딥 뇌 자극 수술을받은 깨어 인간 내부 수술 행동 작업

심부 뇌 자극술은 행동 과제를 수행하는 피험자로부터 미세 전극 기록을 통해 깨어 있는 인간 뇌의 정보 처리와 코딩을 조사할 수 있는 기회를 제공합니다. 본 사례에서는 피험자가 먼저 위험과 보상이 포함된 간단한 컴퓨터 카드 게임을 하도록 훈련을 받습니다. 그 후 피험자는 심부 뇌 자극 수술 준비를 거치며, 뇌의 표적 영역에 미세 전극이 삽입됩니다.

본 사례에서는 피험자가 카드 게임을 반복하는 동안 STN 신경 신호를 기록합니다. 수집된 데이터는 STN의 신경 인코딩에서 위험과 보상의 역할을 보여줍니다.

실험의 목표는 수술 대상이 되는 뇌핵에 따라 달라질 수 있습니다. 초기에는 DVS가 주로 본태성 진전, 파킨슨병, 근긴장이상증과 같은 운동 장애 치료에 사용되었습니다. 최근에는 우울증 및 강박 장애의 치료법 연구를 위해 사용되고 있습니다.

이 작업은 운동 및 보상 의존적 구성 요소를 모두 포함하고 있으며, 우리는 뇌의 운동 시스템과 변연계의 접점에 위치한 시상하핵에서 이를 기록했습니다. 이 환자는 62세 여성분이며, 매우 친절하신 분입니다.

이 환자는 약 10년 동안 파킨슨병을 앓아왔습니다. 떨림, 경직, 서동증과 같은 파킨슨병의 전형적인 증상들을 보이고 있습니다. 초기에는 약물 치료에 좋은 반응을 보였는데, 이는 실제 파킨슨병임을 시사하는 긍정적인 징후입니다.

하지만 많은 사례에서 그렇듯이, 시간이 흐름에 따라 약물의 효과가 떨어지게 됩니다. 기본적으로 환자들의 상태가 취약해져서, 약 복용을 중단하면 파킨슨병의 매우 심각한 증상이 나타납니다. 떨림이 발생하고, 근육이 경직되며, 움직임이 느려집니다.

그리고 환자가 약물을 복용하면, 과도하게 움직이게 되는 디스키네지아(dyskinesia)라는 다른 종류의 운동 장애가 발생하며, 더 이상 적절한 중간 지점이 존재하지 않게 됩니다. 바로 이때가 수술이 유용한 중재 방법이 되는 시점인데, 수술을 통해 이러한 심각한 온-오프 변동(on off fluctuations)을 실제로 제거하고 환자의 상태를 안정적으로 유지할 수 있기 때문입니다. 기본적으로 환자들은 약물을 복용했을 때 얻을 수 있는 최선의 상태를 유지하게 됩니다.

이것이 수술의 목적입니다. 그리고 수술 자체에서는 잠재적으로 공략 가능한 뇌의 두 부위를 대상으로 하는데, 그중 하나는 시상하핵이라고 불리는 부위입니다.

오늘 우리가 수행한 내용은 여기까지입니다. 그리고 그중 하나는 globus palus internist라고 불리며, 두 가지 모두 대략 비슷하게 효과적입니다.

우리는 여러 가지 방법을 조합하여 이를 타겟팅합니다. CT와 MRI를 사용하여 입체정위적으로 타겟팅하며, 미세 전극 기록을 통해 생리학적 특성을 이용하여 타겟팅합니다.

그리고 이러한 과정은 매우 중요한데, 매우 높은 공간 해상도로 핵의 경계와 상하 경계를 알려주기 때문입니다. 또한 이를 통해 우리가 핵의 운동 영역에 위치해 있는지 확인합니다. 마지막으로 영구 전극을 삽입했을 때, 다시 한번 자극을 주어 정확한 위치에 있는지 확인합니다. 즉, 환자를 치료하기 위해 이 모든 과정을 기본적으로 수행하게 됩니다.

어차피 미세 전극 기록을 수행하고 있으므로, 미세 전극이 삽입되어 있는 동안 이 기회를 활용할 수 있습니다. 이는 다른 방법으로는 절대 불가능한, 인간 뇌의 신경 세포 활동을 연구할 수 있는 드문 기회입니다. 따라서 어차피 기록을 수행하고 전극이 삽입되어 있는 상태이므로, 추가로 20~30분 정도 시간을 들여 우리가 관심 있는 실험들을 진행하는 것입니다.

