Questo articolo descrive l'uso della misurazione quantitativa dei movimenti oculari in combinazione con la stimolazione delle aree focali del cervello profondo al fine di studiare la fisiologia, la fisiopatologia e i meccanismi della stimolazione cerebrale profonda.
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Articolo metodologico
Utilizzando Saccadometry con stimolazione cerebrale profonda per studiare normali e patologiche funzione cerebrale
In questo articolo
Sommario
Abstract
Il sistema oculomotorio coinvolge un gran numero di aree cerebrali, comprese parti dei gangli della base, e varie malattie neurodegenerative tra cui il Parkinson e l'Huntington possono interromperlo. Le persone con malattia di Parkinson, ad esempio, tendono ad avere un aumento delle latenze saccadiche. Di conseguenza, la misurazione quantitativa dei movimenti oculari saccadici ha ricevuto notevole attenzione come potenziale biomarcatore per le condizioni neurodegenerative. Si può imparare molto di più sul cervello sia in salute che in malattia osservando cosa succede ai movimenti oculari quando la funzione di specifiche aree cerebrali è perturbata. La stimolazione cerebrale profonda è un intervento chirurgico utilizzato per la gestione di una serie di condizioni neurologiche, tra cui il morbo di Parkinson, in cui elettrodi stimolanti sono posizionati in specifiche aree cerebrali, inclusi diversi siti nei gangli della base. Le misurazioni del movimento oculare possono quindi essere effettuate con i sistemi di stimolazione sia spenti che accesi e i risultati confrontati. Con un adeguato disegno sperimentale, questo approccio può essere utilizzato per studiare la fisiopatologia della malattia da trattare, il meccanismo con cui la DBS esercita i suoi effetti benefici e persino aspetti della normale neurofisiologia.
Introduzione
Negli ultimi anni c'è stato un crescente interesse per l'uso di misure di tempi di reazione come un modo quantitativo e non invasivo di ottenere informazioni sui meccanismi alto livello di decisione neurale facendo 1. Un tipo di tempo di reazione che è stato ampiamente studiato è il tempo necessario per avviare un saccade su presentazione di uno stimolo visivo, noto come latenza saccadico. Saccades sono i movimenti oculari rapidi che si verificano quando ci spostiamo rapidamente lo sguardo da un luogo all'altro. Essi sono il tipo più comune di movimenti oculari facciamo, che si verificano ad una frequenza di tipicamente due o tre al secondo. Ogni saccade è in effetti una decisione a guardare uno spunto nel mondo visivo piuttosto che un altro 2.
I percorsi neurali che controllano i movimenti oculari sono stati ampiamente studiati e sono abbastanza ben documentati 3. Utilizzando apparecchiature elettroniche sensibili, aspetti della funzione oculomotor possono essere preciso e objectively quantificato. Questo facilita lo studio dettagliato dei movimenti oculari stessi, ma consente anche loro di essere utilizzati come strumento per indagare su altre aree della neurofisiologia e fisiopatologia.
misura il movimento degli occhi può fornire informazioni utili su stati di malattia. Movimenti oculari saccadici hanno recentemente, per esempio, ha ricevuto molta attenzione come potenziale biomarker in patologie neurodegenerative tra cui il morbo di Huntington e Parkinson 4,5 6,7, ed è ben stabilito che i tempi di reazione saccadici tendono ad essere più lenta del normale in queste condizioni. I potenziali usi di misura saccadico includono un aiuto per la diagnosi e il monitoraggio della malattia. compiti saccadici vanno dal semplice prosaccade (guardando il più rapidamente possibile verso uno stimolo visivo improvvisamente appare a sinistra o destra) per compiti più complessi come la antisaccade (guardando il più rapidamente possibile al lato opposto ad uno stimolo visivo) o Memory saccade guidata (guardandoverso la posizione ricordato di un bersaglio che non c'è più).
la stimolazione cerebrale profonda è un trattamento efficace per diverse condizioni neurologiche. E 'più comunemente usato per trattare i sintomi motori della malattia di Parkinson tra cui tremore, rigidità, bradicinesia, e discinesia. E 'utilizzato anche per altri disturbi del movimento, tra cui distonia e tremore essenziale, e meno comunemente per il dolore neuropatico, epilessia, e condizioni psichiatriche come il disturbo ossessivo compulsivo. E 'l'unico ambiente in cui gli scienziati hanno accesso elettrico diretto alle strutture profonde del cervello umano in vivo e offre quindi una preziosa opportunità per la neurologia sperimentale. Una varietà di obiettivi vengono stimolati a seconda delle condizioni da trattare, tra cui diverse località nei gangli della base, molti dei quali sono coinvolti in percorsi oculomotori. Ciò significa che una vasta gamma di studi può essere effettuato utilizzando il sistema DBS trasportare lo stimoload un determinato luogo del cervello e un dispositivo di tracciamento oculare per registrare e analizzare i suoi effetti. Secondo il paradigma sperimentale, tali studi possono fornire informazioni sulla fisiologia della regione stimolata, gli effetti della malattia, o il meccanismo con cui DBS sta lavorando in quel particolare impostazione. Questo articolo descrive un approccio generale alla saccadico test movimento degli occhi in pazienti stimolazione cerebrale profonda.
