Compiti del comportamento Intra-Operative negli esseri umani sottoposti a profonda Awake Surgery Brain Stimulation

La chirurgia di stimolazione cerebrale profonda offre l'opportunità di esaminare le informazioni e la codifica nel cervello umano vigile mediante la registrazione con microelettrodi su un soggetto umano che svolge compiti comportamentali. In questo esempio, i soggetti vengono innanzitutto addestrati a giocare a un semplice gioco al computer con carte che prevede rischio e ricompensa. Successivamente, il soggetto viene preparato per l'intervento di stimolazione cerebrale profonda e vengono inseriti microelettrodi nella regione bersaglio del cervello.

In questo caso, i segnali neuronali del nucleo subtalamico vengono registrati mentre il soggetto ripete il gioco di carte. I dati raccolti dimostrano il ruolo del rischio e della ricompensa nella codifica neuronale nel STN.

Sebbene gli obiettivi dell'esperimento possano variare a seconda del nucleo bersaglio dell'intervento chirurgico. Inizialmente, la DVS è stata utilizzata principalmente per disturbi motori come il tremore essenziale, il morbo di Parkinson e la distonia. Più di recente, viene impiegata per lo studio di trattamenti per la depressione e il disturbo ossessivo-compulsivo.

Questo compito presenta quindi sia una componente motoria sia una componente dipendente dalla ricompensa, che abbiamo registrato nel nucleo sottotalamico, situato all'interfaccia tra i sistemi motorio e limbico del cervello. La paziente è una donna di 62 anni. È molto gentile.

Ha il morbo di Parkinson da circa 10 anni. E presenta i sintomi classici della malattia di Parkinson: ha tremore, rigidità e lentezza nei movimenti. Inizialmente ha risposto bene ai farmaci, il che è un buon segno poiché ci indica che si tratta effettivamente del morbo di Parkinson.

Ma poi, come in molti casi, con il tempo i farmaci diventano meno efficaci. Fondamentalmente, i pazienti diventano instabili, al punto che quando interrompe la terapia, presenta sintomi davvero gravi della malattia di Parkinson. Ha tremori, rigidità e lentezza.

E poi, quando assume i farmaci, sviluppa un diverso tipo di disturbo del movimento chiamato discinesia, in cui si muove eccessivamente e non esiste più un equilibrio soddisfacente. Questo è il momento in cui l'intervento chirurgico risulta utile, poiché elimina effettivamente le marcate fluttuazioni tra fasi di attività e inattività, mantenendo le persone in uno stato costante. Fondamentalmente, si trovano nel loro stato ottimale, paragonabile a quello che otterrebbero con la terapia farmacologica.

Questo è quindi l'obiettivo dell'intervento chirurgico. Per quanto riguarda l'intervento stesso, ci sono due aree del cervello che possono essere bersagliate. Una di queste è chiamata nucleo sottotalamico.

È quello che abbiamo fatto oggi. Uno si chiama globus palus internist. Entrambi sono approssimativamente ugualmente efficaci.

Il modo in cui li targettizziamo è attraverso una combinazione di approcci. Lo facciamo stereotatticamente utilizzando TAC e risonanza magnetica. Li targettizziamo utilizzando la fisiologia, effettuando registrazioni con microelettrodi.

E questi sono molto importanti perché ci indicano, a un livello di risoluzione spaziale molto elevato, i confini del nucleo, i confini superiore e inferiore, e non solo, ma anche per assicurarci di essere nella parte motoria del nucleo. E infine, quando inseriamo l'elettrodo permanente, stimoliamo nuovamente attraverso di esso per confermare che siamo nel posto giusto. Quindi stiamo comunque effettuando tutte queste procedure per trattare il paziente.

E stiamo comunque effettuando le registrazioni con microelettrodi, quindi questo ci offre semplicemente una finestra temporale in cui i microelettrodi sono già posizionati. È un'opportunità rara per studiare l'attività neuronale nel cervello umano, un'occasione che altrimenti non avremmo mai. Ma poiché lo stiamo facendo comunque e gli elettrodi sono già in sede, dedichiamo altri 20-30 minuti per svolgere, insomma, qualunque esperimento ci interessi.