이러한 실험들은 일반적으로 운동 제어, 의사 결정, 학습 또는 동기 부여와 같은 주제들을 다룹니다. 그리고 거의 모든 실험에서 비디오 화면과 함께, 피험자가 조이스틱을 움직이거나 버튼을 누르는 것과 같은 간단한 과제를 수행하게 됩니다. DBS 수술 중에는 미세 전극 기록이 일상적으로 수행되는데, 이는 연구자가 피험자가 행동 과제를 수행하는 동안 개별 뉴런의 발화 패턴을 기록할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.

파킨슨병 치료를 위한 DBS 수술의 일환으로, 환자들은 수술 하루 전에 입원합니다. 이는 수술 전 환자가 행동 과제를 연습할 수 있는 기회를 제공합니다. 이러한 기회는 행동 과제가 인지적으로 까다로운 경우 매우 유용하다는 것이 입증되었습니다.

수술 당일, 피험자가 수술 전날 밤에 훈련을 받은 경우를 대비하여 이동식 행동 실험 장치를 설치합니다. 이 장치에는 피험자가 수술 중에 수행해야 하는 것과 정확히 동일한 행동 과제가 설정되어 있습니다. 본 예시에서는 피험자가 'War' 게임과 유사한 카드 게임을 수행하도록 요청받습니다. 게임에서 피험자는 자신의 카드가 컴퓨터의 카드보다 높을지 여부에 대해 20 또는 5를 배팅합니다.

본 작업의 목적은 잠재적 조합과 그로 인한 교란 변수를 줄이기 위해, 안구 핵의 신경 인코딩에서 보상과 위험의 역할을 평가하는 것입니다. 각 시행에서는 단일 문양의 짝수 카드만 사용됩니다. 피험자는 먼저 무작위로 배정된 자신의 카드와 알 수 없는 컴퓨터 카드의 뒷면이 표시된 화면을 봅니다.

그 후 화면에는 피험자 카드의 상대적 강도에 따라 5와 20이라는 두 가지 베팅 옵션이 표시됩니다. 피험자가 버튼을 눌러 베팅 금액을 선택하면, 화면에 피험자의 카드와 공개된 컴퓨터의 카드가 나타납니다. 마지막 화면에는 획득하거나 잃은 금액이 명시적으로 표시됩니다.

피험자는 규칙을 완전히 이해하고 편안한 수준으로 수행할 수 있을 때까지 게임을 플레이합니다. 이제 훈련 다음 날의 수술 중 실험 설정을 살펴보겠습니다. 피험자가 수술대에 위치하면, 행동 데이터 수집 및 신호 처리 장비가 포함된 리그를 수술실로 가져옵니다.

장치 배치는 수술실 환경과 관련된 일반적인 작업 흐름 및 멸균 문제를 고려하여 이루어져야 합니다. 각 기록 세션마다 이러한 장치의 구성 요소를 조립하고 분해하므로, 모든 장비 연결 상태를 확인하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 각 구성 요소를 데이터 획득 시스템에 연결할 때, 먼저 데이터 부팅, 획득 및 신호 처리 장비의 무결성을 확인하십시오.

신호 처리 장치의 출력을 데이터 수집 장치의 입력단에 연결하십시오. 본 연구에서는 수술 중 피험자의 뇌로 삽입된 3개의 병렬 방향 전극에 대응하는 3개의 세포 외 활동 전위 채널을 수집합니다. 앰프를 하나씩 켜서 수집 시스템이 신호를 제대로 수집하고 있는지 확인하십시오.

적절한 어댑터를 사용하여 모니터를 보기 편한 위치의 수술대(OR table)에 고정하십시오. 피험자의 손이 과제 수행 중에 사용할 입력 장치를 조작하기 편한 위치에 있는지 확인하십시오. 이제 행동 분석 시스템을 부팅하고, 행동 이벤트 마커가 데이터 수집 장치에 의해 캡처되고 있는지 확인하십시오.

행동 과제를 시작하고 이 시간 동안 피험자가 과제의 시도(trial)를 몇 차례 수행하도록 합니다. 실험 설정 및 준비가 완료된 상태에서 획득 시스템이 버튼 박스 입력과 행동 장치에서 생성된 행동 마커를 정확히 캡처하고 있는지 확인하십시오. 이제 STN 뉴런을 외과적으로 분리하는 과정을 살펴보겠습니다.

수술의 목적은 STN의 운동 영역에 만성 DBS 리드를 배치하는 것입니다. 위치 결정은 Mass General Hospital에서 정위 영상 촬영과 신경생리학적 기록을 결합하여 이루어집니다. Cosman Roberts Wells 정위 프레임과 피듀셜 케이지를 장착한 후 머리 CT 스캔을 수행합니다.