Diversi tipi di apparecchiature di tracciamento dell'occhio sono disponibili. Per la ricerca descritta in questo protocollo un saccadometer portatile è stato utilizzato per registrare i movimenti oculari saccadici orizzontali. Saccadometers portatili hanno il vantaggio di non richiedere poggiatesta (vedi figura 1), il che significa che le sessioni sono più confortevoli per i pazienti con malattia di Parkinson, in particolare per coloro che soffrono di gravi discinesie. Il saccadometer usato qui è leggero e larga circa 5 cm e alto 10 cm. Il measu saccadometerres movimenti oculari mediante l'uso di oculografia diretta a infrarossi: una sorgente di raggi infrarossi e sensore posizionato davanti alla luce dell'uso canto mediale riflessa dalla cornea per stabilire la posizione di rotazione del bulbo oculare a intervalli millisecondo. Al fine di acquisire dati di buona qualità per l'analisi del saccadometer dovrebbe campione ad una velocità di almeno 1 kHz con almeno risoluzione a 12 bit. Nella saccadometer qui utilizzato stimoli visivi erano tre rossi 13 cd m -2 macchie di luce prodotta da incasso in laser a bassa potenza, ogni spot sottendono alcuni 0,1 gradi, con un punto sulla linea mediana e le altre due a ± 10 gradi (cioè , a destra ea sinistra).
Figura 1. Il Saccadometer. Testa montata saccadometer collegato a un elastico e di riposo sul ponte del naso. Quattro laser in miniatura progetto di destinazione visivas su una superficie opaca, e movimenti dell'occhio del partecipante è misurato a differenziali trasduttori riflettanza all'infrarosso sul lato nasale ciascun occhio. Come gli obiettivi del laser si muovono con la testa, poggiatesta non sono necessari. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Protocollo
Il comitato etico locale ha approvato questo studio e ha informato acconsentì è stato ottenuto dai partecipanti come indicato di seguito nella sezione 1.
1. partecipante Consenso
- Fornire ai partecipanti un foglio informativo che spiega in modo dettagliato cosa la sessione di test includerà.
- Dopo che i partecipanti hanno la possibilità di leggere e discutere tutte le domande, dubbi o altre questioni legate alla loro parte presa in studio, passare attraverso il modulo di consenso con loro, spiegando ogni punto il modulo di consenso e dando loro la possibilità di fare tutte le domande potrebbero avere. Chiedi ai partecipanti di compilare il modulo.
2. Impostazione del Saccadometer
- Posizionare il dispositivo sulla testa del paziente, garantito da una cinghia elastica regolabile e appoggiato sul dorso del naso. Poiché gli stimoli muovono esattamente con la testa, senza appoggiatesta è necessario e il dispositivo è comodo da wear.
- Chiedere al paziente di sedersi a 1,5 m da uno schermo opaco piatta.
- Assicurarsi che la luce ambiente è debole in modo che gli stimoli (punti luce rossa) si vedono chiaramente.
3. registrazione di una sessione saccadici
Nota: Per fare un esempio un protocollo standard che mette alla prova sia prosaccades e antisaccades 8 è descritto qui. Questo protocollo si compone di cinque blocchi: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, e 60 prosaccades con una pausa di 1 minuto tra i blocchi. La seduta dura circa 40 min.
- Impostare il saccadometer modo che per ogni prova viene visualizzata la porta fissazione centrale per un casuale fore periodo di 1,0 - 2,0 sec, dopo di che si spegne e uno dei bersagli periferici appare, in modo casuale a destra oa sinistra 9.
Nota: I tre obiettivi sono macchie di luce rossa proiettata sullo schermo di fronte al partecipante (vedi 2.2) da una bassa potenza laser integrati nel saccadometer. L'aut saccadometerinterruttori omatically i laser e si spegne alla visualizzazione / spegnere gli obiettivi nella sequenza necessaria. - Istruire il partecipante che il test è composto da cinque blocchi con una pausa di un minuto tra i blocchi.
- Prima del primo blocco istruire il partecipante di spostare i loro occhi più rapidamente e accuratamente possibile seguire il punto rosso saltando dal centro verso un lato o l'altro e indicare loro di fare questo 60 volte.
- Impostare la saccadometer per generare una sequenza di 60 prove. Premere il pulsante sulla saccadometer per avviare il primo blocco di prove (prosaccades).
- Dopo il completamento del primo blocco, lasciare uno spazio un minuto prima del secondo blocco. Ripristinare il saccadometer per generare una sequenza di 40 studi, e verso la fine del un'intercapedine minuti, istruire il partecipante per il blocco successivo di spostare i loro occhi più rapidamente possibile nella direzione opposta al punto rosso, e spiega che faranno essere richiesto di fare questo 40 volte. Avviare il secblocco OND di prove (antisaccades).
