Method Article

깊은 뇌 자극과 Saccadometry를 사용하여 정상 및 병적 뇌 기능을 연구하는

DOI:

10.3791/53640

⸱

July 14th, 2016

 , 
1Nuffield Department of Clinical Neuroscience, The University of Oxford, 2Nuffield Department of Surgical Science, The University of Oxford

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 논문은 생리학, 병태생리학 및 뇌심부 자극의 메커니즘을 연구하기 위해 뇌 심부 초점 영역의 자극과 함께 안구 운동의 정량적 측정을 사용하는 방법을 설명합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

안구 운동 시스템은 기저핵의 일부를 포함하여 많은 수의 뇌 영역을 포함하며 파킨슨병과 헌팅턴병을 포함한 다양한 신경 퇴행성 질환이 이를 방해할 수 있습니다. 예를 들어, 파킨슨병을 앓고 있는 사람들은 천골 잠복기가 증가하는 경향이 있습니다. 결과적으로, 천골 안구 운동의 정량적 측정은 신경 퇴행성 상태에 대한 잠재적인 바이오마커로 상당한 주목을 받았습니다. 특정 뇌 영역의 기능이 교란될 때 안구 운동에 어떤 일이 일어나는지 관찰함으로써 건강과 질병 모두에서 뇌에 대해 더 많은 것을 배울 수 있습니다. 뇌심부 자극술은 파킨슨병을 포함한 다양한 신경학적 상태를 관리하는 데 사용되는 외과적 중재로, 기저핵의 여러 부위를 포함한 특정 뇌 영역에 자극 전극을 배치합니다. 그런 다음 자극기 시스템을 껐다 켠 상태에서 안구 움직임을 측정하고 결과를 비교할 수 있습니다. 적절한 실험 설계를 통해 이 접근 방식은 치료 중인 질병의 병태 생리학, DBS가 유익한 효과를 발휘하는 메커니즘 및 정상적인 신경 생리학의 측면을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

최근에는 1을 신경 결정 고레벨 메커니즘에 관한 정보를 얻고의 정량적 및 비 침습적 방법으로 반응 시간의 측정 값의 사용에 대한 관심이 증가되고있다. 광범위하게 연구 된 반응 시간이 한 가지 유형은 단속적 안구 지연이라고 알려진 시각적 자극의 제시에 단속적 움직임을 시작하는데 걸리는 시간이다. 안구 단속 운동은 우리가 신속하게 한 장소에서 다른 장소로 우리의 시선을 이동 때 발생하는 빠른 안구 운동이다. 이들은 일반적으로 두 개 또는 초당 3 인 주파수에서 발생하는, 우리는 신뢰성 안구 운동의 가장 흔한 유형이다. 각 단속적 효과에 또 다른 2보다는 시각적 인 세계에 하나의 큐 볼 수있는 결정이다.

눈의 움직임을 제어하는 신경 경로는 광범위하게 연구되었고, 상당히 잘 3 설명되어 있습니다. 민감한 전자 장비를 사용하여 안구 운동 기능의 측면과 정확히 될 수 objectively를 정량화. 이는 안구 운동 자체의 상세한 연구를 용이하게 또한 그들을 신경 생리 및 병리의 다른 영역을 조사하기위한 도구로서 이용 될 수있다.

안구 운동 측정은 질병 상태에 대한 유용한 정보를 제공 할 수 있습니다. 단속적 안구 안구 운동 최근, 예를 들면, 헌팅 4,5- 파킨슨 질환 -6,7- 비롯한 신경 퇴행성 질환의 잠재적 바이오 마커로서 많은 관심을 받아 왔으며, 이는 잘 단속적 안구 반응 시간은 이러한 조건에서 정상보다 느린 경향이 확립된다. 단속적 안구 운동 측정의 잠재적 용도는 진단 및 질병 추적에 보조를 포함한다. 단속적 안구 운동 작업 등 (시각적 자극에 반대 측에 가능한 한 빨리보고) antisaccade 또는 메모리 - 같은 더 복잡한 작업에의 (a 갑자기 나타나는 시각적 인 자극을 향해 오른쪽에서 왼쪽으로 또는 가능한 한 빨리보고) 간단한 prosaccade 범위 안내 단속적 (보고) 더 이상 존재하지 않는 대상의 기억 위치를 향해.