E tipicamente si tratta di esperimenti legati al controllo motorio, al processo decisionale, all'apprendimento o alla motivazione, cose di questo tipo. E quasi tutti prevedono, come sapete, uno schermo video e un compito semplice che il soggetto deve svolgere, come muovere una leva o premere un pulsante, quel genere di attività. Le registrazioni con microelettrodi vengono eseguite regolarmente durante l'intervento chirurgico di stimolazione cerebrale profonda (DBS), offrendo un'opportunità unica ai ricercatori di registrare i modelli di scarica dei singoli neuroni mentre un soggetto svolge un compito comportamentale.

Come parte dell'intervento chirurgico di stimolazione cerebrale profonda per il morbo di Parkinson, i pazienti vengono ricoverati in ospedale un giorno prima dell'intervento. Ciò consente di addestrare il paziente al compito comportamentale prima dell'operazione. Questa possibilità si rivela estremamente utile quando il compito comportamentale è cognitivamente impegnativo.

Nel giorno dell'intervento chirurgico, viene allestita una struttura portatile per test comportamentali per il soggetto; nel caso in cui il soggetto sia stato addestrato la notte precedente l'intervento, la struttura è dotata esattamente dello stesso compito comportamentale che il soggetto dovrà eseguire durante l'intervento. In questo esempio, al soggetto viene chiesto di giocare a un gioco di carte simile al gioco della guerra. Nel gioco, il soggetto scommette 20 oppure 5 a seconda che la propria carta sia più alta rispetto a quella del computer.

Lo scopo di questo compito è analizzare il ruolo della ricompensa e del rischio nella codifica neuronale in un nucleo oftalmico, al fine di ridurre le possibili combinazioni e i fattori di confondimento risultanti. In ogni prova vengono utilizzate solo le carte con numero pari di un singolo seme. Il soggetto vede innanzitutto uno schermo che mostra la sua carta estratta casualmente e il retro della carta sconosciuta del computer.

Lo schermo mostra quindi due opzioni di puntata, 5 e 20, in base alla forza relativa della carta sua o sua. Il soggetto indica la puntata premendo un pulsante, dopodiché lo schermo mostra la sua carta e quella del computer rivelata. L'ultima schermata illustra esplicitamente l'importo vinto o perso.

All'utente è permesso giocare finché non comprende completamente le regole e riesce a eseguire il compito a un livello confortevole. Vediamo ora l'allestimento sperimentale intraoperatorio del giorno successivo all'addestramento. Una volta posizionato l'utente sul tavolo operatorio, portare in sala operatoria il sistema contenente l'acquisizione dei dati comportamentali e l'equipaggiamento per l'elaborazione dei segnali.

Il posizionamento del sistema deve tenere conto del flusso di lavoro normale e delle questioni relative alla sterilità nell'ambiente della sala operatoria. Poiché i componenti di questi sistemi vengono assemblati e smontati per ogni sessione di registrazione, è fondamentale verificare tutte le connessioni dell'apparecchiatura. Pertanto, ogni volta che un componente viene collegato al sistema di acquisizione dati, controllare l'integrità dei dati al primo avvio, nonché l'acquisizione e le apparecchiature per l'elaborazione del segnale.

Collegare le uscite del sistema di elaborazione del segnale agli ingressi del sistema di acquisizione. In questo studio, vengono acquisiti tre canali di potenziali d'azione extracellulari, corrispondenti a tre elettrodi orientati paraag che vengono avanzati nel cervello del soggetto durante l'intervento chirurgico. Accendere gli amplificatori uno alla volta per assicurarsi che il sistema di acquisizione stia registrando i segnali.

Utilizzando un adattatore appropriato, fissare il monitor al tavolo operatorio in una posizione comoda per la visione. Assicurarsi che la mano del soggetto sia posizionata in modo confortevole per utilizzare il dispositivo di input impiegato durante il compito. Avviare ora il sistema comportamentale e verificare che i marcatori degli eventi comportamentali vengano acquisiti correttamente dal sistema di registrazione.

Avviare la prova comportamentale e consentire al soggetto di eseguire alcune prove della prova durante questo periodo. Assicurarsi che il sistema di acquisizione stia registrando gli ingressi del tastierino e i marcatori comportamentali generati dalla strumentazione comportamentale con l'esperimento configurato e pronto per l'uso. Vediamo come i neuroni del nucleo subtalamico vengano isolati chirurgicamente.

Gli obiettivi dell'intervento chirurgico sono posizionare elettrodi cronici di DBS nella regione motoria del nucleo sottotalamico (STN). Il posizionamento viene raggiunto mediante una combinazione di imaging stereotassico e registrazioni neurofisiologiche presso il Mass General Hospital. Viene applicato un telaio stereotassico Cosman Roberts Wells con gabbia fiduciale ed eseguita una TAC cerebrale.