기준 표식(fiducials)이 포함된 CT를 신경 항법 시스템에서 이전에 획득한 뇌 volumetric MRI와 병합합니다. 수술실에서 환자는 반쯤 누운 자세로 편안하게 위치시키며, 표준 수술 기법에 따라 소독 및 드레이핑을 수행합니다. 왼쪽 STN의 좌표를 프레임에 입력한 후, 해당 프레임을 환자에게 장착합니다.

외과 의사가 피부를 절개하고 견인합니다. 천공을 낸 후 경막에 작은 개구부를 만듭니다. 마이크로 드라이브에 연결된 캐뉼라를 위치시키고, 캐뉼라 끝이 목표 지점 25 millimeters 위에 올 때까지 진입시킵니다.

캐뉼라를 뇌 내부로 진입시킨 후, 내부 스타일을 제거하고 고임피던스 미세 전극으로 교체합니다. 신호 처리 장치와 전치 증폭기를 각 전극에 연결하고, 차동 참조 채널을 외부 캐뉼라에 연결합니다. 신호 처리 장치에서 증폭기를 켜고 세포 외 신호를 평가합니다.

또한, 전극을 뇌 속으로 더 진입시키기 전에 각 전극의 임피던스를 확인합니다. 모든 확인이 완료되면, 외과의는 전극을 0.05에서 0.4 mm 간격으로 천천히 뇌 속으로 진입시킵니다. 전극은 계산된 목표 지점에서 25 mm 떨어진 곳부터 S St N을 향해 진입합니다. 이 궤적을 통해 전극은 CAU eight nucleus, 시상, zona Serta를 거쳐 최종적으로 SDN에 도달하게 됩니다.

전극이 SDN에 진입하면, 생리학자는 신경 신호가 운동 반응성을 보이는지 확인하기 위해 환자의 반대측 사지를 조작합니다. 외과의와 실험자가 전극의 위치에 만족하면 행동 과제를 시작할 수 있습니다. 행동 과제를 시작하기 전, 마이크로 전극의 깊이와 분리된 뉴런의 운동 반응성을 기록하는 것이 중요합니다.

다음으로, 피험자에게 과제가 시작될 것임을 안내하십시오. 버튼 상자가 여전히 편안한 위치에 있고 모니터가 완전히 보이는지 확인하십시오. 데이터 수집을 시작하고, 행동 과제를 시작하기 전 최소 1분 동안 기저 활동 데이터를 수집하십시오.

피험자가 과제를 수행하는 동안 캡처된 데이터를 모니터링하는 것이 중요합니다. 데이터 수집에 중단이 발생하면 과제를 중단하고 문제를 해결해야 합니다. 각 깊이별로 과제를 여러 번 반복하여 수행할 수 있습니다.

하지만 STN의 경우, 환자의 불편함을 방지하고 수술 시간이 과도하게 길어지는 것을 막기 위해 실험적 기록은 30분으로 제한됩니다. 이제 시작하겠습니다. 전구를 쥐고 손을 폈다 쥐었다 해보시겠어요?

좋습니다. 오른발을 돌려보세요. 저를 따라 하세요. 저는 타피오카 푸딩을 좋아합니다.

저는 캔자스주 토피카행 기차를 탔습니다. 여기에는 워 게임(war game) 동안 기록된 단일 STN 뉴런의 대표적인 결과가 제시되어 있습니다. RA는 과제 내에서 행동적으로 관련이 있는 네 가지 시점, 즉 피험자의 카드가 제시되기 전의 고정 기간, 피험자의 베팅을 나타내는 버튼 누르기, 그리고 여기에서는 자극 시점 히스토그램으로 표시된 컴퓨터 카드의 제시 시점을 중심으로 묘사되었습니다.

이 뉴런은 피험자의 카드가 제시될 때는 강력하게 반응하지 않으나, 버튼을 누르는 시점 전후로 발화가 유의미하게 증가합니다. 이러한 활동은 컴퓨터의 카드가 공개될 때까지 지속되며, 그 시점에서 발화는 기저 수준으로 감소합니다. 이 기술은 뇌 내 개별 뉴런의 반응을 측정합니다.

또한 이는 기능적 자기공명영상(fMRI)이나 뇌자도(MEG)와 같이 집단 반응을 측정하는 다른 신경 활동 측정법과 결합될 수 있습니다. 이 기술을 숙달하면 수술실에서 25분 이내에 설정 및 구현이 가능합니다. 수술실 내에서 사람을 대상으로 연구를 진행하는 것은 멸균 유지 시간과 무엇보다 중요한 환자의 안녕을 포함하여 여러 가지 제약 사항이 따릅니다.

따라서 연구의 모든 단계에서 이러한 점들을 유념하시기 바랍니다.