뇌 심부 자극은 여러 신경 학적 상태에 대한 효과적인 치료이다. 이는 가장 일반적으로 진전, 강성, 운동 완만 및 운동 이상증을 포함하여, 파킨슨 병의 운동 증상을 치료하는 데 사용된다. 그것은 또한 강박 장애 덜 흔히 신경 병성 통증, 간질, 정신 및 조건 및 근긴장 태성 진전 등을 포함하는 다른 운동 장애에 사용된다. 그것은 과학자들이 생체 내에서 인간 두뇌의 깊은 구조에 직접 전기 액세스 할 수 있으며, 따라서 실험 신경을위한 소중한 기회를 제공하는 유일한 설정입니다. 대상의 다양한 조건에 따라 자극은 안구 경로에 관여하는 많은의 기저핵에서 여러 위치에 포함하여 처리된다. 이 연구는 다양한 자극을 전달하기 위해 DBS 시스템을 이용하여 수행 될 수 있음을 의미소정의 뇌의 위치 및 눈 추적 장치에 기록하고, 그 효과를 분석한다. 실험 패러다임에 따라, 이러한 연구는, 영역의 생리학에 관한 정보가 자극되는 질환 또는되는 DBS가 특정 환경에서 작동 메커니즘의 효과를 얻을 수있다. 이 문서는 깊은 뇌 자극 환자에서 단속적 안구 운동 안구 운동 검사에 대한 일반적인 접근 방법을 설명합니다.

안구 추적 장치의 몇 가지 다른 유형을 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜에 기재된 연구 휴대용 saccadometer 수평 단속적 안구 안구의 움직임을 기록하는데 사용되었다. 휴대용 saccadometers 세션 특히 심각한 운동 장애로 고통받는 사람들을 위해, 파킨슨 병 환자에게 더 편안한 것을 의미를 머리 받침 (도 1 참조)를 필요로하지 않는 장점이있다. 여기에 사용 된 saccadometer 경량 약 5cm 폭 10cm 높이입니다. saccadometer의 measu직접 적외​​선 oculography 사용하여 입술 안구 운동 : 내측 안각 이용 빛 앞에 위치하는 적외선 소스 및 센서 밀리 초 간격으로 안구의 회전 위치를 확립하기 위해 각막 반사. 분석을위한 양질의 데이터를 획득하기 위해 saccadometer 적어도 12 비트의 해상도를 갖는 적어도 1 kHz의 속도로 샘플링한다. 여기에 사용 된 saccadometer에서 시각적 자극에 의해 생성 된 빛의 세 개의 빨간색 13 CD를 m -2 점이었다 저전력 레이저 내장, 하나의 중간 선에 자리하고 ± 10도에서 다른 두 일부 0.1도 subtending의 각 지점 (즉, ) 오른쪽과 왼쪽.

figure-introduction-1
그림 1. Saccadometer. 머리 saccadometer 탄성 밴드에 부착 코의 다리에 휴식 탑재. 네 개의 소형 레이저는 시각적 대상 프로젝트매트 표면 및 참가자의 눈 움직임에에의 각 눈의 코 측에 차동 적외선 반사율 센서에 의해 측정된다. 레이저 표적이 머리를 이동하면, 헤드 레스트는 필요하지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

지역 윤리위원회는이 연구를 승인 섹션 1에 아래에 자세히 설명으로 참가자들로부터 얻은 동의 알렸​​다.

1. 참가자 동의

  1. 테스트 세션이 포함 될지 상세히 설명하는 정보 시트와 함께 참가자를 제공합니다.
  2. 참가자는 동의서에 각 지점을 설명하고 그들에게 어떤 질문을 할 수있는 기회를주고, 그들과 함께 동의서를 통과 읽고 연구에 자신의 촬영 부분에 관련된 질문, 문제 또는 다른 문제를 논의 할 수있는 기회를 갖게 후 그들은이있을 수 있습니다. 양식을 작성하기 위해 참가자를 요청합니다.

2. Saccadometer 설정

  1. 환자의 머리에 장치, 조절 탄성 스트랩에 의해 보안과 코의 다리에 휴식을 놓습니다. 자극 헤드와 정확히 이동되므로 더 헤드 구속은 불필요 장치가 WEA 편안아르 자형.
  2. 평면 매트 화면에서 1.5 m에 앉아 환자를 요청합니다.
  3. 자극 (붉은 빛 반점)이 명확하게 볼 수 있습니다 있도록 주변 조명이 어두운 있는지 확인합니다.

