EMG a scatola di controllo EEG.
   NOTA: Questo passaggio è facoltativo e, soprattutto, ha condotto quando compiti motori sono considerati nel paradigma o quando è necessario per monitorare l'attività dei muscoli, come nel caso di pazienti con disturbo motorio.
7. Fai clic su "Monitor" per visualizzare i dati. Assicurarsi che i segnali EEG e EMG visualizzate sul monitor sono di artefatti libero da rilevare la presenza di jitter e componenti ad alta frequenza sovrapposte. Controllare le linee guida circa i tipi di manufatti e altri fattori legati ai segnali elettroencefalografici di registrazione ³⁵ e / o richiedere consulenza tecnica da un neurologo esperto o neuroscienziato fino a diventare 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 off-line.

3. Registrazione di post-operatoria Subcortical (LFPs) e di superficie (EEG) attività cerebrale

1. Fornire istruzioni per il paziente. Assicurarsi che la patient è confortevole e istruire lui / lei a interrompere l'esperimento in qualsiasi momento di disagio.
2. Fai clic su "Esegui" sul software di stimolo in modo che il paziente è in grado di vedere il paradigma sul monitor e / o ascoltare i toni cue e suoni. Eseguire una sessione di allenamento con il paziente fino a quando lui / lei sta bene con il compito. Avviare la registrazione simultanea di sottocorticali (LFP) e corticale (EEG) l'attività cerebrale mentre il paziente svolge il compito sperimentale.
   NOTA: Nel caso del caso DBS-DOC esempio (Esempio 2) il paradigma consisteva di stimoli uditivi in un disegno a blocchi come descritto in (Figura 1B). Nel caso del compito Flanker (Figura 1A), stimoli visivi corrispondenti a tre condizioni (compatibile (60%), incompatibile (20%) e stop-studio (20%)) sono stati presentati in modo casuale all'interno di ogni blocco (disegno misto), ogni blocco consisteva di 120 stimoli e il paradigma consisteva in un totale di quattro blocchi. Dopo che il compito è stato finalizzato,i dati sono memorizzati sul disco fisso del computer di registrazione per lo screening dopo off-line e l'analisi quantitativa.

Analisi 4. I dati

NOTA: passaggi utilizzando il software di analisi EEG:

1. Aprire il software di analisi EEG (vedi "materiali" nei file supplementari) e fare clic su "Nuovo" per visualizzare i dati registrati specificando i percorsi delle cartelle (crudi, di storia e di esportazione) e il nome di dati. Fai clic su "Modifica canali" per selezionare i canali di interesse. Rinominare i canali, se necessario.
2. Fai clic su "Canale pre-elaborazione" e poi "Nuovo di riferimento" per ri-riferimento adiacenti contatti DBS e, quindi, creare contatti virtuali bipolari per gli emisferi destro e sinistro. Ripetere questa procedura per creare un montaggio virtuale per i canali EEG.
   NOTA: Un montaggio ri-riferimento bipolare è importante ridurre al minimo gli effetti del volume di conduzione e migliorare l'affidabilità spaziale dei segnali registrati. Nel caso del DBS-DOC case esempio (Esempio 2), i seguenti canali bipolari sono stati set-up DBS: LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, LFPR23 e EEG: Cz / Fz, Pz / Cz, Oz / Pz, T3 / Cz e T4 / Cz . E 'degno di sottolineare che, mentre MEG ha registrato segnali sono privi di riferimento, i segnali EEG devono essere riferimento per impostare vere non arbitrari segnali valore zero in un quadro comune. Gli attuali sistemi di riferimento EEG includono: Cz o riferimento FPZ, media tra gli elettrodi sulle due orecchie, media di riferimento (considerando tutti i canali), due o riferimento single-mastoideo e il rumore di riferimento. Ai fini dell'analisi dei dati, diverse modalità ri-riferimento possono essere utilizzati, ad esempio contatti bipolari sono appropriati per il targeting analisi accoppiamento tempo-frequenza tra DBS e segnali EEG.
3. Fai clic su "ispezione dati grezzi" ai dati dello schermo per artefatti fisiologici e attrezzature connesse con particolare attenzione alla jittering e attrezzature motore disturbi. segmenti di Mark in cui gli artefatti sono presenti.
   NOTA: Quando si registra l'attività del cuoio capelluto e l'attività contemporaneamente sottocorticale attraverso cavi DBS esternalizzate, EEG appare più robusta per i manufatti di rumore di tecniche come la MEG per la quale gli attuali sforzi sono indirizzati verso il miglioramento rapporto segnale-rumore. A causa che i pazienti con disturbi motori soffrono di movimenti involontari, come la corea e tremori la comparsa di artefatti jittering motore i segnali registrati deve essere rappresentato. Altri disturbi sono dovuti a lampeggiare degli occhi e manufatti relative attrezzature. Concentrare sul caso DBS-DOC esempio (Esempio 2), ispezione manufatto è stata eseguita mediante esame visivo e artefatti sono stati contrassegnati manualmente. L'unica applicazione di una modalità automatica di ispezione artefatto è scoraggiato come alcuni manufatti potrebbero non essere riconosciute da un criterio specificato.
4. Fai clic su "Filtraggio dei dati" e poi "Filtri IIR" per specificare un filtro notch: 50Hz (si tratta di manufatti linea elettrica) e filtri Zero fase Butterworth da specifying bassa e alta parametri di taglio. Fai clic su "Modifica Frequenza di campionamento" per ridurre i segnali registrati con una frequenza e anche specificare il tipo di interpolazione.
   1. Nell'esempio DBS-DOC; set Low Cutoff: 1.0000 Hz, costante Tempo: 0.1592s, pendenza: 48 dB / oct; Alta Cutoff: 80,0000 Hz, Costante di tempo: 0,1592 sec e 48 dB / oct e downsampling frequenza di 512 Hz utilizzando l'interpolazione spline.
      NOTA: In alternativa, eseguire il filtraggio da script personalizzati sulla base di ben noti suite open source: Fieltrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab/) e SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Nel caso del primo, script di esempio sono forniti in (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Altre suite forniscono anche una documentazione dettagliata per eseguire questa operazione.
      NOTA: Down-campionamento in qualsiasi punto limita lo spazio di frequenza che è disponibile per ulteriori analisi secondo il teorema di Nyquist. Considerando il caso ad esempio DBS-DOC, la frequenza di campionamento selezionata di 512 Hz è appropriato quando si considera una banda di frequenza fino a 80 Hz.
      NOTA: In alternativa, eseguire down-campionamento script personalizzati sulla base di ben noti suite open source: fieldtrip (http://www.fieldtripbox.org), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab) e SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Nel caso della prima, esempi di script vengono forniti (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Altre suite forniscono anche la documentazione per eseguire questo passaggio.
5. Export canali bipolari di interesse cliccando su "Esporta" e poi "dati generici". indicatori di dati Export (trigger) cliccando su "Esporta" e poi "marcatori". Il nome del file da esportare selezionando un formato "txt".
   NOTA: Per poter utilizzare la casella degli strumenti Fieldtrip nelle fasi successive si consiglia di esportare i canali in (txt) formato multiplex e anche raccomandareEd per includere un file "vmrk", che comprende informazioni sui canali esportati. Si suggerisce inoltre di utilizzare un formato (txt) per i marcatori esportati mentre l'opzione di saltare marcatori corrispondenti a intervalli cattive selezionati al punto 4) è offerto.

NOTA: passaggi utilizzando Fieldtrip:

6. Start-up MATLAB e clicca su "percorso impostato" per aggiungere il percorso della cartella Fieldtrip nel caso in cui non è fatto per impostazione predefinita.
7. Mettere i dati precedentemente pre-elaborati e marcatori in una cella-array-struttura che è compatibile con le funzioni all'interno Fieldtrip eseguendo ( Script File 1-supplementare ) senza perdere di specificare: La directory che contiene i file di EEG e LFP dal punto 7 , i nomi dei canali, frequenza di campionamento, il tempo del campione, prove. (Opzionale) Eseguire il rifiuto artefatto dal codice indicato "decommentare". Questo script salva i dati in un file specificato che verranno utilizzati nella nexpassi t.
8. Calcolare spettrale di potenza della LFP per i canali di interesse eseguendo ( Script File 2-supplementare ) senza perdere per specificare: la directory che contiene il file generato (Script 1), il metodo (Wavelet o mtmconvol), la larghezza della finestra, la frequenza di interesse (FOI), il periodo di tempo di interesse (toi), e la correzione della linea di base della frequenza (opzionale). Definire il tipo di analisi statistica e desiderato p-value.
   Nota: Nella DBS-DOC caso-esempio (Esempio 2), analisi della potenza è stata effettuata prendendo in considerazione un'analisi di frequenza tempo Wavelet stimolo-locked (Morlet Wavelet (width = 5)) con Hanning cono, una gamma di frequenza di 4-80 Hz e un periodo di tempo compreso tra -1 e 4 sec. A causa che piccole onde hanno una risoluzione variabile nel tempo e frequenza. Quando si seleziona un Wavelet, decidiamo un trade-off tra la risoluzione temporale e spettrale. In particolare, piccole onde Morlet in possesso di un peso forma sinusoidalecati da un kernel gaussiano che consente l'acquisizione di componenti oscillatori locali in una serie temporale. Portando il parametro di larghezza più piccola aumenta la risoluzione temporale a scapito della risoluzione di frequenza e viceversa. La larghezza di banda spettrale ad una data frequenza F è uguale a F / larghezza x 2 (per F = 40 Hz e larghezza = 5, la larghezza di banda spettrale è 16 Hz), mentre la durata wavelet è uguale alla larghezza / F / pi (per F = 40 Hz e width = 5 la durata wavelet è 39,8 msec). Un cluster basato (tempo e frequenza variabili) approccio randomizzazione è stato utilizzato per l'analisi statistica tra le condizioni (p-livello di .05 in un test su due lati) ^39. Per fare un esempio dell'output ottenuto con l'esecuzione di questa fase si prega di guardare Figura 4A e 4D Figura. analisi della risposta tempo-frequenza è stata eseguita da script personalizzati basati sul software open source Fieldtrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/). I dettagli specifici su come personalizzare uno script per realizzare questo passo puòsi trovano in http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis.
9. Calcolare la coerenza tra sottocorticali e segnali corticali eseguendo ( Script File 3 supplementari ) senza dimenticare di specificare: lunghezza segmenti, percentuale di sovrapposizione, frequenza di interesse. Per quanto riguarda l'analisi statistica specificare il tipo di analisi e desiderato p-value.
   Nota: Misure di analisi di coerenza della relazione lineare tra due serie storiche con un rapporto costante di ampiezze ^40. Nella DBS-DOC caso-esempio (Esempio 2), segmenti di 1 sec con sovrapposizione del 50% sono stati utilizzati per il calcolo della coerenza concentrandosi sul intervallo di frequenze compreso tra 1 e 25 Hz. A (tempo e variabili di frequenza) approccio randomizzazione cluster basato è stato utilizzato per l'analisi intra-soggetto di coerenza (p-livello di .05 in un test su due lati) ^41. Inoltre, la parte immaginaria di coerenza è stata calcolata ^42.
   le basic passi per personalizzare uno script per l'analisi di coerenza sono descritti in (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence). Per fare un esempio dell'output ottenuto con l'esecuzione di questa fase si prega di guardare Figura 4B.
10. Calcola croce fase di frequenza di ampiezza di accoppiamento (PAC) eseguendo l'implementazione del software disponibile in formato supplementare di riferimento ^43.
    Nota: Nel caso DBS-DOC esempio (Esempio 2), analisi cross-frequenza PAC è stato calcolato utilizzando l'intera registrazione per diverse combinazioni di canali bipolari senza distorsioni. In particolare, normalizzato PAC diretta (ndPAC) ⁴³ è stato preferito perché ha consentito la determinazione di accoppiamento significativo a diversi livelli statistici durante l'impostazione-up a zero gli accoppiamenti non significative (p-level: 0.1). Come risultato, intervalli di frequenza di fase e di ampiezza di accoppiamento potrebbero essere selezionati sulla base della loro importanza. Nel caso ad esempio DBS-DOC, la gamma di frequenza di fase considerata was 3-22 Hz, mentre la gamma di frequenza di ampiezza è stato istituito a 35-80 Hz. I canali LFP-EEG selezionati per l'analisi PAC erano LFPR23 e EEGFzPz sulla base delle analisi di coerenza effettuata nel passo 5.5. Per fare un esempio dell'output ottenuto con l'esecuzione di questa fase si prega di guardare Figura 4C.