- Dopo il completamento del secondo blocco, lasciare un ulteriore 1 min gap, ripetere l'istruzione in fase 3.5 e avviare il terzo blocco di prove (antisaccades).
- Dopo il completamento del terzo blocco, lasciare un ulteriore 1 min gap, ripetere l'istruzione in fase 3.5 e avviare il quarto blocco di prove (antisaccades).
- Dopo il completamento del quarto blocco, lasciare un ulteriore 1 min gap, e spiega che per il blocco finale di test chiedere ai partecipanti di spostare i loro occhi più rapidamente e accuratamente possibile seguire il punto rosso saltando dal centro verso un lato o altri, esattamente come nel primo blocco.
- Ripristinare il saccadometer per generare una sequenza di 60 prove, e avviare il blocco finale di prove (prosaccades).
Figura 2. Operazioni di movimento degli occhi. Illustrati schematicisulla mostra due esempi di attività saccadici. Lo spot blu continua rappresenta il bersaglio e il cerchio blu tratteggiata rappresenta l'area di fissaggio. Sinistra mostra un compito prosaccadic in cui il soggetto viene chiesto di guardare verso il bersaglio. A destra mostra un antisaccade in cui si chiede al soggetto di distogliere lo sguardo dallo stimolo visivo . Ciò richiede l'inibizione della risposta prosaccade più naturale e generazione di una saccade in direzione opposta. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
4. Impostazioni stimolatore cerebrale profonda
Nota: per i partecipanti con stimolatori cerebrali profondi condurre i test finora con sistema stimolatore esecuzione come normale, vale a dire, un set di dati 'sulla stimolazione' è stato ottenuto. Test ora deve essere ripetuta con il sistema stimolatore spento (per i partecipanti di controllo sani, senza sistemi di DBS non si applica questa sezione).
- Spegnere il sistema DBS off. A tale scopo, un personale clinico addestrato. Lasciare 30 minuti prima del test.
- Ripetere il test saccadico (passi 3,2-3,9) per ottenere un 'off stimolazione' set di dati completo.
- Accendere il sistema DBS indietro (anche questo dovrebbe essere fatto da personale clinico adeguatamente formato).
Analisi 5. I dati
Nota: per i partecipanti con stimolatori cerebrali profondi condurre i test finora con sistema stimolatore esecuzione come normale, vale a dire, un set di dati 'sulla stimolazione' è stato ottenuto. Test ora deve essere ripetuta con il sistema stimolatore spento (per i partecipanti sani di controllo senza sistemi di DBS questa sezione non si applica).
- Scarica i dati grezzi dal saccadometer ad un computer per l'analisi.
- Utilizzare il programma software del saccadometer di escludere saccades distorsioneTed lampeggia e movimenti della testa, e per calcolare le variabili tra cui latenze saccadici, velocità di picco, e ampiezze.
Nota: Records contaminati da movimenti della testa eccessivi o lampeggia vengono rimossi automaticamente dal software.- Rimuovere saccades con una latenza inferiore a 80 msec o superiore a 1.000 msec.
Nota: la latenza saccadici viene calcolata automaticamente utilizzando un algoritmo di saccade di rilevamento sulla base di velocità e accelerazione. L'insorgenza di una saccade è identificato come il punto in cui la velocità dell'occhio supera una soglia di 5 gradi / sec.
- Rimuovere saccades con una latenza inferiore a 80 msec o superiore a 1.000 msec.
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Risultati
La Figura 3 mostra un esempio di saccadici traiettorie dei movimenti oculari, da paziente morbo di Parkinson con un nucleo di sistema DBS subtalamico impiantato. I due grafici tracciano prosaccades del paziente con il sistema stimolatore spento (grafico superiore) e inserita (grafico inferiore). Ciascuna traccia diagrammi mostra la traiettoria di un singolo saccade, cioè, come la posizione dell'occhio in gradi di distanza dalla linea mediana (asse y) varia i...
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Discussione
Il fattore più critico per ottenere dati di buona qualità saccadico è garantire che le istruzioni date al partecipante sono chiare e precise. Ad esempio, se le istruzioni per l'attività antisaccadic non sono completamente chiare, il partecipante è probabile eseguire prosaccades invece. Le registrazioni possono anche essere viziato, se il partecipante non può vedere chiaramente gli stimoli o il saccadometer non può misurare con precisione la posizione degli occhi. Pertanto, se i dati sembrano essere di bassa qualità ...
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Il Dr. Antoniades è stato supportato dal National Institute of Health Research (NIHR) e dal Dementias and Neurodegenerative Diseases Research Network (DENDRON) e dal Wellcome Trust. Il dottor FitzGerald è stato supportato dal National Institute for Health Research (NIHR) Oxford Biomedical Research Centre.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Dispositivo saccadometro | Ober Consulting Polonia | ||
| Computer con software in ambiente | |||
| , Latency Meter per scaricare i dati grezzi dal saccadometro |
Riferimenti
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