3. 단속적 안구 운동 세션을 기록

참고 prosaccades 및 antisaccades 팔 모두를 시험하는 표준 프로토콜이 여기에서 설명하는 예로서. 60 prosaccades, 40 antisaccades × 3, 및 블록 사이에 1 분의 휴식 60 prosaccades :이 프로토콜은 다섯 블록으로 구성되어 있습니다. 세션은 약 40 분 정도.

  1. 이 소멸와 주변 목표 중 하나가 무작위로 오른쪽 또는 9 왼쪽으로, 나타납니다 후 2.0 초, - 각 시험에 대한 중앙 고정 대상이 1.0 임의의 선행 기간 동안 표시되도록 saccadometer을 설정합니다.
    참고 : 세 가지 목표는 saccadometer에 내장 된 낮은 전원 레이저에 의한 참가자의 앞에 스크린에 투영 된 붉은 빛의 반점 (2.2 참조)이다. saccadometer의 AUTomatically 디스플레이에 끌 레이저 스위치 / 필요한 순서대로 목표를 소화.
  2. 시험 블록 사이에 1 분 휴식 다섯 블록으로 구성되어 참가자 지시합니다.
  3. 앞서 첫 번째 블록에 한쪽으로 중앙에서 점프 빨간 점을 따라이 60 회를 수행하도록 지시하기 위해 가능한 한 신속하고 정확하게 그들의 눈을 이동 참가자 지시.
  4. 실험 60의 시퀀스를 생성하는 saccadometer 설정. 시험 (prosaccades)의 첫 번째 블록을 시작 saccadometer에있는 버튼을 누릅니다.
  5. 첫번째 블록의 종료 후, 제 2 블록 전에 1 분의 간격을두고. 40 시험의 시퀀스를 생성하는 saccadometer 재설정하고, 하나 분 간격의 끝으로, 빨간 점과 반대 방향으로 가능한 한 빨리 그들의 눈을 이동 다음 블록에 대한 참가 지시하고, 그들은 것이라고 설명 이 40 시간을 요구한다. 증권 거래위원회 (SEC)를 시작합니다시험 (antisaccades)의 번째 블록.
  6. 제 2 블록의 종료 후, 추가로 1 분 간격을두고 단계 3.5에서 명령을 반복 시험 (antisaccades)의 세 번째 블록을 시작합니다.
  7. 세 번째 블록의 종료 후, 추가로 1 분 간격을두고 단계 3.5에서 명령을 반복 시험 (antisaccades)의 네 번째 블록을 시작합니다.
  8. 네 번째 블록의 종료 후, 추가로 1 분 간격을두고 테스트의 마지막 블록에 대해 그 설명은 한쪽 또는 중앙으로부터 점프 빨간 점을 따라 신속하고 정확하게 가능한 한 눈을 이동하는 참가자에게 다른, 그들은 첫 번째 블록에서했던 그대로.
  9. 60 시련의 시퀀스를 생성하고, 시험 (prosaccades)의 마지막 블록을 시작 saccadometer를 재설정합니다.

figure-protocol-1
그림 2. 안구 운동 작업. 회로도, 일러스트단속적 안구 운동 작업의 두 가지 예를 표시합니다. 고체 파란색 자리의 슈팅이 골대를 나타내고 점선 파란색 원은 고정의 영역을 나타냅니다. LEFT 피사체가 목표를 향해 볼하라는 메시지가 표시되는 prosaccadic 작업을 보여줍니다. 우 피사체가 시각적 인 자극에서 멀리보고하도록 요청하는 antisaccade를 보여줍니다 . 이 반대 방향으로 단속적의 자연 prosaccade 반응과 생성의 억제를 필요로한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

4. 깊은 뇌 자극 설정

참고 : 깊은 뇌 자극과 참가자들이 자극 시스템 즉, 정상적으로 실행하는 지금까지의 테스트를 수행 들어, '자극에'데이터 세트를 얻을 수있다. 테스트 이제 자극기 시스템 (오프 반복해야DBS 시스템이없는 건강한 제어 참가자에 대한이 부분)는 적용되지 않습니다.

  1. DBS 시스템을 끕니다. 숙련 된 임상 직원이 작업을 수행합니다. 테스트 전에 30 분을 허용합니다.
  2. 완전한 '자극 오프'데이터 집합을 얻기 위해 - 단속적 안구 운동 검사를 반복 (3.9 3.2 단계).
  3. 에 다시 DBS 시스템 (다시 적절하게 훈련 된 임상 직원에 의해 수행되어야합니다)를 전환합니다.