Figura 1: Esempio di paradigmi sperimentali (A) (Esempio 1) compito Flanker:. Stimolo target (punta di freccia al centro) è affiancato da due frecce adiacenti (sopra e sotto target) sia che punta nella stessa (compatibile) o opposta (non compatibile) la direzione, sono stati anche considerati prove di arresto (cerchio al centro). Quando il bersaglio è puntato verso sinistra o verso destra, un partecipante deve premere un pulsante di risposta con il pollice a sinistra oa destra, rispettivamente, nelle prove di arresto partecipanti sono istruiti a non rispondere. il Flacompito nker usata qui è stato modificato dalla versione inizialmente programmato dal Prof. C. Beste e il suo gruppo (si veda riconoscimenti). (B) (Esempio 2) paradigma discorso emotivo-cognitivo utilizzato nella DBS-DOC caso-esempio. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Risultati

Per il caso DBS-DOC (Esempio 2), ora forniamo dati sulla localizzazione obiettivo per DBS impianto, diagrammi schematici di LFP elettrodo e EEG impostare, registrazioni esemplari di EEG e LFP attività (dati grezzi) e i risultati delle analisi di rappresentanza:

La figura 2A mostra traiettoria pianificata (linea nera) proiettata su un atlante anatomico ^36, sezione 30, coronarica, 10,7 mm dietro la co...

Discussione

A differenza di non invasive tecniche di registrazione del cervello, come il cuoio capelluto-EEG e MEG, il quadro di registrazione proposto combinato invasiva e non invasiva neurofisiologico offre una notevole opportunità per estrarre informazioni da aree corticali e sottocorticali in relazione ai compiti cognitivi-emotivo. Tali informazioni si riflette l'attività oscillatoria del cervello a più bande di frequenza e diversi livelli di organizzazione in relazione al funzionamento del cervello ^44. schemi ce...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
BrainAmp Amplifier	Brain Products GmbH, Gilching Germania		Quantità: 2
Software per registratore 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 per elettrodi (64 canali)	Brain Products GmbH, Gilching Germania		Quantità: 1
gel EEG	Natus Inc		Quantità: 1
Alcool isopropilico	Schü lke & Mayr GmbH, Germania		Quantità: 1
Gel per la preparazione della pelle	Weaver and Co, USA		Quantità: 1
MATLAB	Math-Works, Natick, Massachusetts, USA		1 Licenza
FieldTrip toolbox	http://www.fieldtriptoolbox.org/		Macroelettrodi Open Source
(elettrocatetere DBS quadripolare modello 3387)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA		Quantità: 2
fili di prolunga percutanei sterili (modello 3550-05)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA		Quantità: 2
cavi twist lock (modello 3550-03)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA		Quantità: 2
connettori su misura per DIN			Quantità: 2
kit di cavi Vercise DB -2201	Boston Scientific		Quantità: 2
Kit di estensione dei contatti NM-3138	Boston Scientific		Quantità: 2
O.R. cabel & prolunga SC-4100 A	Boston Scientific		Quantità: 2
connettori  a prova di tatto	Twente Medical Systems International B.V.		Quantità: 2
Scanner CT Modell PQ2000 (Scansioni TC postoperatorie)	Philips Healthcare GmbH Amburgo		Quantità: 1
Software di presentazione (Flanker Task)	Sistemi neurocomportamentali Inc.		1 Licenza
Sistema MEG	Elekta Neuromag Inc		In alternativa
Rete per sensori EEG ad alta densità (128 o 256 canali)	Electrical Geodesics Inc (EGI), USA		In alternativa