La TAC con marker fiduciali viene fusa con una risonanza magnetica cerebrale volumetrica ottenuta in precedenza su un sistema di neuro-navigazione. In sala operatoria, il paziente viene posizionato comodamente in posizione semiseduta e preparato e coperto con tecnica chirurgica standard. Le coordinate del nucleo sottotalamico sinistro vengono impostate nel telaio, che viene quindi posizionato sul paziente.

Il chirurgo incide e ritrae la cute. Vengono praticati dei fori a trapano e realizzata una piccola apertura nella dura madre. La cannula, collegata a un microdrive, viene posizionata e avanzata fino a quando la sua estremità si trova a 25 millimetri sopra la regione bersaglio.

Dopo aver inserito le cannule nel cervello, i puntali interni vengono rimossi e sostituiti con microelettrodi ad alta impedenza. I sistemi di elaborazione del segnale e i preamplificatori vengono collegati a ciascun elettrodo e il canale differenziale di riferimento viene collegato alla cannula esterna. Sul sistema di elaborazione del segnale, accendere gli amplificatori e valutare il segnale extracellulare.

Inoltre, verificare l'impedenza di ciascun elettrodo prima di avanzarlo ulteriormente nel cervello. Una volta effettuati tutti i controlli, il chirurgo avanza lentamente l'elettrodo con passi compresi tra 0,05 e 0,4 millimetri all'interno del cervello. Gli elettrodi vengono avanzati a partire da 25 millimetri dal bersaglio calcolato verso il S St N. Questa traiettoria determina il passaggio dell'elettrodo attraverso il nucleo CAU otto, il talamo, la zona Serta e infine nel SDN.

Dopo che gli elettrodi sono entrati nel NSD, il fisiologo manipola gli arti controlaterali del paziente per stabilire se il segnale neuronale è responsivo ai movimenti. Quando il chirurgo e lo sperimentatore sono soddisfatti della posizione degli elettrodi, si può iniziare il compito comportamentale. Prima di iniziare il compito comportamentale, è importante documentare la profondità degli microelettrodi e la responsività motoria del neurone isolato.

Successivamente, istruire il soggetto sul fatto che la prova avrà inizio. Assicurarsi che il pulsante sia ancora posizionato comodamente e che il monitor sia completamente visibile. Avviare l'acquisizione dei dati e registrare l'attività di base per almeno un minuto prima di iniziare la prova comportamentale.

Mentre il soggetto esegue il compito, è importante monitorare i dati acquisiti. In caso di interruzioni durante l'acquisizione, il compito deve essere interrotto e il problema risolto. I compiti possono essere ripetuti più volte per ogni profondità.

Nel nucleo subtalamico (STN), tuttavia, la registrazione sperimentale è limitata a 30 minuti per prevenire il disagio del paziente e un'eccessiva prolungamento dell'intervento chirurgico. Cominciamo. Può aprire e chiudere la mano mentre indossa una lampadina?

Bene. Muoveremo il tuo piede destro in cerchio. Ripeti dopo di me. Adoro il budino di tapioca.

Sono andato in treno a Topeka, in Kansas. Qui vengono mostrati risultati rappresentativi di un singolo neurone del nucleo subtalamico (STN) registrato durante il gioco di guerra. Le RA sono raffigurate centrando quattro epoche comportamentalmente rilevanti nel compito: il periodo di fissazione precedente alla presentazione di ogni prova della carta del soggetto, la pressione del pulsante che indica la puntata del soggetto e la presentazione della carta del computer; qui sono mostrati gli istogrammi di frequenza per tempo di stimolo.

Questo neurone non risponde in modo robusto alla presentazione della carta del soggetto, ma aumenta significativamente la propria attività intorno alla pressione del pulsante. Questa attività persiste fino a quando viene rivelata la carta del computer, momento in cui l'attività ritorna ai livelli di base. Questa tecnica misura le risposte di singoli neuroni nel cervello.

Può inoltre essere combinata con altre misurazioni dell'attività neurale, che valutano risposte di popolazione come la risonanza magnetica funzionale o la magnetoencefalografia. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere allestita e applicata in sala operatoria in 25 minuti. Il lavoro con esseri umani in sala operatoria comporta diverse limitazioni, tra cui il tempo di sterilità e, soprattutto, il benessere del paziente.

Pertanto, tieni presenti questi punti durante tutte le fasi dello studio.