5. 데이터 분석

참고 : 깊은 뇌 자극과 참가자들이 자극 시스템 즉, 정상적으로 실행하는 지금까지의 테스트를 수행 들어, '자극에'데이터 세트를 얻을 수있다. 테스트는 이제 자극 시스템 (이 부분은 적용되지 않습니다 DBS 시스템없이 건강하게 제어 참가자) 해제 반복 될 필요가있다.

  1. 분석을 위해 컴퓨터로 saccadometer에서 원시 데이터를 다운로드.
  2. 안구 단속 운동의 distor을 제외 할 saccadometer의 소프트웨어 프로그램을 사용하여단속적 안구 운동 대기 시간, 최대 속도 및 진폭을 포함 깜박이고 머리의 움직임, 그리고 계산하는 변수에 의해 테드.
    참고 : 과도한 머리의 움직임거나 깜박 의해 오염 된 기록은 자동으로 소프트웨어에 의해 제거된다.
    1. 대기 시간 미만 80 밀리 초 이상 1,000 밀리 초를 안구 단속 운동을 제거합니다.
      참고 단속적 안구 대기 자동 속도 및 가속도에 기초하여 단속적 검출 알고리즘을 이용하여 계산된다. 단속적의 발생은 눈 속도 / 5 초 정도의 임계 값을 초과하는 포인트로서 식별된다.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

도 3은 시상 핵 이식 DBS 시스템과 파킨슨 병 환자에서 단속적 안구 안구 운동 궤적의 일례를 나타낸다. 자극기 시스템이 스위치 오프 (상단 그래프) 및 ​​(하부 그래프)에 투입하여 두 그래프는 환자의 prosaccades 플롯. 그래프상의 각 트레이스 멀리 중심선 (Y 축)의 각도, 눈의 위치가 시간의 함수로서 어떻게 변화 하는지를 단일 단속적, 즉 (X 축)의 궤적을 나타낸다. 모두 좌우 안구 단속 운동은 긍정적 인 정도의 값으로 편향으로 그래프에 표시됩니다. 시간 제로는 중앙 대상이 사라지고 주변 대상이 나타나는 순간이다. 이것 단속적 (추적이 0도에서 굴절 모멘트)의 개시 사이의 간격이 단속적 안구 대기 시간이라하며, 메인 관찰 자극기를 켜면 안구 단속의 분포가 redu으로 변경된다는 것이다긴 대기 시간 안구 단속 운동의 수가 ction 및 평균 대기 시간에 해당 감소.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

좋은 품질 단속적 안구 운동 데이터를 획득에서 가장 중요한 요소는 참가자의 지시가 명확하고 정확한 것을 보장한다. antisaccadic 작업에 대한 설명은 완전히 명확하지 않은 경우, 예를 들어, 학습자는 대신 prosaccades를 실행할 가능성이있다. 참가자가 명확하게 자극을 볼 수 없습니다 또는 saccadometer 정확하게 눈의 위치를​​ 측정 할 수없는 경우 녹음도 부패 할 수있다. 데이터 품질이 낮은 것으로 나타날 경우에 따라서 실험은 주변 조명이 너무 밝 아니라는 것을 확인해야하고 saccadometer 코의 다리에 제대로 앉아있다.

뇌 심부 자극술은 기저핵의 다양한 위치에서 신경 활동의 직접 수정할 수 있습니다. 정확하고 객관적으로 안구 운동을 정량화 할 기기와 결합 DBS 이들 뇌 영역의 정상 및 비정상 작동을 연구하는데 사용될 수있다.

실험DBS와 함께 saccadometry를 사용하면 종종 알려지지 동...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Antoniades 박사는 NIHR(National Institute of Health Research)과 DENDRON(Dementias and Neurodegenerative Diseases Research Network) 및 Wellcome Trust의 지원을 받았습니다. FitzGerald 박사는 NIHR(National Institute for Health Research) Oxford Biomedical Research Centre의 지원을 받았습니다.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
단속계 장치Ober Consulting 폴란드
컴퓨터 Windows 환경
소프트웨어, 단속계
에서 원시 데이터를 다운로드하기위한 대기 시간 측정기

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127, 460-477 (2004).
  2. Carpenter, R. H. The neural control of looking. Curr Biol. 10, 291-293 (2000).
  3. Leigh, R. J., Zee, D. S. The Neurology of Eye Movements. , Oxford University Press. New York. (2006).
  4. Antoniades, C. A., Xu, Z., Mason, S. L., Carpenter, R. H., Barker, R. A. Huntington's disease: changes in saccades and hand-tapping over 3 years. Journal of Neurology. 257, 1890-1898 (2010).
  5. Blekher, T. M., Yee, R. D., Kirkwood, S. C., Hake, A. M., Stout, J. C., Weaver, M. R., Foroud, T. M. Oculomotor control in asymptomatic and recently diagnosed individuals with the genetic marker for Huntington's disease. Vision Research. 44, 2729-2736 (2004).
  6. Chan, F., Armstrong, I. T., Pari, G., Riopelle, R. J., Munoz, D. P. Deficits in saccadic eye-movement control in Parkinson's disease. Neuropsychologia. 43, 784-796 (2005).
  7. Antoniades, C. A., Demeyere, N., Kennard, C., Humphreys, G. W., Hu, M. T. Antisaccades and executive dysfunction in early drug-naive Parkinson's disease: The discovery study. Mov Disord. , (2015).
  8. Antoniades, C., et al. An internationally standardised antisaccade protocol. Vision Res. 84, 1-5 (2013).
  9. Ober, J. K., et al. Hand-Held system for ambulatory measurement of saccadic durations of neurological patients. . Modelling and Measurement in Medicine. , (2003).
  10. Temperli, P., et al. How do parkinsonian signs return after discontinuation of subthalamic DBS. Neurology. 60, 78-81 (2003).
  11. Antoniades, C. A., et al. Deep brain stimulation: eye movements reveal anomalous effects of electrode placement and stimulation. PLoS ONE. 7, e32830(2012).
  12. Yugeta, A., et al. Effects of STN stimulation on the initiation and inhibition of saccade in Parkinson disease. Neurology. 74, 743-748 (2010).
  13. Terao, Y., Fukuda, H., Ugawa, Y., Hikosaka, O. New perspectives on the pathophysiology of Parkinson's disease as assessed by saccade performance: a clinical review. Clin Neurophysiol. 124, 1491-1506 (2013).
  14. Temel, Y., Visser-Vandewalle, V., Carpenter, R. H. Saccadic latency during electrical stimulation of the human subthalamic nucleus. Curr Biol. 18, 412-414 (2008).
  15. Antoniades, C. A., et al. Deep brain stimulation abolishes slowing of reactions to unlikely stimuli. J Neurosci. 34, 10844-10852 (2014).
  16. Rivaud-Pechoux, S., et al. Improvement of memory guided saccades in parkinsonian patients by high frequency subthalamic nucleus stimulation. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 68, 381-384 (2000).
  17. Takikawa, Y., Kawagoe, R., Itoh, H., Nakahara, H., Hikosaka, O. Modulation of saccadic eye movements by predicted reward outcome. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 142, 284-291 (2002).
  18. Dorris, M. C., Munoz, D. P. A neural correlate for the gap effect on saccadic reaction times in monkey. Journal of Neurophysiology. 73, 2558-2562 (1995).
  19. Hanes, D. P., Schall, J. D. Countermanding saccades in macaque. Visual Neuroscience. 12, 929-937 (1995).
  20. Opris, I., Barborica, A., Ferrera, V. P. On the gap effect for saccades evoked by electrical microstimulation of frontal eye fields in monkeys. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 138, 1-7 (2001).
  21. Takagi, M., Frohman, E. M., Zee, D. S. Gap-overlap effects on latencies of saccades, vergence and combined vergence-saccades in humans. Vision Res. 35, 3373-3388 (1995).
  22. Schall, J. D. Neuronal activity related to visually guided saccades in the frontal eye fields of rhesus monkeys: comparison with supplementary eye fields. Journal of Neurophysiology. 66, 559-579 (1991).
  23. Pare, M., Hanes, D. P. Controlled movement processing: superior colliculus activity associated with countermanded saccades. J Neurosci. 23, 6480-6489 (2003).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Deep Brain StimulationSaccadic Eye MovementsSaccadometryParkinson DiseaseBasal GangliaSubthalamic NucleusEye Movement MeasurementNeurodegenerative ConditionsSaccadic LatencyStimulator Systems

Related Articles